Повышение выхода пиломатериалов при брусо-развальном способе распиловки бревен

Лесопильная промышленность России в течение века практически не может окончательно переступить черту 50%-ного объёмного выхода обрезных пиломатериалов. Ещё в 40-вых годах прошлого столетия российский математик проф. Фельдман X. J1. попытался доказать, что объёмный выход 50% слишком низкий и он может достигать 65.70%. При этом он разработал «Систему максимальных поставов на распиловку"[1]. Далее развитием теории и практики лесопиления занимались: Шапиро Д. Ф., Власов Г. Д., Титков Г. Г., Гутерман М. Н., Канторович Л. В., Залгаллер В. А., Песоцкий А. Н., Аксёнов П. П., Батин Н. А., Грачёв А. В., Калитеевский Р. Е., Ветшева В. Ф., Турушев В. Г., Лурье Л. З., Иванов В. Д., Соболев И. В., Фергин В. Р., Пижурин А. А., Розенблит М. С., Копейкин A.M., Рыкунин С. Н. и др. 2−36,39,40,45−55]. В результате отечественное лесопиление при минимальных финансовых вложениях со стороны государства успешно конкурировало с крупнейшими лесными державами мира. В России был впервые реализован системный подход при управлении производством пиломатериалов. В лесопильной промышленности проводилась специализация предприятий по породам, размерам и качеству распиливаемого сырья, а также по назначению и размерам получаемых пиломатериалов. Внутри предприятия предусматривалась специализация отдельных лесопильных цехов на переработку сырья с ограниченным диапазоном варьирования его размерно-качественных характеристик, а внутри цеха осуществлялась специализация отдельных потоков по типу применяемого оборудования и структуре получаемой продукции. Фундаментальное влияние на работу отрасли оказал пакетный метод обращения пиломатериалов. Стала широко внедряться технология лесопиления с окончательной торцовкой досок после камерной сушки. Лесопильные предприятия насыщались поточными автоматизированными линиями. При разработке нового оборудования широко использовалось агрегатирование технологических операций, а при проектировании новых предприятий — блокирование цехов и участков.

Непрерывно повышался уровень механизации и автоматизации производства и общий технический уровень отрасли. Параллельно проводилась оганизационная перестройка лесопильных предприятий — применялось объёмно-календарное и оперативно-календарного планирование процессов раскроя брёвен, внедрялась автоматизированная система управления качеством пилопродукции.

Однако объёмный выход пиломатериалов при этом практически не повышался.

Поэтому целью данной диссертационной работы является определение путей повышения объёмного выхода обрезных пиломатериалов при распиловке брёвен.

Для реализации этой цели разработан алгоритм автоматизированного проектирования оптимальных поставов методом полного перебора. В качестве критерия оптимальности принят объёмный выход пиломатериалов. В качестве постоянных ограничений выступают номинальные размеры брёвен и пиломатериалов. В качестве непостоянных ограничений используются спецификационные и технологические требования — максимальное количество одновременно вырабатываемых толщинминимально допустимая разность между смежными толщинами досоксогласованность проходов по толщинам боковых досокзапреты на неспецификационные и технически невыполнимые толщины. Используя ограничения только по размерам сырья и пилопродукции, получены поставы, которые невозможно превзойти по объёмному выходу в рамках действующих стандартов. Таким образом, получены предельно достижимые (теоретические) объёмные выходы пиломатериалов. Установлены зависимости объёмного выхода от толщины и длины бревна. Определены «цены» (в виде потерь объёмного выхода) дополнительных технологических и спецификационных ограничений.

В диссертации разработан алгоритм имитационных исследований процессов раскроя брёвен с воспроизведением реальной изменчивости их формы и точности базирования. Для этого разработаны теоретические основы расчёта поставов для распиловки брёвен с наиболее распространёнными пороками формы. Проведены дополнительные экспериментальные исследования эллиптичности, сбежистости, её ориентации относительно кривизны, а также центрирования брёвен и брусьев относительно постава пил. Установлены общие закономерности снижения объёмного выхода пиломатериалов при случайном варьировании толщины, эллиптичности и кривизны брёвен. Определены основные причины снижения объёмного выхода пиломатериалов и показаны пути его приближения к максимально достижимому (теоретическому) объёмному выходу.

На защиту выносятся:

— алгоритмы автоматизированного проектирования поставов и имитационного исследования процессов раскроя брёвен с воспроизведением случайной изменчивости их размеров и формы;

— аналитические зависимости и методика расчёта поставов для брёвен с пороками формы;

— поставы, которые невозможно превзойти по объёмному выходу при действующих стандартах на размеры сырья и пилопродукции (максимальные поставы);

— предельно достижимые объёмные выходы как ориентиры при проектировании поставов;

— теоретические зависимости объёмного выхода пиломатериалов от толщины и длины бревен;

— степень снижения объёмного выхода организационно-техническими и технологическими условиями применения поставов (ограничения по количеству толщин, по согласованности проходов, по разности смежных толщин);

— закономерности влияния эллиптичности, кривизны и разнотолщинности брёвен на объёмный выход пиломатериалов;

— резервы повышения объёмного выхода пиломатериалов;

— пути повышения объёмного выхода обрезных досок при брусо-развальном способе раскроя брёвен.

1 Для получения пилопродукции определённых размеров и качества в установленные сроки при минимальных затратах сырья и труда необходимо компьютерное планирование раскроя на каждом лесопильном предприятии. В условиях постоянного повышения стоимости ресурсов требования к качеству планирования должны также постоянно повышаться. В настоящее время, когда технические возможности для исследований многократно увеличиваются, существует необходимость машинных испытаний теоретических и практических основ проектирования поставов и особенно вопросов, связанных со сложными геометрическими и вероятностными характеристиками пиловочного сырья и процессов его раскроя. Принято считать, что возможности резкого повышения эффективности лесопиления за счёт улучшения качества планирования во многом уже исчерпаны и речь, скорее всего, может идти о повышении объёмного выхода пиломатериалов на 2…3%. Поэтому большое значение приобретает оценка потенциальных и реальных возможностей поставов. Важно знать предельно достижимые (чисто теоретические) возможности лучших поставов, а также риски и степень их ухудшения реальными организационно-техническими и технологическими условиями применения. Именно с этих позиций в данной диссертации рассматриваются вопросы автоматизированного проектирования поставов и проводятся имитационные исследования процессов раскроя брёвен с воспроизведением реальной изменчивости их формы и точности базирования.2 Анализ поставов и планов раскроя на одном из передовых предприятий отрасли показывает, что они не в полной мере соответствуют существующим критериям рациональности: охват диаметра бревна поставом в большинстве случаев не входит в коридор, ограниченный рекомендованными минимальными и максимальными ширинами поставов и оказывается ниже нижнеготолщины брусьев так же не всегда укладываются в рекомендуемый коридор (0,6…0,8)ci. С увеличением диаметра бревна относительная толщина бруса снижается по экспоненте. Таким образом, производственный опыт со своей стороны также указывает на необходимость периодически оценивать сами критерии рациональности технологии лесопиления, особенно по мере совершенствования средств и методов оценки.3 Для создания алгоритмов автоматизированного проектирования поставов и имитационного моделирования процессов раскроя пиловочного сырья проведены дополнительные экспериментальные исследования эллиптичности поперечных сечений брёвен, сбежистости, ориентации эллиптичности относительно кривизны, центрирования брёвен и брусьев относительно постава пил. В результате сделаны следующие выводы:

3.1. Эллиптичность варьирует в пределах 5… 10 мм и практически не зависит от толщины бревна.3.2. Величина среднего сбега брёвен при изменении толщины от 14 до.

64 см возрастает от 0,40 до 2,12 см/м по закону близкому к линейному (коэффициент корреляции около 0,9). Для определения средних сбегов для каждого диаметра распиловочной партии брёвен наилучшую точность и сходимость со стандартной таблицей объёмов обеспечивает формула сбегов Соболева И.В.(максимальная погрешность— 16,47%).3.3. Можно считать, что большая ось эллипса и плоскость односторонней кривизны совпадают практически всегда.3.4. Между эллиптичностью и величиной кривизны бревна нет даже слабой корреляционной зависимости, поэтому эти характеристики можно варьировать независимо друг от друга.3.5. Случайное отклонение продольной оси бревна от центра постава пил достигает ± 100 мм, а бруса — ± 10 мм,.

3.6. При имитационном моделировании процессов раскроя брёвен и автоматизированном проектировании поставов вероятностные характеристики эллиптичности, сбежистости, кривизны и смещенности продольных осей брёвен и брусьев относительно центра постава пил целесообразно воспроизводить с помощью генераторов случайных чисел. настроенных на нормальный закон распределения со следующими параметрами: Характеристика Эллиптичность Сбежистость Кривизна Смещение: Бревна Бруса Среднее значение.

0- 0,4- 0,6- 0,8- 1,0- По формуле Соболева H.B.(SCD) Среднее квадратическое отклонение.

0- 0,08- 0,12- 0,16;

0,20- 0,24 см.

0- 0,15- 0,30- 0,50- 0 -3 -5 — 10- 15- 20;

0- 1,5- 3,0- 7,0- 4 Для автоматизированного проектирования поставов разработан и реализован метод полного перебора. В качестве ограничений выступают только размеры сырья и пилопродукции. Критерием оптимальности является объёмный выход обрезных досок. В результате получены поставы, которые невозможно превзойти по объёмному выходу в рамках существующих стандартов. Поэтому будем их называть по аналогии с проф. Фельдманом Х. Л. максимальными.5 Анализ максимальных поставов показывает, что при переходе с одного чётного диаметра на другой всегда изменяется структура максимального постава. Причём, смена постава на каждом чётном диаметре (14, 16, 18, 20см) сопровождается заметным (до 1% и более) приростом объёмного выхода. С увеличением диаметра бревна смена структуры максимального постава на каждом чётном диаметре сопровождается меньшим приростом объёмного выхода (0,5…0,7%).6 Анализ максимальных поставов позволяет также установить, что с изменением длины бревна при неизменном его диаметре структура постава как первого, так и второго прохода также меняется, хотя и нерегулярно.7 Для диаметров от 14 до 32 см нечетные поставы явно превосходят чётные поставы по объёмному выходу (на 0,5…2,5%), для диаметров 34 см и выше чётные и нечётные поставы уже не имеют систематических преимуществ.8 Максимальные объёмные выходы показывают потенциал каждого постава, то есть предельно достижимые объёмные выходы при существующих стандартах на размерные характеристики сырья и пилопродукции.9 Предлагается использовать разность между объёмными выходами рассматриваемого и максимального постава в качестве критерия совершенности постава.10 Исключение толщины 16 мм при рамном пилении приводит к снижению максимального объёмного выхода на 0…2,55%, Большее снижение объёмного выхода приходится на брёвна меньшего диаметра.11 Анализ структуры максимальных поставов показывает, что большинство из них не отвечает существующим критериям технологичности:

62,5% максимальных поставов предусматривают 4 и более толщин- 59,4% — содержат смежные доски, которые различаются по толщине на 5 мм и менее;

15,6% - имеют разные по толщине крайние доски на первом и втором проходе. Ограничения по толщине сердцевинной и центральных досок выполняются автоматически.12 Объёмные выходы поставов проф. Фельдмана Х. Л. для современных условий завышены до 7% за счёт использования недопустимо тонких досок (до.

9,5мм). После исключения этих досок из поставов объёмные выходы становятся ниже максимальных на 2,3. .4,5%.13 Главным методологическим отличием поставов проф. Фельдмана Х. Л. от поставов, полученных полным перебором, является различие в толщинах брусьев — они могут отклоняться от 0,707d на 0,2d и более.14 Определение толщины бруса является важнейшей задачей, которая во многом предопределяет эффективность постава. Зависимость толщины бруса от диаметра бревна не поддаётся аналитическому описанию, поэтому она должна определяться автоматически при проектировании поставов методом полного перебора.15 Максимальные поставы можно находить только методом полного перебора.16 При составлении поставов неавтоматизированными методами можно рекомендовать соотношение h = (0,7…0,9)d (вместо h = (0,6…0,8)d). Однако к верхней границе следует относиться весьма осторожно. Во-первых, из-за варьирования эллиптичности и смещенности бревна относительно центра постава пил пропиленная часть бруса может доходить до нуля (при диаметрах до 20см) с резким снижением объёмного выхода. Во-вторых, поставы с толстым брусом наиболее подвержены влиянию мешающих факторов.17 Зависимость объёмного выхода пиломатериалов от величины диаметра достаточно хорошо (коэффициент детерминации более 0,97) описывается многочленом второй степени.18 Полученное выражение и диаграмма позволяют определять изменение объёмного выхода при изменении диаметра бревна при любой его длине.19 Для брёвен диаметром 14. .26см увеличение толщины бревна на 2 см приводит к увеличению объёмного выхода примерно на 1,5%, а для брёвен диаметром 28 см и более — на 0,5%.20 При переходе от максимальных поставов к реальным зависимость объёмного выхода от величины диаметра может несколько усиливаться.21 Теоретическая зависимость объёмного выхода пиломатериалов от длины бревна является функциональной линейной обратной с угловым коэффициентом 0,6 и свободным членом, зависящим от толщины бревна и структуры постава. Поэтому в абсолютных единицах она не имеет практического значения. Полученное выражение в приращениях позволяет оценивать изменение объёмного выхода при любом изменении длины бревна.22 Увеличение длины бревна на 1 м приводит к снижению объёмного выхода на 0,6%.23 Причиной снижения объёмного выхода при увеличении длины бревна является возрастающие потери древесины в рейку. Для компенсации потерь объёмного выхода можно вводить операцию поперечного раскроя досок перед обрезкой.24 Теоретически максимальное повышение объёмного выхода от использования операции поперечного раскроя перед обрезкой составляет 2,1%.25 Разность между справочными ширинами поставов и ширинами максимальных поставов достигает 29 мм. Если пользоваться справочными ширинами в качестве ограничений при генерировании поставов, то максимальные поставы могут оказываться вне области допустимых решений.26 Ограничение по смежным толщинам обеспечивается ценой снижения объёмного выхода на 0,3…0,6%, независимо от диаметра и длины бревна.27 Согласование проходов по толщинам тонких боковых досок обеспечивается потерей 0,4% объёмного выхода пиломатериалов при распиловке брёвен диаметром 20…24см.28 «Цена» ограничения «не более 3-х толщин» составляет до 0,5% объёмного выхода, а «цена» ограничения «не более 2-х толщин» — до 2,5%) объёмного выхода.29 Получены максимальные объёмные выходы оптимальных двух-и трёхтолщинных поставов при ограничениях по смежности толщин и согласованности проходов. Учитывая, что превзойти по объёмному выходу эти поставы невозможно, объёмные выходы можно использовать для оценки совершенности соответствующих поставов.30 Влияние величины эллиптичности на объёмный выход пиломатериалов без учёта фактора случайности.30.1. Для брёвен толщиной 16 см объёмный выход уменьшается по линейному закону на 1…2% на каждый 1 см эллиптичности. Для брёвен толщиной 26 см при использовании поставов с высоким объёмным выходом последний колеблется в пределах 0,5%, при использовании менее эффективных поставов объёмный выход может уменьшаться примерно на 1% при увеличении эллиптичности на 1 см.30.2. С изменением величины эллиптичности брёвен диаметром 16 см меняется структура оптимального постава — наиболее заметно ухудшаются характеристики поставов с толстым брусом.30.3. Потенциалы поставов (максимально достижимые объёмные.

выходы) снижаются при увеличении эллиптичности брёвен диаметром.

16 см от О до 4 мм примерно на 1,3%- для брёвен толщиной 26 см потенциалы поставов от эллиптичности практически не зависят.30.4. При автоматической оптимизации размеров пластей боковых досок эллиптичность брёвен часто приводит не к заужению досок, а к их укорочению.31 Влияние эллиптичности на объёмный выход пиломатериалов с учётом фактора случайности.31.1. Объёмный выход досок из брёвен 16см/5,5 м снижается при увеличении эллиптичности либо по линейному закону (с коэффициентом детерминации 0,9648), либо — по квадратичному (0,9017). В среднем объёмный выход в зависимости от постава снижается на 2,3…6,2% при средней эллиптичности 1 см с размахом варьирования от О до 2 см.31.2. Объёмный выход досок из брёвен 26см/5,5 м снижается при увеличении эллиптичности по линейному закону (с коэффициентом детерминации 0,9554…0,9928). В среднем объёмный выход в зависимости от постава снижается на 1,2…2,6% при средней эллиптичности 1 см с размахом варьирования от О до 2 см.31.3. Варьирующая эллиптичность по сравнению с постоянной эллиптичностью (дисперсия равна нулю) снижает объёмный выход пиломатериалов при прочих равных условиях в 2…3 раза сильнее.32 Влияние кривизны на объёмный выход пиломатериалов без учёта фактора случайности.32.1. При раскрое брёвен диаметром 16 см объёмный выход пиломатериалов снижается на 1,.2,5% на каждые 0,1% кривизныпри раскрое брёвен диаметром 22см — на 0,9… 1,8%, а брёвен диаметром 2бсм • н, а 0,7… 0,9%.32.2. Кривизна брёвна весьма существенно снижает максимально достижимый объёмный выход пиломатериалов: для брёвен 16см/5,5м — примерно на 1%- для брёвен 22см/5,5м — на 0,4%" — для брёвен 26см/5,5 м ;

на 0,2% на каждые 0,1% кривизны.32.3. С увеличением кривизны бревна структура оптимального постава меняется, хотя и не так регулярно, как при увеличении эллиптичности. Поставь! с более тонким брусом менее подвержены отрицательному влиянию кривизны на объёмный выход пиломатериалов, чем поставы с толстым брусом.33 Влияние кривизны с учётом фактора случайности.33.1. Кривизна бревна с учётом фактора её случайной изменчивости, так же как и постоянная кривизна (дисперсия равна нулю) снижает объёмный выход пиломатериалов весьма сильно — на 0,3… 1,7% на каждые 0,1% кривизны. Чем меньше толщина бревна, тем большее влияние на объёмный выход пиломатериалов оказывает кривизна. Так, при толщине бревна 16 см допустимая стандартом кривизна 1,5% снижает объёмный выход на 25,5%.33.2. Варьирующая кривизна по сравнению с постоянной кривизной (дисперсия равна нулю) при прочих равных условиях снижает объёмный выход пиломатериалов в среднем примерно в 1,5 раза слабее.34 При изменении величины смещения от О до 20…25мм с шагом 5 мм без учёта фактора случайности объёмный выход пиломатериалов варьирует около средних значений с амплитудой 2…3,7% при распиловке брёвен.

16см/5,5 м и с амплитудой 0,7… 1,6% при распиловке брёвен 26см/5,5 м.Причины колебания объёмного выхода видны из протокола результатов расчёта поставов. При смещении бревна и бруса влево ширины и длины боковых досок справа уменьшаются, а слева — увеличиваются, попеременно превышая друг друга.35 При изменении средней величины смещения бревна и бруса относительно центра постава пил с учётом фактора случайности объёмный выход пиломатериалов снижается слабо — от О до 0,2% на каждые 5 мм среднего смещения. Однако, если постав оптимизирован по максимуму объёмного выхода и «доски предельно плотно упакованы в бревне», то возможно снижение объёмного выхода до 1,5% при смещении 5 мм. И всё-таки эту ситуацию следует считать чисто теоретической, поскольку в условиях реального варьирования диаметра бревен она мало вероятна.36 Если влияние постоянного смещения (при нулевой дисперсии) на объёмный выход имеет знакопеременный характер, то варьирующее смещение приводит только к снижению объёмного выхода, хотя и на неощутимо малую величину.37 Варьирование толщины бревен влияет на объёмный выход пиломатериалов тем сильнее, чем ближе постав к оптимальному и выше его расчётный объёмный выход. Причём, это относится лишь к диапазоны варьирования диаметра — ±-5мм. Дальнейшее увеличение уровня варьирования толщины брёвен снижает объёмный выход примерно на 0,2…0,3% на каждые ±-5мм. Отсюда возможен вывод о том, что сортировать брёвна небольших диаметров есть смысл только с достаточно «тонкой» градацией — ±-5мм. Но такая градация практически недостижима, а сортировка с градацией ±10 и ±-20мм повышает объёмный выход примерно на 0,25 и 0,5%.38 При диаметрах 22 и 26 см зависимость объёмного выхода от варьирования толщины брёвен имеет линейный характер с угловыми коэффициентами, зависящими в свою очередь от структуры постава и среднего диаметра бревна. С увеличением последнего зависимость объёмного выхода от уровня варьирования толщины явно затухает. При среднем диаметре 22 см объёмный выход снижается примерно на 0,1…0,5% на каждые 5 мм размаха колебания толщины брёвна, при диаметре 26см — на 0,1 …0,3%.39 При формировании распиловочных партий брёвен с дробностью сортировки, зависящей только от точности измерения толщины, её варьирование в пределах распиловочной партии подчиняется не закону распределения толщины, а закону распределения погрешности измерения толщины, то есть нормальному закону. При нормальном законе распределения зависимость объёмного выхода от уровня варьирования толщины брёвен примерно в 1,2… 1,5 раза слабее, чем при равновероятном.40 Исследовано влияние случайного варьирования толщины брёвен на объёмный выход пиломатериалов при одновременном варьировании всех остальных характеристик сырья и его ориентации. Эллиптичность изменяется случайным образом в пределах от О до 10 мм, кривизна — от О до 0,3%, смещение бревна и бруса от центра постава пил — от -5мм до +5мм.41 Предположение о взаимном усилении влияния отдельных случайно изменяющихся характеристик формы бревна и его ориентации на объёмный выход досок вполне подтверждается. В результате зависимость объёмного выхода от величины варьирования толщины брёвен усиливается в 2…5 раза. Особенно резко снижается объёмный выход пиломатериалов при размахе варьирования толщины бревна ±-5мм — примерно от 3 до 5% при номинальном диаметре 16 см и от 2,5 до 3% при диаметре 22 см. При дальнейшем росте величины варьирования толщины темпы снижения объёмного выхода затухают и стабилизируются на уровне 0,1… 1% на каждые дополнительные ±-5мм.42 Полученные результаты (п.41) согласуются со сложившейся практикой сортировать пиловочное сырьё не по чётным диаметрам, а через один чётный диаметр. Согласуются они и с «финской» технологией, предусматривающей сортировку брёвен с точностью ± 5 мм. Однако они не могут служить исчерпывающим обоснованием дробности сортировки брёвен по толщине, поскольку этот вопрос требует специальных дополнительных исследований. В данной диссертации предлагаются необходимые для этого алгоритмы, зависимости и параметры.43 Проведённые исследования опровергают мнение о том, что возможности дальнейшего повышения объёмного выхода досок в основном исчерпаны и резервы составляют примерно 2…3%. Например, для брёвен номинальными размерами 22см/5,5 м максимальный объёмный выход составляет 63,94%, использование наилучшего двухтолщинного постава снижает его до 63,25%, а варьирование характеристик формы бревна и его ориентации (причём, весьма ограниченное, см. п.40) доводит объёмный выход до 53,05%. Таким образом, можно считать, что резервы дальнейшего повышения объёмного выхода составляют порядка 10%. Для более полного использования этого резерва необходимо автоматизированное оборудование, предусматривающее измерение геометрических характеристик брёвен и синтез индивидуальных поставов. Для увеличения «самого» резерва возможно в ряде случаев следует отказываться от унифицированных стандартных размеров и развивать целевое лесопиление, например, «лесопиление для производства окон», «лесопиление для производства дверей» и т. д. Из первостепенных и неотложных мер можно выделить отказ от распиловки брёвен с кривизной более 0,5%, а затем и более 0,2% (1см/5м).