CC BY
44
ЛЕСОСЕЧНЫЕ РАБОТЫ
ВЛИЯНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ НА УСЛОВИЯ И ЭФФЕКТИВНОСТЬ РАБОТЫ МАНИПУЛЯТОРНЫХ ЛЕСОЗАГОТОВИТЕЛЬНЫХ Машин
А.В. МАКАРЕНКО, доц. каф. технологии и оборудования лесопромышленного производства МГУЛ, канд. техн. наук,
А.К. РЕДЬКИН, проф. зав. каф. технологии и оборудования лесопромышленного производства МгУЛ, д-р техн. наук
makarenko@mgul.ac.ru ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет леса» 141005, Московская обл., г. Мытищи-5, ул. 1-я Институтская, д. 1, МГУЛ
В статье рассмотрены вопросы моделирования распределения деревьев по территории лесосеки и на рабочей площадке лесозаготовительной машины. На основании результатов распределения деревьев было произведено моделирование производительности машины и среднего времени цикла обработки деревьев на рабочей площадке. Получены зависимости данных параметров от расстояния центра площадки от центра распределения деревьев.
Ключевые слова: лесосека, трелевочный волок, разыгрывание координат деревьев, рабочая площадка
Эффективность организации производственного процесса проведения лесосечных работ определяется, как известно, исходными данными природно-производственных условий разрабатываемой лесосеки и применяемой системой машин, с одной стороны, и разработанной технологией выполнения работ - с другой. Естественным требованием к разрабатываемому технологическому процессу является достижение необходимого (или наилучшего) соответствия между этими группами факторов. К ключевым технологическим решениям следует отнести выбранную сеть трелевочных и дополнительных волоков, ширину пасек, расположение погрузочных пунктов, режим работы лесозаготовительных машин в зависимости от их типа, маршруты движения машин и, возможно, рациональное распределение выполнения смежных операций. К таким смежным операциям можно отнести предварительную сортировку выпиливаемых сортиментов харвестером, создание укрупненных пачек для трелевки валочно-па-кетирующими машинами и др.
Проектируемая сеть трелевочных волоков в зависимости от конфигурации лесосеки или делянки, расположения неразрабатываемых участков и особенностей концентрации деревьев по территории лесосеки определяет условия работы на рабочей
площадке для машин, выполняющих валку деревьев (ВПМ, харвестер и др.), объем грузовой работы трелевочных машин, производительность передвижных процессоров и др. [2]. Для решения в общем виде вопроса о влиянии расположения трелевочных волоков на производительность лесозаготовительных машин необходима математическая модель лесосеки с возможным размещением деревьев и их групп при заданных таксационных характеристиках древостоя и с рассмотрением различных вариантов прокладки сети трелевочных волоков [1]. Математическая модель расположения деревьев должна отражать реальные лесные условия и для конкретной лесосеки при разработке технологического процесса может быть заменена таксационными картами выделов или аэрофотоснимками.
Известно, что расположение деревьев, особенно при естественном лесовозобновлении, на любом лесном участке неравномерное, с хорошо выделяемыми куртинами, где плотность древостоя выше, и прогалинами. В самих куртинах расположение деревьев также имеет различную плотность, более высокую в центре куртины и затем снижающуюся к периферии. При пересечении куртин плотность древостоя на периферии может повышаться. По предварительным исследованиям, координаты центров распределения куртин
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 2-S/2014
7
ЛЕСОСЕЧНЫЕ РАБОТЫ
по выделенному лесному участку (лесосеке) можно считать подчиняющимися равномерному закону распределения. Запас древесины в куртинах как доля от общего запаса древесины на лесосеке также подчиняется равномерному закону распределения. На основании данных положений и при задании числа куртин на лесосеке разработан алгоритм с обобщенным программным кодом для моделирования расположения куртин и запаса древесины в них, который представлен ниже.
задание числа куртин п for i-lton
разыгрывание случайных величин раномерно распределённых в интервале 0...1 sll = RND( 1); sl2 = RND( 2) определение координат центров куртин xk(i) = А■ sll; yk(i) = В-sl2 if если координаты не находятся в границах лесосеки then i = i-1 next i
'определение запаса древесины в куртине for i = \ton sl{f) = RND(i) slob = slob + sl(i) next i
for i = \ton Q(i) = Q • sl(i) / slob next i
где А и В - размеры наибольшей протяженности лесосеки по осям координат;
Q - общий запас древесины на лесосеке.
Следующим шагом моделирования расположения деревьев на лесосеке является разыгрывание координат самих деревьев. Распределение деревьев, как в куртине, так и по всему лесному участку (лесосеке), хорошо отвечает требованиям неоднородного поля точек, распределенных по закону Пуассона
[3]. Первое из требований определяет, что точки на плоскости должны располагаться поодиночке (ординарность). Второе требование - отсутствие взаимодействия в поле - означает, что количество точек на одной части участка никак не влияет на число точек в другой части участка. В связи с тем, что плотность распределения деревьев по лесосеке не является постоянной, третье требование - однородность - не выполняется. Наиболее подходящим законом распределения вероятностей координат деревьев для подобного случая является двумерный нормальный закон рас-
пределения с ограничением на минимальное расстояние между последовательно моделируемыми координатами деревьев. Величина минимального расстояния между деревьями определяется требованиями по проведению рубок ухода. В первом приближении можно принять, что случайные величины (координаты деревьев), входящие в двумерный нормальный закон распределения, не коррелированны.
Перед разыгрыванием значений координат деревьев для каждой куртины необходимо определить количество деревьев, то есть число разыгрываний для каждого центра распределения. Количество деревьев можно определить с помощью следующей процедуры, выполняемой предварительно или параллельно с определением координат деревьев. На основании ранее проведенных обширных исследований [1] известно, что распределение диаметров деревьев на высоте 1,3 м согласуется с нормальным законом распределения вероятностей, если возраст древостоя соответствует времени главной рубки или согласуется с логнормальным законом, если возраст древостоя соответствует времени последних этапов рубок ухода (рубок прореживания и проходных рубок). Производя разыгрывание диаметров деревьев по первому или второму законам распределения (с учетом заданных условий), можно для каждого значения диаметра определить объем хлыста с применением ОСТ 13-232-87 «Хлысты древесные. Методы поштучного измерения и таблицы объемов» при условии предварительного задания разряда высот для древостоя. При достижении суммарного объема хлыстов запаса древесины в куртине разыгрывание прекращается, а число розыгрышей соответствует числу деревьев куртины. Ниже представлен алгоритм с обобщенным программным кодом для разыгрывания числа деревьев и их координат для одной из куртин на лесосеке.
Do while Qs < Qk i = i +1
разыгрывание случайных величин раномерно распределённых в интервале 0...1 5/1 = RND(l); si 2 = RND( 2) определение диаметра дерева
8
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 2-S/2014
ЛЕСОСЕЧНЫЕ РАБОТЫ
d(i) = f(md,<jd,sll,sl2) q(i) = g(d{i),h)
Qs = Qs + q(i)
' разыгрывание координат деревьев ' с учётом минамалъного растояния между ними Do
sl3 = RND( 3); sl4 = Ш(4); sl5 = RND( 5); sl6 = RND(6) rez = true
определение координаты дерева no оси x x(i) = f (xk, <5k, sl3, si 4) определение координаты дерева no оси у y(i) = f(yk,ok,sl5,sl6)
For j = \toi_________________
if V(x(J) ~ x(i))2 + (y(J) - y(i)f < / then если расстояние между деревьями меньше I rez = false end if next i
Loop while rez = false Loop
где f(x1, x2, x3, x4) - функция разыгрывания нормально распределенных случайных чисел, имеющая четыре аргумента: математическое ожидание,
среднее квадратическое отклонение и два случайных числа, равномерно распределенных в диапазоне 0-1; g(x1, x2) - функция определения объема хлыста, имеющая аргументами диаметр дерева на высоте 1,3 м, и номер разряда высот, Qk - запас древесины в куртине.
Одна из реализаций представленных алгоритмов по распределению деревьев по территории лесосеке представлена на рис. 1.
После разработки математической модели распределения деревьев по территории лесосеки можно определить, как размещены деревья на каждой рабочей площадке лесозаготовительной машины, выполняющей валку (ВПМ, харвестер и др.), в зависимости от маршрута ее движения и текущего местоположения машины относительно центра распределения деревьев куртины. Расчет времени пребывания машины на каждой рабочей площадке и объема заготовленной древесины позволит оценить производительность лесозаготовительной машины в зависимости от выбранной сети трелевочных волоков и распределения деревьев и куртин по территории лесосеки. Для выделения из общего разыгранного числа деревьев тех, которые находятся на рабочей площадке машины, необходимо задать ширину пасеки, максимальный и минимальный вылеты манипулятора машины. Условием выделения является, естественно, то, что расстояние от дерева до оси вращения манипулятора должно быть больше его максимального вылета с предыдущей стоянки и меньше этого значения с текущей стоянки. Математически данное условие выражается неравенствами
yj(x(i)-m\x)2 +(y(i)-m\y/ >R
yj(x(i)-m2x)2 +(y(i)-m2y)2 <R,
где m\, m\y и m2, m2y - координаты предыдущей и текущей стоянок машины;
R - максимальный вылет манипулятора.
Результат моделирования расположения деревьев на рабочих площадках при
А
Рис. 1. Распределение деревьев по территории лесосеки
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 2-S/2014
9
ЛЕСОСЕЧНЫЕ РАБОТЫ
Рис. 2. Моделирование расположения деревьев на рабочих площадках машины
расположении центра распределения на расстоянии половины ширины пасеки от оси направления движения машины представлен на рис. 2.
Из рис. 2 видно, как меняется расположение и количество деревьев по рабочим площадкам в зависимости от расположения машины от центра распределения куртины. Для стоянок 4-6 деревья заполняют рабочую площадку практически равномерно, с небольшим смещением к центру распределения. Для 1 и 2 стоянок машины деревьев на рабочих площадках меньше и они расположены в основном с правой стороны по ходу машины. Такое изменение условий работы машины на рабочих площадках определенным образом сказывается на изменении соотношений продолжительности элементов времени цикла работы машины на стоянках. При снижении количества деревьев на рабочих площадках время передвижения машины относительно других элементов цикла будет, естественно, расти. Кроме того, расстояние передвижения машины между стоянками также может увеличиться с тем, чтобы машины могла занять более выгодную позицию, при условии, что ей не помешают растущие деревья по ходу движения. С увеличением плотности расположения деревьев будет расти доля остальных элементов цикла: спиливания деревьев, работы манипулятора, поворота платформы и др. в зависимости от типа машины. Имеет также значение концентрация деревьев на рабочей площадке. Если деревья сконцентрированы на одной из сторон относительно хода машины, то время, приходящееся на поворот платформы, будет
Рис. 3. Изменение среднего времени цикла работы ВПМ на рабочей площадке: ряд 1 - ВПМ без накопителя (типа ЛП-19А с ЗСУ для удержания одного дерева), ряд 2 - ВПМ с накопителем (типа МЛ-135, ВПМ-130)
----Ряд1------Ряд2 - - - -РядЗ — - -Ряд4
Рис. 4. Зависимости элементов времени цикла от расстояния между ВПМ центром рассеивания, в долях от общего времени цикла: ряд 1 - время захвата и спиливания дерева; ряд 2 - время наведения манипулятора; ряд 3 - время поворота платформы с манипулятором и сброска деревьев в пачку; ряд 4 - время передвижения машины между стоянками
10
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 2-S/2014
ЛЕСОСЕЧНЫЕ РАБОТЫ
уменьшаться. Для ВПМ, оснащенных захватно-срезающим устройством с накопителем для удержания нескольких деревьев, концентрация деревьев в определенном месте рабочей площадки может существенно снизить время на поворот платформы между спиливанием деревьев, которые одновременно удерживаются в захвате. На рис. 3 представлены графики изменения среднего времени цикла работы на рабочей площадке ВПМ с накопителем и без него в зависимости от расположения машины относительно центра рассеивания куртины деревьев, полученные в результате моделирования. Передвижение машины относительно центра куртины соответствует рис. 2.
На рис. 4 представлены зависимости продолжительности элементов времени цикла от расположения машины относительно центра рассеивания в долях от общего времени цикла. Моделирование производилось для ВПМ, оснащенных ЗСУ с накопителем. Как видно из графиков, время на пиление (кривая 1) начинает уменьшаться в общем времени цикла сразу после удаления машины от центра рассеивания, так как число деревьев на рабочей площадке также уменьшается. Время на наведение манипулятора (кривая 2) и его поворот на поворотной платформе (кривая 3) в общем времени цикла ведут себя переменно в зависимости от сочетания количества деревьев и их расположения на рабочей площадке машины. Время пере-
движения машины между стоянками в общем времени цикла (кривая 4) постоянно возрастает, так как время работы машины на стоянке снижается с уменьшением количества деревьев на рабочей площадке при удалении машины от центра рассеивания куртины.
Рассмотренные математические модели работы лесозаготовительных машин на лесосеке с учетом распределения и концентрации деревьев по ее территории позволяют оценить правильность технологических решений по проведению лесосечных работ. В особенности это касается проектирования сети трелевочных волоков, а также и других технологических решений, перечисленных ранее. Кроме того, моделирование работы лесозаготовительных машин может позволить решить и обратную задачу - комплектование системы машин в зависимости от природно-производственных условий разрабатываемых лесосек.
Библиографический список
1. Редькин, А.К. Основы моделирования и оптимизации процессов лесозаготовок / А.К. Редькин - М.: Лесная пром-сть, 1988. - 256 с.
2. Макаренко, А.В. Программное проектирование трелевочных волоков на лесосеке / А.В. Макаренко // Вестник МГУЛ - Лесной вестник, 2013.
- № 1. - С. 99-105.
3. Вентцель, Е.С. Теория вероятностей и ее инженерные приложения / Е.С. Вентцель, Л.А. Овчаров
- М.: Академия, 2003. - 456 с.
THE INFLUENCE OF TECHNOLOGICAL DECISIONS ON THE CONDITIONS AND EFFICIENCY OF The WORK OF The MANIPULATOR OF FORESt MACHINES
Makarenko A.V (MSFU), Red’kin A.K. (MSFU)
makarenko@mgul.ac.ru Moscow State Forest University (MSFU) 1st Institutskaya st., 1, 141005, Mytischi, Moscow region, Russia
The article considers the questions of modeling of distribution of trees on the territory of logging sites and on a working platform of the harvester. Based on the results of distribution of trees have been modelled productivity of machines and the average cycle time of the trees on the working site. The questions of computer software design skid trails on the cutting area. The dependences of these parameters from the distance of the site from the centre of distribution of trees.
Keywords: cutting area, skidding portage, playing coordinate trees, work area
References
1. Redkin, A.K. Osnovy modelirovaniya i optimizatsii protsessov lesozagotovok [Basics of modeling and optimization of harvesting]. Moscow. Lesnaja promyshlennost’ [Timber industry], 1988. 256 p.
2. Makarenko, A.V. Programmnoyeproyektirovaniye trelevochnykh volokov na lesoseke [Software design skid trails on the cutting area]. Moscow State Forest University Bulletin - Lesnoj Vestnik. 2013. № 1, pp. 99-105.
3. Venttsel, Ye.S. Ovcharov L.A. Teoriya veroyatnostey i yeye inzhenernyye prilozheniya [Probability theory and its engineering applications]. Moscow. Akademiya, 2003. 456 p.
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 2-S/2014
11
