Управление схемами работы машин в обрабатывающе- транспортных лесозаготовительных системах Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

ЛЕСОИНЖЕНЕРНОЕ ДЕЛО

УПРАВЛЕНИЕ СХЕМАМИ РАБОТЫ МАШИН В ОБРАБАТЫВАЮЩЕТРАНСПОРТНЫХ ЛЕСОЗАГОТОВИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМАХ

С.Б. ЯКИМОВИЧ, проф. МарГТУ, д-р техн. наук,

М.А. ТЕТЕРИНА, ст. преп. МарГТУ, канд. техн. наук

Синхронизация обрабатывающе-транспортных лесозаготовительных систем основана на управлении их нецелочисленными параметрами: грузовместимостью транспортных машин, расстоянием транспортировки, интенсивностями обработки и перемещения предмета труда и соответствующими схемами работы машин [1].

Изменение схем работы машин в системах заготовки и обработки древесины позволяет адаптировать параметры систем к условиям стохастической неопределенности лесосек, для снятия которой рекомендуется [1, 2] выделение:

- однородных групп лесосек (кластеров);

- наиболее часто встречающихся (наиболее вероятных) близких по параметрам лесосек.

Подробные методики кластеризации и оценки вероятностей параметров лесосек представлены в [1, 2]. Целями данной статьи являются:

1. Изложение принципов:

- управления схемами работы машин в обрабатывающе-транспортных лесозаготовительных системах с целью синхронизации и снижения негативного воздействия систем на лесную среду;

- оценки эффективности управления схемами работы машин.

2. Иллюстрация данных принципов на конкретном примере (для системы «харвес-тер - форвардер» в условиях ОАО «Соликамскбумпром»).

Управление схемами работы машин: цели и принципы

Основные цели управления схемами работы машин - снижение негативного воздействия лесозаготовительных систем на лесную среду, с одной стороны, и синхронизация систем (т.е. обеспечение интенсивностей обработ-

jak. 55@mail. ru; tetatet-marya@mail. ru

ки и перемещения предмета труда, определяемых по результатам решения соответствующей задачи оптимизации), с другой стороны.

В соответствии с изложенными целями управление схемами работы машин рекомендуется выполнять на основе следующих принципов [3]:

1. Разработка лесосек по схемам, обеспечивающим оптимальные расстояния между волоками (ширину пасеки) и технологические площади.

2. Обеспечение достаточного количества порубочных остатков на волоке в целях снижения отрицательного воздействия лесозаготовительных машин на корневые системы и почвы.

3. Снижение повреждений (ошмыга, обдира) оставляемых на доращивание древос-тоев и сохранение подроста соответствующими приемами и направлением повала, расположением кроны дерева на волоке. Исключение вращений (поворотов) деревьев при оперировании ими харвестерными головками.

4. Обеспечение интенсивности транспортировки предмета труда, необходимой по условиям синхронизации, на основе управления средним расстоянием транспортировки и следующими определяющими его параметрами:

- количеством погрузочных пунктов (один погрузочный пункт, погрузка широким фронтом и т.д.);

- размещением погрузочных пунктов (на магистрали, на ветке, на волоке и т.д.);

- размещением пасечных волоков (по длинной или короткой стороне лесосеки при соблюдении требований по направлениям разработки лесосек в соответствии с направлениями преобладающих ветров);

- количеством и размещением магистральных волоков.

5. Проведение экспериментальных исследований для проверки теоретических

78

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 5/2010

ЛЕСОИНЖЕНЕРНОЕ ДЕЛО

значений интенсивностей обработки и перемещения предмета труда при различных схемах работы машин: в течение смены в начале разработки конкретной лесосеки непосредственное фиксирование фактической часовой производительности машин (например, с помощью информационной системы Timbermatic - для харвестера и непосредственным фиксированием объема сортиментов, доставленных на погрузочный пункт - для форвадера) и использование запаса производительности обрабатывающей машины, определенного экспериментально:

1) для снижения негативного воздействия машин на лесную среду на основе изложенных ранее принципов (в т.ч. по новым патентно защищаемым способам работы машин);

3) для повышения производительности системы с учетом рекомендаций по синхронизации.

В качестве примеров управления схемами, а также приемами работы машин при заготовке сортиментов машинами манипуляторного типа могут рассматриваться следующие технологии или способы (под способом в лесозаготовительной системе понимается совокупность схем и приемов работы машин) работы машин, являющиеся развитием традиционной схемы [3,4]:

1. Способ работы лесозаготовительной машины с заездом на полупасеки [3,4]. Ширина пасеки увеличивается до четырех вылетов манипулятора. Способ позволяет уменьшить общую длину пасечных волоков на лесосеке.

2. Способ работы лесозаготовительной машины с импровизированным волоком [3,4]. Форвардер работает на волоках, удаленных друг от друга примерно на 3,5 вылета манипулятора, что приводит к более значительному (чем при способе по п.1) снижению общей длины пасечных волоков на лесосеке.

3. Способ работы лесозаготовительной машины с двумя вспомогательными коридорами [3, 4]. Ширина пасеки составляет от четырех до пяти вылетов манипулятора. Технология позволяет также сосредоточить на волоке большее количество порубочных остатков.

4. Способ работы лесозаготовительной машины с одновременной валкой расположен-

ных перед машиной и за машиной деревьев вершиной на волок без приземления комлевой части дерева [3, 5]. Сохранение подроста на пасеке осуществляется за счет того, что валка осуществляется вершиной на волок, а комлевая часть дерева при валке и переносе ее к волоку поднимается над землей манипулятором машины, а также за счет компактного размещения сортиментов в пачках около волока с учетом расположения куртин подроста. Снижение воздействия машин на лесные почвы обеспечивается оставлением на волоке расположенных комлями в разных направлениях и крестообразно вершин с последующим укреплением волока при движении машин по нему.

С целью адаптации лесозаготовительных систем к стохастической неопределенности лесосек необходимо управление схемами машин в условиях кластеров лесосек.

Кластеризация лесосек - структурирование наблюдаемых данных по параметрам последних, т.е. разбиение лесосек на виды. Кластер - группа однородных лесосек, обладающих свойством отделимости от других групп по основным статистическим характеристикам:

1) среднему статистическому (оценке математического ожидания) параметров каждой лесосеки

xi = (Ххгк)/Р, -=1,n , (1)

к=1

где p - число параметров лесосек; n - число лесосек;

xik - значение k-й характеристики для i-й лесосеки (например, х11 - средний объем хлыста на лесосеке №1; x - среднее расстояние трелевки на лесосеке №1;

Xj 3 - средний запас леса на лесосеке , №1);

2) дисперсии (оценке рассеивания) параметров каждой лесосеки

„ p —

=Е(xk - x)/p; (2)

к=1

3) среднему квадратическому отклонению параметров каждой лесосеки

^ =№ . (3) Кластеры лесосек - это группы лесосек, однородных (т.е. обладающих минималь-

ЛЕСНОИ ВЕСТНИК 5/2010

79

ЛЕСОИНЖЕНЕРНОЕ ДЕЛО

но возможной изменчивостью внутри групп и максимально возможной изменчивостью между группами) по выбранным случайным характеристикам.

В соответствии с методикой выбора синхронизированных, энергосберегающих и соответствующих экологическим ограничениям систем заготовки и обработки древесины [1] в качестве случайных характеристик лесосек, используемых для кластеризации, рекомендуются следующие:

1) площадь и соответствующее ей среднее расстояние трелевки l, м;

2) средний запас леса q, м3/га;

3) средний объем хлыста V м3.

При необходимости могут быть добавлены и другие характеристики, например количество подроста, влажность грунтов и т.д. Все используемые при кластеризации характеристики лесосек определяются на основе экспериментальных исследований, а также в соответствии с лесохозяйственными регламентами, лесными планами и другой справочно-аналитической информацией.

Повышение эффективности систем заготовки и обработки древесины на основе управления схемами работы машин с использованием результатов кластеризации лесосек определяется следующими факторами:

1. Параметрами лесосек в условиях каждого кластера и их вероятностями (т.е. процентным содержанием лесосек каждого кластера в общем объеме арендуемых лесных участков).

2. Адаптивными возможностями систем в условиях каждого кластера: возможностями изменения схем и приемов работы машин в соответствии с принципами синхронизации и снижения негативного воздействия лесозаготовительных машин на лесную среду.

3. В условиях каждого кластера для различных способов работы машин показателями качества систем, такими как:

- вероятность (время) простоев;

- расход топлива;

- число проходов транспортных машин по одному следу;

- технологическая площадь на лесосеке;

- удельное давление машин на почвы;

- сохранность подроста;

- площадь и длина волоков;

- количество порубочных остатков на волоках и т.д.

Управление схемами работы машин в системах «харвестер-форвардер» в условиях кластеров лесосек оАо «Соликамскбумпром»

В условиях ОАО «Соликамскбумпром» на основе кластеризации выделены однородные группы лесосек, представленные в табл.1 и на рисунке.

Для использования при кластеризации характеристики лесосек в натуральных единицах должны быть выражены в безразмерных (стандартизированных) единицах. Приведение к относительному безразмерному виду выполняется посредством деления натуральной величины показателей на максимальное значение

q% =—, vxl %=

qmax

— l =

’ V/o

l

В соответствии с принципами синхронизации, снижения негативного воздействия на лесную среду и адаптации к условиям неопределенности лесосек для условий ОАО «Соликамскбумпром» рекомендуются системы, представленные в табл. 2.

Сравнительная оценка основных показателей качества рекомендуемых систем (при управлении схемами работы машин) и систем, включающих машины таких же марок, но без управления схемами работы машин (при использовании традиционной схемы) позволяет сделать следующие выводы в части эффективности рекомендуемых систем.

l

Таблица 1

Средние статистические по кластерам лесосек оао «Соликамскбумпром»

Параметры лесосек Кластер № 1 Кластер № 2 Кластер № 3 Кластер № 4

Среднее расстояние трелевки l, м 562 554 310 238

Средний запас леса q, м3/га 173 247 259 218

Средний объем хлыста м3 0,34 0,53 0,54 0,56

80

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 5/2010

ЛЕСОИНЖЕНЕРНОЕ ДЕЛО

Таблица 2

Рекомендуемые системы «харвестер-форвардер» для ОАО «Соликамскбумпром»

Кластер Способ работы и марка харвестера Нормативная рейсовая нагрузка и марка форвардера

№1 с одновременной валкой расположенных перед машиной и за машиной деревьев вершиной на волок без приземления комлевой части дерева, John Deer 1270 16 м3, Tigercat 1018В Skotare

№2 с импровизированным волоком, John Deer 1270 27 м3, John Deere 1710 (8 кол.)

№3 с одновременной валкой расположенных перед машиной и за машиной деревьев вершиной на волок без приземления комлевой части дерева, John Deer 1270 22 м3, John Deere 1710D, 1410D (8 кол.)

№4 с заездом харвестера на полупасеки, John Deer 1270 22 м3, John Deere 1710D, 1410D (8 кол.)

Рисунок. Графическое представление средних статистических показателей (в безразмерных единицах) по кластерам лесосек ОАО «Соликамскбумпром»

На основе управления схемами работы машин для кластера № 1:

- время простоев снижается на 8,9 % (оценивалось по выражению вероятности простоев системы из [1]);

- расход топлива снижается на 0,021 кг/мин. (оценивался по выражению из [1]);

- сохранность подроста повышается;

- количество порубочных остатков на волоках повышается (т.е. негативное воздействие машин на корневые системы и почвы снижается).

Для кластера № 2:

- время простоев снижается на

19,8 %;

- расход топлива снижается на 0,048 кг/мин.;

- технологическая площадь снижается (т.е. негативное воздействие машин на корневые системы и почвы снижается).

Для кластера № 3:

- время простоев снижается на 1 %;

- расход топлива снижается на 0,024 кг/мин.;

- сохранность подроста и количество порубочных остатков на волоках повышается.

Для кластера №4:

- время простоев снижается на 6,5 %;

- расход топлива снижается на 0,016 кг/мин.;

- технологическая площадь снижается.

Таким образом, управление схемами

работы машин в системах заготовки и обработки древесины обеспечивает синхронизацию и снижение энергоемкости систем, снижение негативного воздействия машин на лесную среду (повреждений подроста, уплотнения почв, негативного воздействия машин на корневые системы оставляемых на доращивание древостоев) и адаптацию систем к условиям стохастической неопределенности лесосек.

Оптимальные схемы работы машин определяются по условиям синхронизации и обеспечения необходимых интенсивностей функционирования систем, с одной стороны, и по условиям снижения технологических площадей на лесосеке, с другой стороны.

С целью адаптации систем заготовки и обработки древесины к условиям стохастической неопределенности лесосек рекомендуется управление схемами работы машин в условиях кластеров лесосек - групп, однородных по основным статистическим характеристикам.

Управление схемами работы машин в системах «харвестер-форвардер» в условиях

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 5/2010

81