Моделирование гибкого мобильного производства сборных каркасных деревянных панелей

УДК 621.865.8:694.1

МОДЕЛИРОВАНИЕ ГИБКОГО МОБИЛЬНОГО ПРОИЗВОДСТВА СБОРНЫХ КАРКАСНЫХ ДЕРЕВЯННЫХ ПАНЕЛЕЙ

© 2010 г. А.Г. Булгаков, А.В. Пруглов

Южно-Российский государственный технический университет

South-Russian State Technical University

Рассматриваются принципы построения, оптимизации и автоматизации строительных производств, а также предложена схема построения мобильной гибкой автоматической производственной линии для выпуска элементов сборных деревянных домов. Предложена схема организации строительства панельных деревянных домов при использовании такой линии вне населенного пункта.

Ключевые слова: мобильное производство; деревянная панель; автоматизированный модуль; сборка каркаса; поточная линия.

The article examines the principles of construction, optimization and automation of building manufacture, and the scheme of construction for a mobile flexible automatic industrial line producing elements of modular wooden houses. The offered scheme of organization is used when panel wooden houses construction is located outside of settlement.

Keywords: mobile production; wood paneling; automated module; assembly of framework; in-line system.

В настоящее время повсеместно активно развивается малоэтажное деревянное домостроение. Благодаря появлению новых технологий и высокому уровню автоматизации производственных операций современный деревянный дом по качеству исполнения не уступает объектам капитального гражданского строительства.

Однако для жителей дальних регионов и труднодоступных районов России приобретение деревянного дома зачастую становится невозможным не только из-за высокой стоимости самого сборного комплекта, но и из-за высоких затрат на доставку, несмотря на то что районы, в которых они живут, являются крупнейшими поставщиками древесины строительных пород. Учитывая транспортные издержки, доставка одного комплекта дома на расстояние свыше 1500 км будет составлять свыше 20 % от стоимости самого дома.

Концепция гибкого мобильного автоматизированного производства деревянных домов и сооружений построена на идее создания гибких мобильных автоматизированных линий, которые могут перемещаться в компактной форме в места, где развита деревообрабатывающая промышленность (рис. 1). Функция мобильности таких линий необходима для снижения транспортных расходов, сокращения затрат на основное сырье (сухая древесина, OSB-плита и утеплитель), а также для адаптации к такому вариативному показателю, как спрос на выпускаемую продукцию. При исследовании методов организации производства панельных деревянных домов и сооружений предложен метод организации мобильного производства. Одной из основных целей применения мобильных автоматизированных комплексов является снижение общей себестоимости выпускаемого изделия. Чтобы

определить целесообразность применения мобильного производства необходимо произвести анализ и рассчитать основные экономические показатели. Себестоимость деревянного дома определяется тремя основными видами затрат: на ручной труд; обору дова-ние и строительные материалы.

Рис. 1. Мобильная гибкая автоматизированная линия для производства деревянных панелей: 1 - модуль производства целлюлозного утеплителя; 2 - модуль производства OSB-плиты; 3 - модуль подготовки сборных элементов;

4 - модуль сборки каркаса

Снижение первых двух показателей происходит путем оптимизации степени автоматизации производственного потока при помощи 3.0-моделирования. Это позволяет снизить суммарные затраты на ручной труд и обслуживание оборудования на 45 %. Проведенный экономический анализ показал, что применение гибкого мобильного производства в деревянном домостроении ведет к снижению затрат на строительные материалы, а следовательно, и к снижению себестоимости 1 м2 жилой площади дома.

Мобильная автоматизированная линия может работать в местах, где есть сухой калиброванный брус хвойных пород и сухая макулатура. Макулатура необходима для изготовления целлюлозного утеплителя. Основные этапы организации строительства панельных деревянных домов посредством мобильного автоматизированного производства отражены на рис. 2.

Доставка

Мобильная производственная автоматизированная линия

Рг

Лесопильная база

Сухой брус

Макулатура

Остальные материалы

77Г7

Доставка

Готовый комппэкт

Рг

Место строительства

Рис. 2. Схема организации строительства деревянного дома при мобильном методе изготовления: Ргмал — цена доставки гибкой мобильной автоматизированной линии; Ргк - цена доставки готового комплекта

Для расчета основных экономических показателей применительно к мобильному производству необходимо проводить анализ состояния района строительства. Необходимо выявить местонахождение лесопильных или лесоторговых баз, а также ближайшие пункты сбора макулатуры. Важным компонентом является показатель общей площади строительных объектов (рис. 3).

материалы: сухой калиброванный брус, теплоизоляционный материал и OSB-плита.

Общие затраты на строительный материал складываются из: Р = Рд0Ст + Ризгот , где Рдост - затраты

на доставку строительного материала, руб.; Ризгот -затраты на изготовление, руб.

Затраты на доставку строительного материала

Стационарное изготовление сборного комплекта:

рдосц = пш,

где п - количество транспортных рейсов; I - расстояние до места строительства; k - стоимость одного километра транспортировки, руб.

Мобильное изготовление сборного комплекта:

р »б = рм°б + р + пр 1 дост _ 1 линия мак Г.К. '

где Рлмионбия - затраты на доставку мобильного оборудования, руб.; Рмак - затраты на доставку макулатуры, руб.; РГК - затраты на доставку готового комплекта сборного дома, руб.

В случае мобильного производства количество роботизированных модулей гибкой автоматизированной линии постоянно (п = 4), общие транспортные издержки будут определяться одной характеристикой (рис. 4) и при увеличении общей площади возводимых домов, начиная от 400 м2 меняться не будут.

Затраты на изготовление строительного материала

Затраты на строительный материал при стационарном изготовлении каркасной деревянной панели соответствуют оптовой цене конкретного материала.

Рассмотрим основные виды строительного материала. Подробный анализ структуры каркасной деревянной панели дома показал, что для изготовления дома площадью 96 м2 необходимо:

- утеплитель: ту

= 1,976 т;

- сухой брус: Кдрев = 6,24 м ;

- ОХВ-плита: УОХВ = 6,24 м3. Стационарное производство:

№ стац = рстац V + р стац^ + р с "общ _ р древ древ РООВу ОХВ + Рут '"утепл :

ту

Рис. 3. Схема расчета экономической эффективности при мобильном производстве

С учетом особенностей производства каркасных панелей посредством гибкой автоматизированной линии была составлена программа моделирования эффективности мобильного производства сборных деревянных конструкций.

Применение мобильного оборудования направлено на сокращение затрат на основные строительные

где , рОтаВ - оптовая цена на сухой брус и ОХВ-плиты соответственно, руб./м3; ру™ц - оптовая цена

утеплителя, руб./т.

При мобильном производстве изготовление строительного материала происходит непосредственно на линии, поэтому затраты будут гораздо ниже:

^общ = ^древ ^древ + ^ОХвУоХВ + ^уТ^тутепл ,

где гдров, ^омов - цена на сухой брус и ОХВ-плиты, руб./м3; WуMoб - цена утеплителя, руб./т.

2,0

1,5

а

о ч

с ^

й а

ю О

1,0

0,5

/ / / f j У

/ У у У

/ if" /

1 , / У

Положение трубопровода относительно каркаса можно определить при помощи моделирования конструкции. На рис. 6 отражены результат моделирования конструкций, показаны напряжения в узлах конструкции. Видно, что в обоих случаях при равных нагрузках F = 40000 Н напряжения конструкции в области крепления трубопровода практически идентичны.

1 х 103 2х103 3х103 4х103 Затраты на строительный материал, руб.

Рис. 4. График зависимости общего показателя затрат на строительный материал от общей возводимой площади

домов:--стационарное производство; — - мобильное

производство

Из отношения видно, что расходы на строительный материал при мобильном производстве сократились более чем в два раза. Нужно заметить, что в расчет не брались остальные строительные материалы. Предположим, что их затраты при различных методах организации будут одинаковыми.

Автоматизация технологического процесса сборки состоит из нескольких этапов, один из которых - монтаж системы водоснабжения на деревянный каркас. Для прокладки трубопровода в несущих вертикальных опорах каркаса (рис. 5) необходимо определить положение отверстий.

Несущая вертикальная балка

б

Рис. 5. Расположение элементов системы водоснабжения: а - закрытое отверстие; б - открытое отверстие

б

Рис. 6. Распределение напряжений в каркасной конструкции: а - с закрытым отверстием; б - с открытым отверстием

Так же было проведено моделирование каркасных конструкций при горизонтальной поперечной нагрузке. Максимальная деформация у каркасной конструкции с закрытым отверстием равна 3,656 мм с запасом прочности 19,58 при нагрузке F = 2000 Н (рис. 7 а), в то время как у конструкции с открытым отверстием 3,829 мм с запасом прочности 13,91 при той же нагрузке (рис. 7 б).

По всем показателям, полученным в результате моделирования, деревянный каркас с закрытым отверстием предпочтительнее, с точки зрения строительной конструкции. Однако с точки зрения роботизации технологического процесса монтажа трубопроводной системы, укладка трубопровода в каркасную конструкцию с открытым отверстием гораздо проще.

0

а

L

F З.ЯОеКЮО

з.1я«ке

IST'etWO

¿»ЗсИ*»

S'

UTi^WpG

S «73f«il

i3»2t-№l

S И

б

Рис. 7. Деформация конструкции при горизонтальной поперечной нагрузке: а - с открытым отверстием; б - с закрытым отверстием

Кроме того, в случае неисправности трубопровода при таком способе укладки его замена не составит проблем.

Гибкое мобильное производство деревянных конструкций - это еще один шаг на пути развития такой строительной отрасли, как деревянное домостроение. Моделирование деревянных конструкций с учетом внутренних коммуникаций является одним из важных этапов при проектировании гибких производств в области строительства. Внедрение таких систем в производство повышает качество и надежность деревянных конструкций. Полученные результаты моделирования могут быть использованы при проектировании автоматизированного производственного оборудования. Положительным эффектом от применения мобильного производственного оборудования является снижение себестоимости выпускаемой продукции, что делает её еще более доступной для населения. На рынке недвижимости самый дешевый 1 м2 принадлежит каркасному деревянному дому, поэтому деревянное домостроение является одним из перспективных направлений строительства.

Литература

1. Немецкая компания исследования деревянных конструкций. URL: http://www.holz-und- umwelt.de

2. Издательство инноваций URL: http://www.phoenixcontact.ru/

3. Мащенко Т.Г. Элементы устройства автоматики систем управления : учеб. пособие. Харьков, 2006. 192 с.

а

Поступила в редакцию 6 июля 2010 г.

Булгаков Алексей Григорьевич - д-р техн. наук, профессор, кафедра автоматизации производства, робототехники и мехатроники, Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт). Тел. +7-961-271-25-23. E-mail: a.bulgakow@gmx.de

Пруглов Александр Владимирович - аспирант, кафедра автоматизации производства, робототехники и меха-троники, Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт). Тел. 8(86138) 3-46-73. E-mail: Pruglov.86@mail.ru

Bulgakov Aleksey Grigorievich - Doctor of Technical Sciences, professor, department «Automatic Productions, Robotics and Mechatronics», South-Russian State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute). Ph. +7-961-271-25-23. E-mail: a.bulgakow@gmx.de

Pruglov Alexander Vladimirovich - post-graduate student, department «Automatic Productions, Robotics and Mechatronics», South-Russian State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute). Ph. 8(86138) 3-46-73. E-mail: Pruglov.86@mail.ru_