Оптимизация заполняемости захватного-срезающего устройства пачкой деревьев

Размещено на http: //www. allbest. ru/

Поволжский государственный технологический университет, Йошкар-Ола, Россия

Оптимизация заполняемости захватного-срезающего устройства пачкой деревьев

Медяков Андрей Андреевич

Ласточкин Денис Михайлович

Семенов Константин Денисович

Аннотация

В работе решается задача уменьшения числа рейсов от дерева к месту его укладки за счет оптимизации заполняемости пачкового захвата деревьями известных объемов. Получены необходимые условия оптимальности. Разработан численный метод решения задачи оптимизации. Проведен численный эксперимент

Ключевые слова: пачка деревьев, заполняемость, оптимизация

Annotation

Technical sciences

Optimization of the fillability of claw-shearing device

Medyakov Andrei Andreevich

Cand.Tech.Sci.

Lastochkin Denis Mihajlovich

Cand.Tech.Sci.

Semenov Konstantin Denisovich

postgraduate student

Volga State University of Technology, Ioshkar-Ola, Russia

During the study, the authors have solved the problem of determining the minimum number of operations by optimizing fillability of a claw-shearing device with trees. Sufficient optimality conditions have been obtained. The numerical method for solving the optimization problem was developed. We have also performed a numerical experiment

Keywords: pack of trees, fillability, optimization

Введение

Традиционная для России хлыстовая технология заготовки древесины используется на лесопромышленных предприятиях крупного масштаба с производительностью в среднем от 100 000 м3 в год [1]. Основой современных машинизированных лесозаготовительных работ при хлыстовой технологии являются валочно-пакетирующие машины (ВПМ). Эти машины производятся как отечественными предприятиями, например, ООО «Лестехком» (ЛП-19) и ОАО «АОМЗ» (ЛП60-01А), так и известными зарубежными фирмами, например John Deere (900 серия) и Caterpillar (500 серия).

При разработке лесосек ВПМ выполняют процесс срезания дерева, вынос к месту пакетирования и укладку в пакет, поэтому производительность такой машины достаточно высокая, до 1000 м3 в смену.

ВПМ оснащаются захватно-срезающими устройствами (ЗСУ), установленными или на саму лесозаготовительную машину, или на манипулятор (Рисунок 1) [2].

Рисунок 1 Компоновочные схемы ЗСУ на ВПМ: а- гусеничная ВПМ с манипулятором; б- гусеничная ВПМ; в- колесная ВПМ с манипулятором; г- колесная ВПМ

ЗСУ выполняет несколько операций и в основном предназначено для захвата ствола дерева, его срезания, надежного удержания при переносе и направленной укладки. Для повышения производительности ЗСУ, при уборки деревьев различного объема, такие устройства увеличивают объем захвата за счет оснащения накопителем (дополнительными рычагами захвата с подвижной носовой секцией) для удержания при срезании в захвате сразу нескольких деревьев, т.е. пучка с последующей укладкой в пачку (Рисунок 2).

Пример валочно-пакетирующей машины ЛП-19 с головкой, с накопителем спиленных деревьев в захвате представлен на рисунок 3 [3]. ЗСУ с накопителем ЛП-19 способно срезать деревья максимального диаметра 0,52 м в месте пропила и накапливать до 7 деревьев диаметром по 0,2 м. Производительность такой машины по чистому времени работы при среднем объеме хлыста 0.3 м3, составляет 170 шт./час.

Рисунок 2 Рычаги захвата деревьев ЗСУ ЛП-19 (снизу рычаги накопителя)

Рисунок 3 Валочно-пакетирующая машина ЛП-19 с накопителем

Вне зависимости от способа крепления ЗСУ технологический процесс срезания дерева все равно будет связан с движением самой машины или манипулятора, что требует определенные временные и энергетические затраты [4].

Анализ валочных головок с накопителем различных производителей показывает, что максимальные диаметры срезаемых деревьев в среднем составляют 60 см, при этом количество удерживаемых одновременно деревьев в основном составляет 7-8 при диаметре 0,2 метра каждого. А для обычных валочных головок максимальных диаметр срезаемого дерева доходит до 90 см.

Но такой подход не полностью обеспечивает оптимальную заполняемость захвата пучком деревьев разного диаметра и, следовательно, теряется часть рабочей эффективности.

Поэтому если заранее знать распределение объемов деревьев на лесосеке можно подобрать оптимальное сочетание объемов срезаемых деревьев для удержания в пучке и, следовательно, сократить число переместительных операций и движений лесозаготовительной машины.

Цель исследования: определение оптимально возможных, т.е. минимальных, вариантов комбинации пучков (пачек) деревьев, вывозимых/выносимых машиной из модельной лесосеки с максимальной заполненностью площади зева захвата.

Задачи, решаемые в ходе выполнения работы включают:

- составление алгоритма формирования максимальной компоновки захвата с учетом минимального количества пачек модельной лесосеки;

- разработка математической модели определения числа пачек с максимальной заполненностью деревьями площади захвата и, следовательно, числа транспортных операций;

- анализ результатов моделирования оптимальной компоновки пачек деревьев в захвате валочной головки модельной лесосеки ;

- формирование комплекта рекомендации?.

В качестве главных допущении?, применяемых в процесс формирования обобщённой математической модели, используем следующие:

1) захват образует зев круглого сечения;

2) все деревья однородные с круглым сечением;

3) все деревья являются абсолютно жесткими телами, не поддающимися смятию;

4) в расчете не учитываются разброс и расстояние между деревьями.

1. Алгоритм формирования различных комбинаций пачек деревьев

рейс дерево захватный оптимизация

- Формирование исходных данных, определение граничных условий;

- Расчет количества поездок на га;

- Расчет доли пачки на дерево;

- Формирование комбинаций пачек деревьев с учетом ограничений;

- Использование функции «Поиск решения»;

- Анализ и выводы.

Математическое моделирование

Для оптимизации заполняемости валочного устройства с накопителем пачкой деревьев при лесозаготовке была составлена математическая модель, описывающая процесс формирования пачек деревьев различных объемов и вывоз/вынос их из лесосеки до места укладки. В качестве входных величин были использованы параметры деревьев модельной лесосеки и значение площади зева захвата (Таблица 1).

Таблица 1 Входные данные для математического моделирования

На основании параметров деревьев, предназначенных для вырубки, определялись возможные варианты сборных пачек (Рисунок 4), формируемых из различных деревьев, и параметры заполненности захвата, характеризующие насколько полно используется накопитель деревьев при вывозе конкретной сборной пачки. В результате было выделено 8 вариантов сборных пачек. Указанная математическая модель была реализована в Microsoft Office Excel, для оптимизации была использована функция «Поиск решения».

Рисунок 4 Вид части окна моделирования состава сборных пачек и параметров заполненности

В рамках оптимизации исследовался наиболее эффективный состав сборных пачек при вывозе всех деревьев, подлежащих вырубке. В качестве критериев оптимизации использовались по отдельности условия минимума числа поездок и максимума суммарной заполненности пачек.

Результаты моделирования

На рисунках 5, 6 представлены результаты оптимизации по критерию минимума числа поездок с нулевых и максимальных начальных значений. В первом случае состав сборных пачек с 1 по 8 - 45, 93, 1, 21, 25, 41, 2, 3, при суммарном числе поездок 256.

Во втором случае состав сборных пачек с 1 по 8 - 21, 47, 10, 22, 20, 54, 72, 5, при суммарном числе поездок 276. Видно, что для выбранных условий оптимизации разброс значений достаточно велик.

Рисунок 5 Результаты оптимизации по числу поездок с нулевых начальных значений

Рисунок 6 Результаты оптимизации по числу поездок с максимальных начальных значений

На рисунках 7, 8 представлены результаты оптимизации по критерию максимума суммарной заполненности пачек с нулевых и максимальных начальных значений. В первом случае состав сборных пачек с 1 по 8 - 45, 95, 1, 14, 9, 56, 0, 10, при суммарной заполненности пачек 0,99 и числе поездок 255. Во втором случае состав сборных пачек с 1 по 8 - 63, 77, 12, 4, 0, 70, 0, 4, при суммарной заполненности пачек 0,99 и числе поездок 255. Видно, что для выбранных условий оптимизации разброс значений критериев минимален. Таким образом, использование критерия суммарной заполненности пачки дает более точные значения при оптимизации. При этом при близких значениях критериев были получены совершено различные варианты количества конкретных сборных пачек, что говорит о множественности вариантов комбинаций.

Рисунок 7 Результаты оптимизации по суммарной заполненности пачек с нулевых начальных значений

Рисунок 8 Результаты оптимизации по суммарной заполненности пачек с максимальных начальных значений

Выводы

Таким образом, в рамках оптимизации установлено, что возможны различные варианты комбинации количества различных сборных пачек в общем объеме вырубки, при которых могут быть получены оптимальные параметры минимального количества поездок и максимальной заполненности пачек.

Для условий моделирования оптимальными оказались следующие составы сборных пачек с 1 по 8 - 45, 95, 1, 14, 9, 56, 0, 10 и 63, 77, 12, 4, 0, 70, 0, 4, при которых суммарная заполненность пачек достигла 0,99 и минимальное число поездок составило 255.

Представленные подходы оптимизации могут быть использованы для подбора состава оптимальных сборных пачек для любых условий работы.

Библиографический список

1. Александров В.А. Механизация лесосечных работ в России. СПбЛТА, 2000. 208 с.

2. Сидыганов, Ю.Н. Модульные машины для рубок ухода и лесовосстановления: монография/Ю.Н.Сидыганов, Е.М.Онучин, Д.М.Ласточкин. -Йошкар-Ола: Марийский государственный технический университет, 2008. -336 с.

3. ООО фирма «ЛЕСТЕХКОМ» [Офиц. сайт]. URL: http://lestechcom.ru/ (дата обращения: 10.09.2015).

4. Онучин, Е.М. Формирование территориальных агролесоводственных биоэнергетичсеких комплексов на основе технологий интенсивного лесопользования / Е. М. Онучин, Д.И. Мухортов, А.А. Медяков // Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета. - 2012. - № 82. с. 510-520.

References

1. Aleksandrov V.A. Mehanizacija lesosechnyh rabot v Rossii. SPbLTA, 2000. 208 s.

2. Sidyganov, Ju.N. Modul'nye mashiny dlja rubok uhoda i lesovosstanovlenija: monografija/Ju.N.Sidyganov, E.M.Onuchin, D.M.Lastochkin. -Joshkar-Ola: Marijskij gosudarstvennyj tehnicheskij universitet, 2008. -336 s.

3. OOO firma «LESTEHKOM» [Ofic. sajt]. URL: http://lestechcom.ru/ (data obrashhenija: 10.09.2015).

4. Onuchin, E.M. Formirovanie territorial'nyh agrolesovodstvennyh biojenergetichsekih kompleksov na osnove tehnologij intensivnogo lesopol'zovanija / E. M. Onuchin, D.I. Muhortov, A.A. Medjakov // Politematicheskij setevoj jelektronnyj nauchnyj zhurnal Kubanskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta. - 2012. - № 82. s. 510-520.

Размещено на Аllbеst.ru