авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:     | 1 |   ...   | 2 | 3 || 5 | 6 |

Оптимизация параметров технологических процессов лесопромышленного комплекса дальнего востока на принципах устойчивого лесопользования

-- [ Страница 4 ] --

В процессе проведения натурных исследований на опытно-промышленных лесосеках региона наряду с лесоводственными показателями определялось также количество неиспользованной древесины, её виды (характеристики); установлены стадии производства, на которых образуются стволовые остатки. Объем остающейся на вырубках древесины в среднем составляет до 65 м3/га, в т.ч. деловой - до 23 м3/га. Среди деловой древесины преобладают древесина 3 сорта и балансы. Доля древесины 1 и 2 сортов не превышает 10 %. Анализ причин, влияющих на полноту использования лесосечного фонда при рубках главного пользования, показывает, что потери древесного запаса на лесосеке (D) во многом зависят от типа применяемых ТП и систем лесосечных машин, сезон заготовки, породного состава и класса товарности насаждений.

Результаты измерений можно аппроксимировать уравнением регрессии следующего вида:

D= – 0,127 +0.236 q0 (1,012 + 0,076 К +0,039 t4), (13)

где: q0 – запас леса на 1 га, м3, К – класс товарности насаждения.

При проведении лесозаготовок происходит негативное изменение не только биоресурсов и почв, но и существенно изменяется состояние атмосферного воздуха за счет выбросов углекислого газа лесозаготовительной техникой.

В расчетах по определению выбросов в атмосферу продуктов сгорания дизельного топлива в процессе разработки лесосек приняты параметры силовых установок лесосечных машин, использующихся на лесопромышленных предприятиях ДФО, выполняющих весь цикл лесосечных работ.

Валовой выброс, Вi (т/год) рассчитывался для каждого сезона заготовки по каждой системе ЛЗМ по формуле:

, (14)

где; Мдвik и Мххik – удельные выбросы загрязняющих веществ ЛЗМ, соответственно, при работе в режимах без нагрузки и на холостом ходу;

Мдвik – удельные выбросы загрязняющих веществ ЛЗМ при работе под нагрузкой, рассчитанные исходя из того, что при увеличении нагрузки на двигатель расход топлива увеличивается на 25-30 %;

tдв, tнагр. и tхх – время движения без нагрузки, под нагрузкой и работы на холостом ходу, соответственно;

k – количество видов ЛЗМ в комплексе по технологическим операциям лесосечных работ;

Dф - количество дней работы ЛЗМ.

Ущерб, наносимый приземной атмосфере при работе комплексов ЛЗМ на заготовке и транспортировке древесины, определяется формулой:

, (15)

где; - показатель удельного ущерба от загрязнения атмосферного воздуха, руб./усл.т, - константа опасности загрязнения атмосферы территорий различных типов,

- опасность загрязнения атмосферы.

Результаты расчетов представлены на рисунке 4.

В пятом разделе изложено обоснование выбора критериев применимости систем ЛЗМ и эффективности технологических процессов лесопромышленных предприятий; разработана математическая модель функционирования ТП ЛПК, разработан алгоритм решения задачи по оценке эффективности ТП и систем ЛЗМ. При реализации данного алгоритма (рис. 5) использовался следующий порядок действий:

  1. На базе информации, полученной по отчетной документации лесничеств и лесозаготовительных предприятий субъектов ДФО в 2001-2006 гг., материалов, предоставленных ФГУ “ДальНИИЛХ”, а также результатов собственных исследований, осуществлялось формирование массива исходных характеристик природных условий (ПУ) в виде лесоэксплуатационных показателей древостоя: рельефа местности, категории грунтов, наличия подроста и т.д. по i–м участкам лесного фонда.

Рисунок 4 - Ущерб от загрязнения атмосферы лесозаготовительными

машинами по видам технологий лесосечных работ.

  1. Полученный массив информации с использованием математического аппарата преобразован в свертки (таксоны), на базе которых создавалась математическая модель ПУ.
  2. Формируется массив принципиально возможных технологических процессов j-ТП, с помощью которых может быть реализовано изменение качественного состояния (свойств) предмета труда (деревьев) и его перемещение в пространстве и во времени.
  3. На основе проведенного анализа конструкций современной лесосечной техники и патентного поиска по данному направлению исследований, формировалась база данных по конструктивным и технологическим параметрам лесозаготовительных машин и обрабатывающего оборудования (k-ЛЗМ) для всех возможных j-ТП.
  4. Используя принцип разворачивания процесса по технологическим переходам (операциям) создавались математические модели ТП и систем ЛЗМ по выбранным критериям качества – энергоемкости и затратам времени на выполнение переходов.
  5. Переходы включались в модель отдельно по разделяющим (обрабатывающим) и переместительным операциям.
  6. Вычислялись показатели качества k-ЛЗМ для реализации j-ого ТП путем обращения к подпрограммам пооперационного расчета.
  7. Все полученные значения показателей качества для j-х ТП сводились в единый массив и сохранялись в памяти ПК.
  8. Определяются ограничения сочетаний ПУ, при которых целесообразность реализации технологического процесса лесозаготовок из всего множества j-х ТП и k-х ЛЗМ отсутствует (из всего массива i-х ПУ удаляется до 30 % в виде территорий) и остается l-ПУ, li.
  9. С использованием математического аппарата теории многопараметрической оптимизации определялся эффективный, по Паретто, глобальный диапазон значений экстремумов показателей качества, с учетом ограничений разработчика из всего множества j-х ТП и k-х ЛЗМ остаются m-ТП и n-ЛЗМ (m j; n k).
  10. Полученные значения показателей качества с учетом l–ПУ сводились в единый массив и сохранялись в памяти ПК.
  11. Производился вывод результатов синтеза m-ТП и n-ЛЗМ для l-ПУ Дальневосточного региона и выполнялось ранжирование их по критерию применимости.

Поиск эффективных систем лесосечных машин и технологий лесосечных работ реализован постановкой и решением задачи многокритериального структурно-параметрического синтеза, где основными критериями управления являются эффективность лесоэксплуатационных и лесоводственных действий; параметрами управления - лесоэксплуатационные и регионально-производственные условия, а управляющими воздействиями - структура и технические характеристики ЛЗМ и технологии лесозаготовок.

С математической точки зрения поиск оптимальных систем ЛЗМ и технологических операций для основных лесосечных работ можно представить как задачу синтеза технологии и техники для заданных условий эксплуатации, при которых показатели качества стремятся к экстремальным значениям. Математическая постановка задачи поиска структуры и параметров систем ЛЗМ и технологий сведена к минимизации векторного критерия () :

где; W,T,D,M,P,В – целевые функционалы частных критериев (показателей качества);

(16)

где; - соответственно, математические модели удельных затрат энергии, времени, и потерь древесного сырья, минерализации почвы, повреждений оставляемых деревьев, молодняка, подроста;

tn,tk- временной интервал изменения условий;

Yimin, Yimax – граничные значения i-ой характеристики разрабатываемых лесосек;

XM- технические параметры и технологическая структура лесосечной машины;

XT,Y - соответственно, параметры технологического процесса и природно-производственных условий эксплуатации техники;

- обобщенная совместная плотность распределения лесорастительных характеристик лесосек.

Физический смысл данной постановки задачи сводится к поиску таких параметров машин (ХM) и технологических процессов (Хт) из области их реализуемости для заданных состояний предмета труда (дерево, хлыст и т.д.), которые в различных природных условиях (Yp) минимизируют энергию и время на осуществление технологического процесса; потери древесного сырья; повреждение почвы и уничтожение оставляемых на лесосеке деревьев, молодняка и подроста. При этом параметры техники и технологии должны соответствовать действующим лесоводственным требованиям, правилам заготовки древесины и техники безопасности. Для решения поставленной задачи необходимо получить вероятностную модель характеристик лесосек, основные показатели которых определены во второй главе.

Для построения математических моделей всех показателей качества, характеризующих работу лесосечной техники и степень изменения лесной среды при разработке лесосек, в третьем разделе диссертации проведена формализация операций лесосечных работ, включающая математическое описание как техники, так и технологий лесозаготовок.

Одним из центральных моментов в решении вопросов оптимизации структуры и параметров технических систем является проблема выбора критериев, характеризующих степень эффективности использования этих технических систем. Проведение исследований с анализом эффективности лесозаготовительных процессов по нескольким критериям возникает, прежде всего, в силу необходимости одновременного учета ряда показателей, характеризующих качество технологического процесса: экономических, технологических, лесоводственных и ресурсосберегающих.

Принципы устойчивого лесопользования должны быть описаны количественными показателями (критериями), поэтому для комплексной оценки лесосечных работ и всего технологического процесса лесозаготовительного предприятия выбрана группа частных критериев, включающая:

  • - удельную энергоемкость (W, мДж/м3) технологического процесса;
  • - удельные затраты времени (Т, с/м3);
  • - потери древесного сырья (D, м3/га);
  • - минерализацию почвы (М, %);
  • - повреждения оставляемых на лесосеке деревьев, молодняка, подроста и тонкомерных деревьев, не подлежащих рубке (Р, %).
  • - валовой выброс загрязняющих веществ (Вi, т/год).

Процесс поиска оптимальной структуры систем лесосечных машин и определения уровня их эффективности при эксплуатации в различных природно-производственных условиях сводится к решению задачи векторного нелинейного программирования. Анализ физической сущности критериев оптимизации показывает, что они носят противоречивый характер. Естественно, что оптимизация технических систем по каждому из критериев в отдельности приведет к различным значениям оптимальных параметров. В связи с этим, для совместного учета всей совокупности частных критериев рассмотрим векторный критерий оптимальности:

(17)

Векторный критерий позволяет решить задачу многокритериальной оптимизации, результат которой, в общем случае, не являясь оптимальным для одного из частных критериев, оказывается компромиссным для вектора в целом. При решении задачи многокритериальной оптимизации компромиссное решение () является эффективной точкой пространства, если для нее справедливо неравенство:

. (18)

  Алгоритм решения задачи по-128

Рисунок 5 – Алгоритм решения задачи по оценке эффективности

ТП и систем ЛЗМ

Из определения эффективной точки следует, что она не единственная. Множество всех эффективных точек называется областью компромиссов или областью решений, оптимальных по Паретто. Оптимальность по Паретто векторного критерия означает, что нельзя более улучшать значения одного из частных критериев, не ухудшая, хотя бы, одного из остальных. Для определения экстремума по Парето осуществим переход от задачи векторной оптимизации к задаче нелинейной оптимизации с помощью сконструированной скалярной функции цели:

. (19)

Для этого сконструирована следующая свертка критериев:

- для минимизируемых критериев;

- для максимизируемых критериев;

где; - значение i-го критерия, полученное при выборе оптимальных параметров с учетом только i-го показателя качества.

Таким образом, обобщенная целевая функция, для нашего случая, представлена в следующем виде:

(20)

где; - диапазон экстремальных значений частных критериев (показателей качества);

- текущие значения частных критериев.

Формализация показателей качества выполнена с использованием аналитических методов решения технологических задач.

При определении энергоемкости машин и оборудования (W), участвующих в реализации технологических процессов лесозаготовок, в качестве базовых были использованы теоретические исследования М.В. Коломиновой. При этом энергоемкость ТП определяется по формуле:

(21)

где: N – номинальная (установленная) мощность двигателей, кВт; КN – коэффициент использования мощности двигателя; КB – коэффициент использования рабочего времени; ПЧ – часовая производительность оборудования, м3/час.

Реализация полученных аналитических зависимостей в виде компьютерных программ позволила получить численные значения удельной энергоемкости всех операций исследуемых вариантов ТП, выполняемых различными системами ЛЗМ и складского оборудования.

Удельное время на выполнение операций технологического цикла (T) при работе лесосечных машин использовано для оценки их технологических параметров. Основные составляющие затрат времени на обработку одного дерева определены по аналитическим формулам, полученным для различных технологических схем работы ЛЗМ при проведении сплошных и несплошных рубок:

. (22)

ТП – время, затрачиваемое на движение машины при выполнении технологической работы (переезды между технологическими стоянками) на расчетном участке лесосеки, с.; ТХ – время, затрачиваемое машиной на холостые движения (зависит от принятой схемы разработки лесосеки), с; ТДЕР – время, затрачиваемое на обработку всех деревьев на расчетном участке лесосеки (технологическая работа); ТУ – время установки машины на технологических стоянках.

При этом более детально изучен вопрос по определению значений среднего пути наведения стрелы манипулятора (формула 23) и среднего угла его поворота при всех возможных вариантах укладки пачек деревьев ВПМ при пакетировании деревьев для условий сплошных и несплошных рубок.

В пределах площадки, разрабатываемой на технологической стоянке, при различных способах рубок и методах пакетирования деревьев можно выделить различные геометрические фигуры, соответствующие отдельно разрабатываемым площадям или площадям, с которых производится выборка запаса различной интенсивности (рис.7).

, (23)

AB и GH – прямые, проведенные по осям укладки пачек деревьев,

VZXY – часть технологической стоянки, приходящаяся на волок,

CVZ и C1X – полупасеки, разрабатываемые в процессе несплошных рубок с выборкой доли запаса.

Рисунок 7 – Схема работы ВПМ на технологической стоянке при проведении сплошных рубок и несплошных рубок с выборкой запаса.

где: – превышение интенсивности рубки участков, подвергаемых сплошной рубке над интенсивностью вырубки участков, разрабатываемых несплошной рубкой;

и – средний путь наведения стрелы манипулятора при работе ВПМ на площадке, разрабатываемой с технологической стоянки, при сплошной рубке и рубке с выборкой доли запаса, м;

и – площади фигур, разрабатываемых сплошной и несплошной рубками, м2.

Средний путь наведения стрелы манипулятора как при работе ВПМ на площадке, разрабатываемой с технологической стоянки при сплошной рубке и рубке с выборкой доли запаса, определится по формуле:

, (24)

где: и – координаты центров тяжести площадок, разрабатываемых сплошнолесосечным способом и с выборкой доли запаса, м.

, (25)

где: и – значение среднего угла поворота стрелы манипулятора при разработке площадок, расположенных по обе стороны от оси укладки пачки при сплошной рубке, град.;

и – значение среднего угла поворота стрелы манипулятора при разработке площадок, расположенных по обе стороны от оси укладки пачки при выборочной рубке, град.;

, – площади фигур, расположенных по обе стороны от оси укладки пачки при сплошной рубке, град.;, – площади фигур, расположенных по обе стороны от оси укладки пачки при сплошной рубке, град.

Затраты времени на трелевку пачек деревьев колесным трелевочным трактором, работающим в комплексе с ВПМ, также определены аналитическим методом для различных технологических схем. Для их математической обработки были составлены компьютерные программы, которые послужили подпрограммным продуктом при создании программы для реализации основной комплексной модели эффективности ТП и систем ЛЗМ.

В связи с достаточно глубокой изученностью вопроса в области выполнения технологических операций лесосечными машинами для нас наибольший интерес представляли задачи по изучению эффективности работы системы «машина-человек-среда» при эксплуатации современных лесозаготовительных машин. В частности, нами изучена проблема, связанная с определением затрат времени оператором на оценку обрабатываемого дерева и времени на подачу управляющих команд. В результате произведенных исследований определено, что наибольшее влияние на время, затрачиваемое оператором на оценку дерева, подлежащего рубке, и подачу одной управляющей команды оказывает технологическая продолжительность рабочей смены. Для аппроксимации полученных зависимостей подобрано несколько уравнений регрессии. Наилучшим из них оказалось уравнение функции Вингерта. Данная функция была предложена для исследования биологических систем и имеет следующий общий вид:

, (26)

где; , , , - параметры (коэффициенты) функции, (табл.2)

t – продолжительность технологической работы.

Графическая иллюстрация полученных результатов представлена на рисунке 8.



Pages:     | 1 |   ...   | 2 | 3 || 5 | 6 |
 





 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.