Экспериментальная оценка синхронизации обрабатывающе-транспортной системы «Харвестер - форвадер»

ЛЕСОИНЖЕНЕРНОЕ ДЕЛО

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ОЦЕНКА СИНХРОНИЗАЦИИ ОБРАБАТЫВАЮЩЕ-ТРАНСПОРТНОЙ СИСТЕМЫ «ХАРВЕСТЕР - ФОРВАДЕР»

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

М.А. ТЕТЕРИНА, асп. МарГТУ

Гипотеза о функционировании обрабатывающе-транспортной системы заготовки древесины «харвестер - форвадер» как процесса создания (накопления) и транспортировки (потребления) перемещаемого запаса [1, 2, 6] является основой моделирования и оптимизации параметров системы с целью синхронизации технологического процесса (ТП), а также обеспечения минимальной энергоемкости ТП и отсутствия избыточных запасов предмета труда (ПТ) на смежных операциях ТП.

Синхронизация ТП обеспечивается соответствующими интенсивностями создания и потребления системой межоперационных и перемещаемых запасов. Интенсивность потребления перемещаемого запаса определяется расстоянием транспортировки, рейсовой нагрузкой форвадера и другими факторами.

Таким образом, обоснование технологий заготовки и обработки древесины, обеспечивающих снижение удельной энергоемкости (топливоемкости) ТП заготовки древесины и максимизацию загрузки системы «харвестер - форвадер», предполагает их анализ с экспериментальной оценкой следующих случайных параметров:

- производительности харвестера;

- интенсивности сбора и разгрузки пачки манипулятором форвадера;

- фактической рейсовой нагрузки форвадера;

- расстояния перемещения форвадера; - времени (процента) простоев машин и механизмов на смежных операциях (транспортных и обрабатывающих) ТП;

- расхода топлива харвестера и форва-

дера.

Экспериментальные исследования ТП заготовки древесины системой «харвестер - форвадер»

В связи с изложенным в июле-августе 2007 г. в 257 и 255 кварталах (ельник кислич-

ник, запас леса 440 м3/га) Вайского лесхоза Пермского края на базе арендуемых лесных участков и парка машин (харвестер John Deer 1270 и форвадер John Deer 1410) ОАО «Соликамскбумпром» проведены экспериментальные исследования. Осуществление экспериментальных исследований выполнено в соответствии с государственным контрактом № 01.29/07 от 03.08.2007 г. с Министерством промышленности и природных ресурсов Пермского края на выполнение научно-исследовательской работы по теме «Обоснование ресурсосберегающих технологий лесопромышленного комплекса, адаптированных к природным условиям Пермского края, с минимизацией затрат на лесовосстановление» [3]. По данным таксационного учета 1996 г. запас приводится на выдел общей площадью 64 га. Для получения корректных экспериментальных данных оценивался запас на площади (около 3 га), где проводились экспериментальные исследования. При этом оценка запаса выполнялся с учетом упавших перестойных деревьев, составляющих 25-30 % от общего запаса. Объем ствола фиксировался по данным Timbermatic, а количество деревьев и обрабатываемая площадь - по результатам непосредственных измерений параметров ТП.

Основной целью эксперимента являлось исследование факторов, влияющих на синхронизацию технологического процесса заготовки древесины системой «харвестер - форвадер».

В качестве факторов рассматривались расстояние трелевки L, м и рейсовая нагрузка форвадера Q, шт., в качестве отклика - процент простоев системы «харвестер - форвадер» P. Для анализа зависимости между откликом и факторами использовалась модель второго порядка и соответствующий центральный ротататабельный композиционный план [5]. Матрица планирования и результаты эксперимента представлены в табл. 1.

48

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 4/2008

ЛЕСОИНЖЕНЕРНОЕ ДЕЛО

Таблица 1

Матрица планирования и результаты эксперимента

Матрица планирования Результаты

№ опыта L, м Q, шт. P

1 235 78 0,43

2 235 113 0,24

3 865 78 1,46

4 865 113 0,95

5 105 95 0,15

6 995 95 1,35

7 550 70 1,08

8 550 120 0,56

9 (C) 550 95 0,75

10 (C) 550 95 0,75

Таблица 2

Результаты дисперсионного анализа экспериментальных данных

Сумма квадра- тов df Среднее квадра- тическое отклонение F Р

L (лин.) 1,472701 1 1,472701 283,0984 0,000014

L (кв.) 0,000015 1 0,000015 0,0030 0,958657

Q (лин.) 0,254120 1 0,254120 48,8497 0,000923

Q (кв.) 0,004951 1 0,004951 0,9518 0,374068

Ошибка 0,026010 5 0,005202 283,0984 0,000014

Всего 1,761875 9

Экспериментальная модель основана на оценке главных эффектов и эффектов взаимодействия. Адекватность выбранной модели второго порядка оценивалась с использованием дисперсионного анализа (табл. 2) [4]. Ошибка дисперсионного анализа анализировалась по остаточной сумме квадратов. По результатам дисперсионного анализа видно, что статистически значимые эффекты (уро-веньp < 0,05) - линейные и квадратичные эффекты L и Q.

В ходе экспериментальных исследований в соответствии с показаниями информационной системы Timbermatic харвестера определены также следующие параметры ТП: «чистая» часовая производительность харвестера - 50 м3, средний объем сортимента - 0,2 м3, средний объем хлыста - 0,48 м3, расстояние между рабочими позициями - 3-4 м, расход топлива - 0,20 л/м3. В соответствии с показаниями информационной системы

TMC форвадера расход топлива составляет 0,052 л/м3-км, расстояние между рабочими позициями - 1-10 м. Это цикловая производительность, определенная без учета времени регламентированных простоев для довольно редких природно-производственных условий, характеризующихся запасом леса 440 м3/га и наличием большого количества упавших перестойных деревьев, которые также обрабатывались харвестером. Время отдыха оператора и ремонта машины составило 31 мин, а средняя часовая производительность за время наблюдений - 39 м3. Средняя часовая производительность за смену, снятая с монитора системы Timbermatic, составила 26,2 м3.

По итогам статистической обработки экспериментальных данных установлено:

1) продолжительность обработки одного сортимента харвестером подчиняется экспоненциальному закону распределения со средним значением 15,28816 с (76,44 с на 1 м3), средняя цикловая часовая производительность харвестера составляет 47,10 м3;

2) время сбора пачки форвадером подчиняется закону Г амма-распределения со средним значением 9,486345 с/сортимент (47,43 с/м3);

3) среднее время грузового хода форва-дера составляет 1,146 с/м (скорость 0,873 м/с);

4) время разгрузки пачки подчиняется экспоненциальному закону со средним значением 3,324778 с/сортимент (16,62 с/м3);

5) среднее время холостого хода форвадера составляет 0,999 с/м (скорость 1,001 м/с);

6) среднее расстояние грузового хода форвадера составляет 480 м;

7) среднее расстояние холостого хода форвадера составляет 593 м;

8) средняя рейсовая нагрузка форва-дера составляет 93,85714 сортиментов (18,77 м3);

9) объем группы сортиментов, захватываемой при сборе пачки грейфером манипулятора форвадера за один прием, подчиняется логнормальному закону со средним значением 2,354839 сортиментов (0,47 м3);

10) объем группы сортиментов, захватываемой при разгрузке пачки грейфе-

ЛЕСНОИ ВЕСТНИК 4/2008

49

ЛЕСОИНЖЕНЕРНОЕ ДЕЛО

ром манипулятора форвадера за один прием, подчиняется нормальному закону со средним значением 4,869919 сортиментов (0,97 м3);

11) диаметр сортиментов подчиняется логнормальному закону со средним значением 20,9322 см;

12) объем древесины, обрабатываемой харвестером с одной рабочей позиции, подчиняется закону ^-распределения со средним значением 1,22 м3;

13) среднее количество сортиментов, получаемых из одного дерева, составляет 2,5197;

14) средний объем сортимента составляет 0,23 м3.

Проверка экспериментальных данных на анормальность выполнена по критерию Греббса при доверительной вероятности p = 0,95. Относительная ошибка определения статистических оценок рассчитана при доверительной вероятности p = 0,9. Проверка согласия теоретического и эмпирического распределения выполнена по х2-критерию.

Анализ результатов обработки экспериментальных данных показал:

1. Среднее время на погрузку, транспортировку, разгрузку и холостой ход форва-дера составляет 118,82 с/м3.

2. Средняя «чистая» часовая производительность форвадера составляет 30,30 м3. Время отдыха оператора и ремонта гусеницы машины составило 50 минут. Средняя часовая производительность за время наблюдений - 25 м3. Однако проценты технологических простоев (по причине несоответствия интенсивностей функционирования харвестера и форвадера), полученные на основе цикловой (35,7%) и средней (35,9%) производительности практически совпадают.

3. Время простоев харвестера, вызванное несогласованностью по производительности с форвадером, составляет 42,38 с/м3 (35,7 %), объем избыточного межоперационного запаса, накапливаемого в системе, составляет 16,80 м3/ч (0,280 м3/мин).

Выводы

1) При описании отклика в виде процента простоев системы «харвестер - форва-дер» на основе модели второго порядка ста-

тистически значимые эффекты имеют все рассмотренные факторы - расстояние транспортировки и рейсовая нагрузка форвадера;

2) относительная ошибка определения статистических оценок параметров системы «харвестер - форвадер» составляет 3,36-9,98 %;

3) входящий поток рассматриваемой обрабатывающе-транспортной системы заготовки древесины является Пуассоновским (продолжительность обработки одного сортимента харвестером подчиняется экспоненциальному закону распределения), значит для описания ТП функционирования системы могут использоваться модели ТМО и формулы Эрланга;

4) для синхронизации ТП заготовки древесины в рассмотренных условиях целесообразно снизить среднее расстояние транспортировки до 200 м или изменить технологию разработки лесосек харвестером, например использовать технологии с сохранением подроста.

Библиографический список

1. Якимович, С.Б. Моделирование стохастических обрабатывающе-транспортных систем с перемещаемыми запасами/ С.Б. Якимович, М.А. Тете-рина // Вестник МГУЛ - Лесной Вестник». - М.: МГУЛ, 2007. - № 6. - С. 71-77.

2. Тетерина, М.А. Оптимизация интенсивности обработки предмета труда харвестером по критерию времени простоев / М.А. Тетерина // Электронное издание «Социально-экономические и технические системы». - Набережные Челны: ИНЭКА, 2006. - 4 с.

3. Обоснование ресурсосберегающих технологий лесопромышленного комплекса, адаптированных к природным условиям Пермского края, с минимизацией затрат на лесовосстановление: отчет о НИР (промежуточный) / Марийский государственный технический университет; рук. Якимович С.Б. - Гос. контракт № 01.29/07 с министерством промышленности и природных ресурсов Пермского края - Йошкар-Ола, 2007. - 500 с.

4. Боровиков, В.П. STATISTICA: искусство анализа данных на компьютере. Для профессионалов/ В.П. Боровиков - СПб.: Питер, 2001 - 656 с.

5. И1р://м'мм'.5ИЙ5Йса.т.Элекгронный учебник StatSoft.

6. Yakimovich, S.B. Transporting stocks logistics/ S.B. Yakimovich, M.A. Teterina// International virtual journal for science, technics and innovations for the industry «Machines, technologies, materials», Issue 4-5, - Sofia, Bulgaria. 2007. - pp. 35-39.

50

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 4/2008