CC BY
68
ЛЕСОСЕЧНЫЕ РАБОТЫ
МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА ЩЕПЫ НА ЛЕСОСЕКЕ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МЯГКИХ КОНТЕЙНЕРОВ
С.П. КАРПАЧЕВ, проф. каф. транспорта леса МГУЛ, д-р техн. наук, Е.Н. ЩЕРБАКОВ, доц. каф. древесиноведения МГУЛ, канд. техн. наук, Д.В. ШМЫРЕВ, асп. каф. транспорта леса МГУЛ
[email protected], [email protected], ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет леса» 141005, Московская
обл., г. Мытищи-5, ул. 1-я Институтская, д. 1, МГУЛ
В статье приводятся результаты моделирования технологического процесса освоения лесосечных отходов с использованием мягких контейнеров.
Ключевые слова: моделирование, математическая модель, технология, лесосечные отходы, мягкие контейнеры, GPSSW
В данной статье рассматриваются некоторые результаты исследования технологии производства щепы на лесосеке с использованием мобильной рубительной машины и стандартных мягких контейнеров [1].
Пусть мобильная рубительная машина дополнительно оснащена специальным устройством - прицепом, на котором размещается бункер-дозатор и сменные мягкие контейнеры (рис. 1). Наполняемые щепой контейнеры размещаются на площадках прицепа с возможностью их наклона для сброса контейнеров на поверхность участка. Бункер-дозатор обеспечивает наполнение мягких контейнеров и позволяет осуществить их упаковку и разгрузку в процессе работы ру-бительной машины.
Применение мягких контейнеров в предлагаемой технологии позволит, по пред-
варительным оценкам, снизить затраты на логистические операции и использовать для этого стандартное оборудование. Контейнеры могут быть выполнены из легкого, прочного и недорогого материала многоразового использования и доставляться потребителю сухопутным или водным транспортом.
В качестве сырья для производства щепы в данной статье рассматриваются лесосечные отходы в виде сучьев, вершинок, ломаных стволов и прочей древесины. Такая древесина, например, переработанная на щепу, может быть использована в биоэнергетике [2-4].
Общий вид установки представлен на
рис. 1.
Рассматривалась работа мобильной рубительной машины, оснащенной специальным устройством-прицепом, со сбросом кон-
Рис. 1. Общий вид устройства для производства щепы
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 2-S/2014
75
ЛЕСОСЕЧНЫЕ РАБОТЫ
тейнеров на лесосеке (рис. 2). Исследования проводились методами имитационного моделирования на математических моделях.
Общая структура имитационного моделирования включает формирование концептуальной модели и ее программирование, а также планирование и проведение эксперимента.
Концептуальная модель работы руби-тельной машины и процесса заполнения контейнеров щепой может быть сформулирована в терминах системы массового обслуживания (СМО).
Представим скопления лесосечных отходов на лесосеке, например после работы хар-вестера, как входящий поток требований на обслуживание. Такие требования будем называть заявками первого уровня, которые поступают от источника И. Каждой заявке назначается атрибут, который идентифицируется с объемом скопления лесосечных отходов q0 Объем лесосечных отходов qo является случайным числом и меняется от скопления к скоплению.
Рубительная машина движется от скопления к скоплению, собирает и рубит на щепу древесное сырье. Манипулятор машины захватывает пачки (охапки) древесного сырья и направляет их в рубительное устройство. Пачки (охапки) сырья представляют собой заявки второго уровня. Объем такой пачки qn, которую захватывает манипулятор, будут всякий раз разными, то есть является случайным числом.
Древесное сырье поступает пачками (охапками) в рубительную машину, перерабатывается на щепу и направляется в контейнер. Щепа, которая поступает в контейнер, является заявкой третьего уровня. Поступающую в контейнер щепу удобно представлять порциями в объеме, который производит ру-бительная машина за некоторый промежуток времени. Объем порции щепы qn разумно определить из условия возможности манипуляции при загрузке контейнеров через дозатор бункера.
Щепа заполняет контейнеры, которые являются заявками четвертого уровня. Объем контейнера является величиной постоянной, но объем щепы в нем колеблется, хотя и в минимальных пределах.
Работу мобильной рубительной машины с мягкими контейнерами можно описать следующим образом.
С началом работы в систему поступает одна заявка, которая генерирует некоторое количество заявок, равное числу скоплений лесосечных отходов. Это заявки первого уровня. Они становятся в очередь Q1 на обслуживание. Заявки проходят через канал обслуживания К1. Это одноканальный обслуживающий прибор. Он имитирует время передвижения рубительной машины от скопления к скоплению. Время обслуживания в канале К1 определяется скоростью рубительной машины и расстоянием между скоплениями.
Рис. 2. Работа мобильной рубительной машины со сбросом контейнеров на лесосеке
76
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 2-S/2014
ЛЕСОСЕЧНЫЕ РАБОТЫ
Пройдя через обслуживающий канал К1, заявка первого уровня распадается на несколько заявок второго уровня, которые имитируют пачки (охапки) отходов, подаваемые на рубку в щепу. Заявки второго уровня становятся в очередь Q2 и последовательно проходят через канал обслуживания К2. Пока все заявки второго уровня не будут обслужены, новая заявка первого уровня не может поступить на обслуживание в канал К1. Для регулирования поступления в канал К1 заявок первого уровня служит клапан Кл 1, который остается закрытым, пока в очереди Q2 находится хотя бы одна заявка второго уровня.
Пройдя канал К2, заявка второго уровня распадается на несколько заявок третьего уровня, которые имитируют порции щепы. Заявки третьего уровня становятся в очередь Q3 и закрывают клапан Кл2, приостанавливая движение заявок второго уровня. Заявки третьего уровня последовательно проходят через обслуживающий канал К3. После этого канала заявки проходят через бункер, который моделируется очередью из заявок Q6. Предельная длина очереди равна максимальному объему бункера. Если очередь достигает максимального значения, то клапан Кл3 перекрывает движение заявок третьего уровня.
В очереди Q6 заявки третьего уровня накапливаются до некоторого количества, равного объему контейнера.
После этого они образуют ансамбль, объединяются в заявку четвертого уровня и поступают в один из свободных каналов обслуживания К5 или К6 (по числу контейнеров на прицепе), которые моделируют время на упаковку и сброску заполненного контейнера, а также время на установку нового контейнера. Если все каналы заняты, то клапан Кл4 перекрывает движение заявок третьего уровня.
Заявка четвертого уровня после покидает систему.
Таким образом, в принятой нами модели заявки делятся на четыре уровня:
- заявки первого уровня - объем лесосечных отходов;
- заявки второго уровня - пачки (охапки) лесосечных отходов;
- заявки третьего уровня - минимальный объем щепы, доступный для манипуляции в технологическом процессе;
- заявки четвертого уровня - объем контейнеров со щепой.
Концептуальная модель работы мобильной рубительной машины представлена на рис. 3.
Разрабатывая технологию загрузки контейнеров щепой, необходимо стремиться к полной загрузке рубительного устройства машины, технологические остановки которого возможны когда
- цикл упаковки контейнера больше, чем цикл его наполнения.
- цикл упаковки контейнера меньше, чем цикл его наполнения.
В первом случае технологические остановки неизбежны. Во втором случае возможна максимальная загрузка рубительной машины, если между подающим трубопроводом и контейнером установлен бункер-накопитель с дозатором. Причем, чем меньше цикл упаковки контейнера, тем меньший объем бункера необходим.
Объем бункера может быть уменьшен или вообще не потребуется, если под загрузку установить последовательно несколько контейнеров. В этом случае операции упаковки и наполнения контейнера будут выполняться независимо друг от друга, как показано на рис. 3. Время необходимо только на перевод загрузочного устройства бункера-дозатора от контейнера к контейнеру.
В реальных условиях объем бункера может быть ограничен по техническим и технологическим причинам. Однако в модели объем бункера нет необходимости ограничивать. Поэтому в модели он был принят «бесконечным». Тогда клапан Кл3 можно ликвидировать, позволив заявкам третьего уровня накапливаться в очереди Q6 без ограничений.
Эти допущения позволяют значительно упростить концептуальную модель без ущерба ее адекватности реальному технологическому процессу.
Концептуальная модель узла работы мобильной рубительной была реализована в виде компьютерной программы на языке
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 2-S/2014
77
ЛЕСОСЕЧНЫЕ РАБОТЫ
Рис. 3. Модифицированная концептуальная модель работы рубительной машины на лесосеке
GPSSW и использована для проведения экспериментов.
Цель экспериментов - установление зависимости изменения объема бункера от различных факторов:
- природно-производственных - объема скоплений лесосечных отходов и их распределения по лесосеке;
- технико-технологических - интенсивности сбора лесосечных отходов, их переработки и подачи щепы в контейнер;
- объема контейнера;
- количества одновременно размещаемых на прицепе контейнеров;
- времени на упаковку и сброску контейнера.
Заметим, что объем бункера тем больше, чем больше объем скопления лесосечных отходов. Максимальный объем скопления лесосечных отходов - это штабель лесосечных отходов на погрузочной площадке. В модели скопления лесосечных отходов представлены заявками первого уровня. Этим заявкам назначим атрибут объема, равным бесконечно большому значению. Тогда время обслуживания этой заявки в канале К1 будет равным 0. Это упрощает концептуальное представление модели без ущерба
адекватности реальному технологическому процессу (рис. 3).
В экспериментах были приняты следующие варьируемые факторы:
1. Технико-технологические - интенсивность сбора лесосечных отходов, их переработки и подачи в контейнер, t .
2. Объем контейнера, V .
3. Количество одновременно размещаемых на прицепе контейнеров, N .
конт
4. Время на упаковку и сброс контейнера Lnt
В качестве выходной величины был принят накопленный объем щепы в бункере. Эта величина позволяет определить потребную емкость бункера. Выходную величину будем искать в виде уравнения регрессии второго порядка.
Заметим, что первые два фактора являются непрерывными величинами, а третий - число контейнеров - дискретный. Поэтому решено искать уравнения регрессии для двух непрерывных факторов при числе контейнеров 1 и 2.
Что касается времени на упаковку и сброс контейнера, то этот фактор определяется не только особенностями контейнера, но и конструкцией прицепного устройства для установки и сброса контейнера.
78
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 2-S/2014
ЛЕСОСЕЧНЫЕ РАБОТЫ
250
200
§
в. 150
О
JP 100
о
50
0
«г -4--
\ V
V \ +
\ ш
\ --Р
I 1, -
V -
\ \ \
--П -4-
\ X-
к -4-
-А
\ \ - > -X
X Ряд1
■ Ряд2
-----цикл
упаковки контейне ра, с
40 45 50 55 60 65 70
Цикл работы рубительной машины, с/м3
Рис. 4. Зависимость объема бункера от цикла работы рубительной машины для одного контейнера объемом 1 м3 каждый (цикл упаковки контейнера больше, чем цикл его наполнения)
X Ряд1
■ Ряд2
-----Цикл
упаковк
и
контейн ера, с
3
Цикл работы рубительной машины, с/м
Рис. 5. Зависимость объема бункера от цикла работы рубительной машины для двух контейнеров объемом 1 м3 каждый (цикл упаковки контейнера больше, чем цикл его наполнения)
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 2-S/2014
79
3
Объем бункера, для 1 контейнеров, м
ЛЕСОСЕЧНЫЕ РАБОТЫ
Время моделирования, с
Рис. 6. Зависимость объема бункера от времени работы для цикла работы рубительной машины 12 с (40 с/м3) и одного контейнера объемом 1 м3 (цикл упаковки контейнера больше, чем цикл его наполнения)
3
Приведенный цикл работы рубительной машины, с/м
Рис. 7. Зависимость объема бункера от цикла работы рубительной машины для одного контейнера объемом 1 и 2 м3 (цикл упаковки контейнера меньше, чем цикл его наполнения)
80
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 2-S/2014
ЛЕСОСЕЧНЫЕ РАБОТЫ
♦ 1м3
■ 2м3
Рис. 8. Зависимость объема бункера от цикла работы рубительной машины для двух контейнеров объемом 1 и 2 м3
В экспериментах время на упаковку и сброс контейнера принято равным tkont = 60 с. Этого времени вполне достаточно, чтобы сбросить заполненный щепой контейнер и установить новый порожний.
Эксперименты с моделью решено провести для двух случаев, которые выделены выше:
1. Цикл упаковки контейнера больше, чем цикл его наполнения.
2. Цикл упаковки контейнера меньше, чем цикл его наполнения.
В первом случае бункер через некоторый промежуток времени будет переполнен при любом его объеме. Для случая одного контейнера объемом в 1 м3, при принятом цикле времени на упаковку и сброс контейнера tkont = 60 с, время сбора лесосечных отходов, их переработки и подачи в контейнер будет меньше 60с ^цикл < 18 c). Для случая двух контейнеров можно предположить, что время должно быть меньше 30с (t4UKji < 9 c).
Для этого случая решено было провести серии экспериментов для одного и двух контейнеров. Во втором случае бункер не будет переполняться. Для этого запланирова-
ны серии экспериментов для одного и двух контейнеров. В основу планирования основных экспериментов положен план, который позволяет получить отклик в виде уравнения регрессии второго порядка.
Как и следовало ожидать, объем бункера быстро уменьшается с увеличением времени циклов сбора лесосечных отходов, их переработки и подачи в контейнер t^uKjj. Примечательно, что уменьшение потребного объема бункера в случае двух контейнеров происходит быстрее.
Когда цикл упаковки контейнера больше, чем цикл его наполнения, следует ожидать нарастания потребного объема бункера с увеличением времени работы системы. Для подтверждения проведен дополнительный эксперимент, результаты которого приведены на рис. 6.
Как мы и предполагали, потребный объем бункера быстро растет с увеличением времени работы системы.
Сразу заметим, что если цикл упаковки контейнера меньше, чем цикл его наполнения, то время работы системы не влияет на объем бункера, что вполне понятно.
ЛЕСНОИ ВЕСТНИК 2-S/2014
81
ЛЕСОСЕЧНЫЕ РАБОТЫ
Зависимость объема бункера от цикла работы рубительной машины для одного контейнера объемом 1 и 2 м3 приведена на рис. 7. Как видно из графика, точки опытов для контейнеров 1 и 2 м3 практически совпадают. Из этого следует, что объем контейнера, когда он один, не влияет на объем бункера. Объем бункера зависит только от цикла времени работы рубительной машины.
Зависимость объема бункера от цикла работы рубительной машины для двух контейнеров объемом 1 и 2 м3 приведена на рис.
8. Как видно из графика объем контейнеров, когда их два и более, влияет на объем бункера. Объем бункера зависит как от цикла времени работы рубительной машины, так и от объема контейнера. Интересно отметить, что при одном и том же объеме бункера для более производительной рубительной машины потребуются контейнеры большего объема.
Библиографический список
1. Карпачев, С.П. Некоторые вопросы освоения биоресурсов из леса для нужд биоэнергетики / С.П. Карпачев, Е.Н.Щербаков, А.Н. Комяков // Вестник МГУЛ - Лесной вестник. - № 4 (73) - 2010. - С. 107-111.
2. Карпачев, С.П. Проблемы развития биоэнергетики на основе древесного сырья в России / С.П. Карпачев, Е.Н.Щербаков, Г.Е. Приоров // Лесопромышленник. - Февраль-март 1 (49) - 2009.
3. Карпачев, С.П. Производство дров для жилищнокоммунального хозяйства лесных поселков и городов / С.П. Карпачев, Е.Н.Щербаков, Г.Е. Приоров // Лесопромышленник. - Апрель-июнь 2 (54) - 2010.
4. Карпачев, С.П. Некоторые вопросы технологии освоения и водного транспорта биоресурсов из леса для биоэнергетики // Ученые записки РГСУ /Экологическая безопасность и природопользование. - № 5 - 2009. - С. 130-138.
5. Карпачев, С.П. Моделирование логистических систем лесных материалопотоков / С.П. Карпачев,
B. В. Лозовецкий, Е.Н. Щербаков // Транспорт: наука, техника, управление. Научный информационный сборник. - РАН ВИНИТИ - 2011. - № 8. -
C. 16-20.
6. Карпачев, С.П. Проблемы развития биоэнергетики на основе древесного сырья в России / С.П. Карпачев, Е.Н. Щербаков, А.Н. Комяков, А.Н. Слинчен-ков // Вестник МГУЛ - Лесной вестник. - № 4 (73)
- 2010. - С. 70-74.
7. Комяков, А.Н. Применение большегрузных плавучих контейнеров для нужд биоэнергетики / А.Н. Комяков, С.П. Карпачев // Вестник МГУЛ - Лесной вестник. - № 4 (73) - 2010. - С. 104-107.
8. Карпачев, С.П. Моделирование технологических процессов освоения древесины на ложе водохранилищ / С.П. Карпачев, Е.Н. Щербаков, Е.В. Солдатова // Вестник МГУЛ - Лесной вестник. -№ 1
- 2013. - С. 56-61.
9. Карпачев, С.П. Моделирование логистических систем лесных материалопотоков / С.П. Карпачев, В.В. Лозовецкий, Е.Н. Щербаков // Транспорт: наука, техника, управление. Научный информационный сборник. - РАН ВИНИТИ - 2011. - № 8.
MODELING OF TECHNOLOGICAL PROCESSES OF FOREST RESIDUES
with the use of soft containers
Karpachev S.P. (MSFU), Sherbakov E.N. (MSFU), Shmyrev D.V. (MSFU)
[email protected], [email protected], Moscow State Forest University (MSFU), 1st Institutskaya st., 1, 141005, Mytischi, Moscow region, Russia
Results of modeling of technological processes offorest residues with the use of soft containers are presented.
Keywords: Modeling, soft containers, forest residual, GPSSW
References
1. Karpachev S.P., Shcherbakov Ye.N., Komyakov A.N. Nekotoryye voprosy osvoyeniya bioresursov iz lesa dlya nuzhd bioenergetiki [Some questions of the development of bio-resources of the forests for bioenergy]. Moscow State Forest University Bulletin - Lesnoj Vestnik. № 4 (73) - 2010, pp. 107-111.
2. Karpachev S.P., Shcherbakov Ye.N., Priorov G.E. Problemy razvitiya bioenergetiki na osnove drevesnogo syrya v Rossii [Problems bioenergy development of wood-based raw materials in Russia]. Lesopromyshlennik, February-March 1 (49) 2009.
3. Karpachev S.P., Shcherbakov Ye.N., Priorov G.E. Proizvodstvo drov dlya zhilishchno- kommunalnogo khozyaystva lesnykhposelkov i gorodov [Manufacture of wood for housing and communal services of forest villages and towns]. Lesopromyshlennik, April-June 2 (54), 2010.
4. Karpachev S.P. Nekotoryye voprosy tekhnologii osvoyeniya i vodnogo transporta bioresursov iz lesa dlya bioenergetiki [Some issues of technology development and water transport of forest biological resources for bioenergy]. Uchenyye zapiski RGSU. Ekologicheskaya bezopasnost i prirodopolzovaniye. № 5 - 2009, pp. 130-138.
82
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 2-S/2014
ЛЕСОСЕЧНЫЕ РАБОТЫ
5. Karpachev S.P., Lozovetskiy V.V., Shcherbakov Ye.N.Modelirovaniyelogisticheskikhsistem lesnykhmaterialopotokov [Simulation of logistics systems of forest materialopotokov]. M. Transport: nauka, tekhnika, upravleniye. Nauchnyy informatsionnyy sbornik. RAN VINITI. 2011, № 8, pp. 16-20.
6. Karpachev S.P., Shcherbakov Ye.N., Komyakov A.N., Slinchenkov A.N. Problemy razvitiya bioenergetiki na osnove drevesnogo syrya vRossii [Problems bioenergy development of wood-based raw materials in Russia]. Moscow State Forest University Bulletin - Lesnoj Vestnik. № 4 (73). 2010, pp. 70-74.
7. Komyakov A.N., Karpachev S.P. Primeneniye bolshegruznykh plavuchikh konteynerov dlya nuzhd bioenergetiki [Heavy use of floating containers for bioenergy]. Moscow State Forest University Bulletin - Lesnoj Vestnik. № 4 (73) - 2010g., pp. 104-107.
8. Karpachev S.P., Shcherbakov Ye.N., Soldatova Ye.V. Modelirovaniye tekhnologicheskikh protsessov osvoyeniya drevesiny na lozhe vodokhranilishch [Modeling process of development on a bed of wood reservoirs].Moscow State Forest University Bulletin - Lesnoj Vestnik. № 1 - 2013g., pp. 56-61.
9. Karpachev S.P., Lozovetskiy V. V., Shcherbakov Ye.N.Modelirovaniye logisticheskikh sistem lesnykh materialopotokov [Simulation of logistics systems of forest materialopotokov]. M. Transport: nauka, tekhnika, upravleniye. Nauchnyy informatsionnyy sbornik. RAN VINITI. 2011, № 8, pp.
МОДЕЛИРОВАНИЕ РАБОТЫ РУБИЛЬНОЙ МАШИНЫ НА МОБИЛЬНОМ ШАССИ
АО. ГЕРМАНОВИЧ, асп. каф. лесных машин и технологии лесозаготовок БгТУ
УО «Белорусский государственный технологический университет», ул.Свердлова, 13а, 220006, г. Минск, Республика Беларусь
На сегодняшний день получение топливной щепы из отходов лесозаготовок при помощи мобильных рубильных машин является одним из приоритетных направлений эффективного развития лесозаготовительного предприятия. Процесс измельчения древесного сырья в топливную щепу сопровождается вибрацией, учет которой необходим при проектировании рубильной машины. Опыт эксплуатации рубильных машин показывает, что операторы имеют повышенную утомляемость, которая снижает производительность их работы. Поэтому возникает необходимость в методах оценки и способах уменьшения виброактивности.
Ключевые слова: динамика, колебания, моделирование, рубильная машина, щепа.
Переработка отходов лесозаготовок при помощи мобильных рубильных машин является одной из наиболее доступных и в то же время эффективных технологий переработки древесины на топливную щепу. Однако работа мобильной рубильной машины связана с резко переменным характером воздействия технологической или полезной нагрузки, вследствие этого при измельчении древесного сырья появляются колебания, учет которых необходим при проектировании рубильной машины. Длительное воздействие вибрации вызывает негативные изменения физиологических функций человека.
В процессе измельчения древесного сырья к резцам прикладываются усилия, величины которых зависят от сопротивления резанию. Усилие, которое приложено к резцу, в процессе резания изменяется. Оно дости-
гает максимума при внедрении и падает до наименьшего значения в момент отделения щепы от древесного сырья. Такое изменение усилий резания приводит к вынужденным колебаниям рубильного агрегата. Возмущающее (момент M) воздействие от периодически изменяющееся сил резания можно представить в виде функции, изменяющейся по гармоническому закону (M=MQsinrof). Исследование динамики рубильной машины на мобильном шасси невозможно без учета работы двигателя, как источника заданной мощности. Вопросы математического описания работы двигателя решались исследователями по-разному в зависимости от поставленных задач и требуемой точности приближений. Так, у И.Б. Барского, В.Я. Аниловича и Г.М. Кутькова [1] в соответствующих расчетах задавались мгновенным значением крутящего
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 2-S/2014
83
