CC BY
74
DOI: 10.12737/2183 УДК 630.524.15: 630.526
ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ
ИЗМЕРЕНИЯ ОБЪЕМА ХЛЫСТОВ
кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры лесной промышленности, метрологии,
стандартизации и сертификации А. Н. Мильцин1 заведующий кафедрой древесиноведения, доктор технических наук, доцент А. Д. Платонов1 доктор технических наук, профессор, декан лесопромышленного факультета, профессор кафедры древесиноведения А. О. Сафонов1 заведующий кафедрой промышленной экологии и безопасности жизнедеятельности, доктор технических наук, профессор Н. В. Мозговой2
1 - ФГБОУ ВПО «Воронежская государственная лесотехническая академия»
2 - ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет»
lpmsis@vglta.vm.ru, vgltawood@yandex.ru, nv_moz@mail.ru
На лесоперерабатывающих предприятиях разделываются хлысты, размеры которых могут быть самыми разнообразными как по толщине, так и по длине. На крупных лесоперерабатывающих предприятиях ежедневно подвергаются разделке до нескольких тысяч хлыстов.
Геометрические размеры и формы хлыстов определяются, прежде всего, породой, возрастом, местом и условиями произрастания деревьев. Особенность его формы состоит в том, что в комле сбег его минимален, а к вершинке все более увеличивается. Это хорошо прослеживается по кривой сбега. Существует разнообразие форм сосновых хлыстов, которые таксаторами сгруппированы по разрядам высот или по другим признакам. Таким же разнообразием характеризуются другие породы деревьев, древесина которых используется в строительстве, мебельном производстве, экспортируется и т.п.
В настоящее время на лесозаготовительных и лесоперерабатывающих предприятиях России эксплуатируются сотни
автоматизированных либо автоматических сортировочных систем, оснащённых высокоточными измерителями брёвен. С каждым годом темпы внедрения их все более увеличиваются. Однако до настоящего времени основные преимущества автоматов используются далеко не в полной мере. Действительно, автоматические измерительные устройства позволяют измерять как условные (то есть по методам ГОСТ 2708) параметры круглых лесоматериалов (КЛМ), так и фактические геометрические параметры.
Согласно стандарту измерение - это нахождение значения физической величины опытным путем с помощью специальных технических средств. В процессе измерения получается численное отношение между измеряемой величиной и некоторым значением, принятым за единицу сравнения. Например, длина бревна может быть измерена рулеткой, автоматическим измерителем и т.п. с делениями через миллиметр. В результате измерения получим число, которое определяет длину этого
бревна, выраженную в виде суммы целого количества метров, сантиметров и миллиметров.
Контроль - это установление соответствия между состоянием или свойством объекта контроля и заданной нормой, определяющей качественно различные области его состояния. В результате контроля выдается суждение о состоянии объекта. Допустим, что производится раскряжевка или сортировка бревен. Процесс контроля в этом случае состоит в выяснении соответствия длин и других численных и качественных показателей сортиментов стандарту. В результате получают один из двух ответов: соответствуют их показатели стандарту или не соответствует, а также верно или неверно размещёны хлыст или сортименты на агрегате.
Распознавание образов связано с установлением соответствия между объектом и заданным образом. Так же, как и норма при контроле, образ может быть задан в виде образцового изделия или в виде перечня определенных свойств и значений параметров (признаков) с указанием полей допуска. Для КЛМ большая часть перечня свойств и значений параметров определяется стандартами.
Департаментом лесной, целлюлозно-бумажной и деревообрабатывающей промышленности Министерства промышленности Российской Федерации в 1992 г был утвержден отраслевой стандарт ОСТ 13303-92 «Лесоматериалы круглые. Методы поштучного измерения объема». По соглашению между продавцом и покупателем, в соответствии с этим стандартом, объем КЛМ можно измерять одним из пя-
ти методов, отличающихся моделями продольных сечений.
Первый метод - метод концевых сечений базируется на замене формы действительного бревна бревном цилиндрической формы со средним квадратичным диаметром верхнего торца бревна и диаметр нижнего торца бревна. При вычислении объема реальная форма бревна заменяется цилиндром длиной и диаметром.
Второй метод - метод срединного сечения. В этом методе реальная форма бревна также заменяется цилиндром длиной, равной длине бревна. Однако диаметром математической модели является толщина середины измеряемого бревна.
Третий метод - метод суммирования объемов цилиндров. Этот метод определения объемов КЛМ ориентирован на автоматические системы измерения. Вычисление объема бревна по этому методу следует производить путем суммирования объемов цилиндров равной длины, которая должна быть не более 0,2 м.
Четвертый метод - метод верхнего диаметра и среднего сбега. Он основан на учете особенности древесных пород, произрастающих в регионе их заготовки. По этому методу в лесозаготовительном регионе производят контрольную рубку (не менее 1000 брёвен каждой породы). Бревна разделяют по породам и измеряют их длину и диаметры верхнего торца, а также нижнего торца. По этим данным вычисляют сбег бревна.
Пятый метод вычисления объема бревен, предусмотренный стандартом ОСТ 13-303-92, называется методом верхнего диаметра и нормального сбега 1,0 см/м. По
этому методу определяют объемы брёвен всех пород по таблице объема брёвен с нормальным сбегом по измеренному диаметру в верхнем торце и длине. Затем вычисляют объем партии бревен и корректируют вычисленный объем умножением на поправочный коэффициент, учитывающий средний сбег бревен определенного назначения и породы. Этот коэффициент определяют на выборке, содержащей не менее 500 бревен.
Современные автоматические измерительные системы, предназначенные для обмеров КЛМ, имеют весьма высокое быстродействие: от 300 до 2000 и более измерений в секунду. Если такой измеритель разместить на продольном конвейере для определения толщины движущихся бревен со скоростью 2 м/с, то измерения будут производиться через интервал от 6,7 мм до 1 мм.
Поскольку автоматические системы измеряют объемы брёвен с высокой точностью, то стало возможным сравнить их фактические объёмы с объёмами по ГОСТ. Результаты сравнения можно будет считать объективными, если будет измерено несколько тысяч брёвен, полученных в процессе раскряжевки хлыстов нескольких пород, охватывающих все возможные их толщины в комле, все возможные длины и коэффициенты формы. Раскряжевку имитировали на математической модели, которая включает: генератор случайных чисел, формирователь параметров хлыста, модель системы измерения длины, модель измерителя диаметров, модель вычислительного устройства и устройства хранения данных. Все перечисленные элементы
математической модели объединены в единую программу.
Математическая модель позволяет: производить раскряжевку от одного до 400 хлыстов; раскряжевывать каждый хлыст на брёвна заданной длины; фиксировать диаметр, длину и объём каждого хлыста и суммарный объём всех хлыстов; фиксировать истинный диаметр в верхнем срезе каждого бревна; аналогичный диаметр, измеренный по методу ГОСТ, длину бревна, объемы истинный и по ГОСТ, относительное отклонение объема по ГОСТ от истинного объёма; фиксировать истинный суммарный объем всех брёвен и суммарный объём по ГОСТ, их относительное отклонение, минимальное и максимальное отклонение, среднее и среднее квадратичное отклонение, а также распределение отклонений в диапазоне от минимальных до максимальных значений.
Математическая модель основывается на следующих исходных данных:
1. Математические модели хлыстов описываются полиномами четвёртой степени.
2. Поперечные сечения хлыстов приняты круглыми.
3. Стандартный объём брёвен вычислялся в точном соответствии с ГОСТ 2708 и ГОСТ 2292-88. Для этого таблицы ГОСТ 2708 в необходимом объёме внесены в память компьютера.
4. Взаимосвязь между диаметрами хлыста на уровне 1,3 метра от комля и предельными (то есть максимальными и минимальными) высотами выражена формулами, которые получены путём аппроксимации соответствующих табличных дан-
ных, приведенных в справочнике [2].
5. Брёвна с диаметром в верхнем отрубе менее 10 см из рассмотрения исключены.
В табл. 1 приведены результаты рас_Результаты раск
кряжевки пяти хлыстов. Размеры и объём хлыстов указаны в строках с индексом i. Все хлысты разделывались на брёвна длиной 6 м.
Таблица 1
ки пяти хлыстов
Длина бревна Ь, м Измеренный диаметр бревна или хлыста в нижнем срезе d¡, см Фактический объём V¡, м3 Округленный диаметр бревна d2, см Объем по ГОСТ V,, м3 Относительная величина отклонения объема ГОСТ от фактического п, %
6 27,2 0,3959 28 0,45 -13,67
6 23,34 0,3052 24 0,33 -8,13
6 16,6 0,1954 16 0,155 20,67
1 = 1 31,1 0,9571 Длина хлыста 24,98 м, Ь= 6 м
6 55,65 1,6275 56 1,78 -9,38
6 49,82 1,3183 50 1,41 -6,96
6 40,81 0,9871 40 0,9 8,82
6 26,85 0,5607 26 0,39 30,44
1 = 2 62,44 4,6629 Длина хлыста 29,81 м, Ь= 6 м
1 = 3 12,96 0,0614 Длина хлыста 13,22 м, Ь= 6 м
6 49,1 1,2846 50 1,41 -9,77
6 42,65 1,0037 42 1 0,36
6 31,65 0,6724 32 0,59 12,25
6 14,89 0,2758 14 0,123 55,4
1 = 4 55,88 3,2596 Длина хлыста 26,03 м, Ь= 6 м
6 15,83 0,1526 16 0,155 -1,58
1 = 5 20,24 0,2163 Длина хлыста 13,93 м, Ь= 6 м
Первый хлыст (см. строку с /' = 1 табл. 1) диаметром в нижнем срезе d¡ = 31,1 см и длиной 24,98 м имеет объём V¡ = 0,957 м . В процессе раскряжевки получены три бревна, данные о которых приведены в верхних трёх строках таблицы. Диаметр первого бревна d¡ = 27,2 см, его длина равна L= 6 м, фактический объём V¡ = 0,3959 м3. Округлённый диаметр d2 = 28 см, а объём по ГОСТ V2 = 0,45 м3; относительное отклонение объема по ГОСТ от фактического объёма составляет - 13,67 %.
Обратим взор на хлыст i = 3. Диаметр этого хлыста в комле равен 12,96 см. Стало быть, первое бревно длиной 6 м, отрезанное от этого хлыста, имело бы диаметр менее 10 см, поэтому хлыст i = 3 не раскряжеван.
В конце таблицы приведены суммарные данные о раскряжевке, а именно:
- суммарный фактический объём брёвен 8,779 м3;
- суммарный объем брёвен (по ГОСТ) 8,693 м3;
- относительное отклонение объёма (по ГОСТ) от фактического объёма п = 0,98 %;
- среднее квадратичное отклонение объема 20,69 %;
- наименьшее отклонение объема -13,67 %;
- наибольшее отклонение объема 55,4 %;
- количество брёвен 12 шт;
- количество брёвен, измеренный объем по ГОСТ которых не выходит за пределы торгового допуска на погрешность измерения при совершении акта купли-продажи (в процентах к общему количеству измеренных брёвен), равно 17 %.
Вполне естественно, что при много-
Анализ столбцов 5...7 табл. 2 показывает, что на каждое правильно измеренное бревно приходится до восьми брёвен, которые измерены с большими ошибками: то есть с ошибками от ± 3 % до - 20 % в сторону завышения объёма и до 70 % в сторону занижения объёма.
Результаты раскряжевки партии из
кратном повторении испытания таких же малых выборок брёвен, результаты могут существенно отличаться.
Рассмотрим выборки, содержащие большее количество брёвен. В табл. 2 приведены результаты измерения пяти пачек, содержащих по 40 хлыстов.
Из табл. 2 следует, что суммарный объем более 600 сосновых брёвен, измеренных по методу существующего стандарта, близок к суммарному геометрическому объёму. По-видимому, не являются случайными и соответствующие данные как по двенадцати брёвнам (см. табл. 1), так и по 120.138 брёвнам. Собственно на этом свойстве случайных сумм и основан метод определения объёмов в ГОСТе.
400 хлыстов только подтвердили и уточнили результаты раскряжевок партий по 40 хлыстов. Действительно, наибольшее превышение истинного объема гостовским объёмом составляет 26,23 % и имело место в 14 случаях из 1251; в меньшую сторону гостовский объём отличался от истинного объёма не более чем на 65,5 %. Это имело
Таблица 2
Результаты измерения пяти пачек хлыстов
№ испытаний п. п. Количество брёвен Суммарный фактический объём Относительное отклонение объёма от фактического по ГОСТ, % Количество брёвен, объём которых по ГОСТ находится в границах трёхпроцентного допуска по объёму, % Мин. отклонение объёма по ГОСТ от фактического объёма, % Макс. отклонение объёма по ГОСТ от фактического объёма, %
1 2 3 4 5 6 7
1 138 90,889 0,65 13 -18,37 52,77
2 129 91,467 0,23 12 -14,9 66,62
3 122 71,866 2,999 28 -20,07 70,04
4 136 97,883 0,191 16 -17,72 67,17
5 122 71,788 0,256 15 -15,34 47,83
место в 8 случаях из 1251. Чаще всего (411 случаев) истинный объём превышался гостовским объёмом на 4,3 %. В 194 случаях гостовский объём был меньше действительного объёма на 4,5 %. Гостовский объём отличался от истинного объёма не более 3-х процентов в 192 случаях, то есть объём только одного бревна из 6 измеренных по методике ГОСТ, определён верно.
Аналогичные результаты получены при раскряжевке партии из 400 хлыстов на брёвна длиной 4 м. В процессе раскряжевки получено 2055 брёвен суммарным объёмом 869,526 м3, гостовский объём на 2,81 % превышает истинный объём. В пределах трёхпроцентного отклонения от истинного объема находятся 18 % брёвен.
Методом математического моделирования были раскряжеваны две партии по 400 еловых хлыстов и получены 2474 бревна. Фактический объём первой партии из 1216 брёвен равен 717,265 м3. Гостовский объём на 3,664 % меньше фактического объёма партии брёвен, рассеивание отклонений гостовского объёма находится в пределах от -17,14 % до 44,68 %. Из всей совокупности 24 % брёвен рассеиваются в пределах ±3 % от истинных значений.
Из второй партии хлыстов получено 1258 брёвен с суммарным объемом 707,321 м3. Гостовский объём этой совокупности брёвен на 3,74 % меньше фактического объёма, 25 % брёвен рассеиваются в пределах ± 3 % от истинных значений.
В процессе раскряжевки двух партий по 400 лиственничных хлыстов получили 1227 брёвен первой партии с суммарным объёмом 642,667 м3 и 1217 штук второй с суммарным объёмом 611,177 м3. Гостов-
ский объём партий превышал фактический объём соответственно на 8,75 % и 9,042 %. Рассеивание отклонений объёмов находится в пределах от - 23 % до 67,41 % в первой и от -22,56 % до 64,7 8 % во второй партии. В пределы трёхпроцентного рассеивания в первой партии выпало всего 16 %, а второй партии 15 % брёвен.
Приведенных данных вполне достаточно для того, чтобы признать методы измерения по ГОСТ 2708 неудовлетворительными для использования в современных и тем более в перспективных автоматизированных или автоматических технологических линиях переработки древесины. Кардинально проблема определения истинных параметров КЛМ может быть решена только при применении перспективных автоматических измерительных средств, позволяющих моделировать их форму и определять породу древесины.
Библиографический список
1. Курицын А.К. Круглые лесоматериалы. Справочное пособие. Химки, ООО "Лесэксперт". 2003. 149 с.
2. Общесоюзные нормативы для таксации лесов. Справочник. М. "Колос". 1992. 495 с.
3. Петровский В.С. Автоматическая оптимизация раскроя древесных стволов. М. "Лесная промышленность". 1970. 184 с.
4. Степаков Г.А. Оптимизация производства круглых лесоматериалов. М., "Лесная промышленность". 1974. 160 с.
5. Хемминг Р.В. Численные методы. М. "Наука", 1972. 400 с.
