Производительность оборудования для окончательной обработки пиломатериалов
В состав основного технологического оборудования для окончательной обработки пиломатериалов входят пакето- и штабелеформирующие машины и линии (ПФЛ и ШФЛ), браковочноторцовочные, сортирующие линии (БТСЛ) для сортировки пиломатериалов по сортам после сушки и их окончательной торцовки, устройства (линии) для сортировки досок по длинам (УСД) и комплексные линии для окончательной торцовки и сортировки пиломатериалов по сортам и длинам (ЛООП).
На стадии опытно-промышленных образцов в 1960-х годах для формирования сушильных пакетов была выпущена отечественная пакетоформирующая линия ПФМ-10 с пропускной способностью 15; 21; 30 досок в минуту. Затем для лесоэкспортных предприятий в Финляндии были закуплены пакето- и штабелеформирующие машины и линии фирм «Каукас» «Plan-Sell» с пропускной способностью 22,..65 досок в минуту и «Валмет» — 60...120 досок в минуту.
Производительность (м3 в смену) пакето- и штабелеформирующих машин и линий определяется по формуле
где Qп — пропускная способность, досок в минуту; Кис пфм(шфл) — коэффициент использования машин и линий; Tc — время смены, мин; qср — средний объем перерабатываемых досок, м3.
Коэффициент использования машин и линий вычисляется по формуле
Здесь Σtпл.пр пфм(шфл) — планируемые простои, связанные с организацией рабочего места, регулированием, смазкой механизмов в течение смены, перерывами в работе при пересменке и др., мин; Σtсл.пр пфм(шфл) — перерывы в работе оборудования из-за. его отказов в работе (время на их устранение), мин; Σtтехн пфм(шфл) — потери рабочего времени, связанные с транспортировкой (уборкой с места формирования) сушильного пакета, штабеля; подборкой длинных досок в нижние ряды и стыковки коротких досок в центре пакета; регулировкой механизмов при переходе на формирование сушильного пакета, штабеля из досок другого сечения (толщины) и др., мин; Σtз пфм(шфл) — потери рабочего времени, связанные с загрузкой машин и линий и вызванные неритмичностью производственного процесса, неподачей очередной партии досок определенного сечения и другими причинами, мин.
При формировании сушильного штабеля из досок сечением 25 х 150 мм и средней длиной 4,2 м расчет производительности штабелеформирующей линии (м3 в смену) производим следующим образом:
Производительность пакето- и штабелеформирующих машин и линий (м3 в год, месяц) вычисляется по формуле
где Qфi пфм(шфл) — производительность машин, линий при формировании сушильного пакета, штабеля из досок i-го сечения и средней длины; λI — доля (вероятность) досок i-гo сечения; n — число сечений досок.
Среднесменная фактическая производительность браково-торцовочных линий (БТСЛ) (м3 пиломатериалов в смену) определяется по формуле
где Tc — время смены, мин; Кис бтсл — коэффициент использования БТСЛ; n — число сечений перерабатываемых пиломатериалов; Qni н — нормативная пропускная способность линии при обработке досок i-гo сечения, досок в минуту; qср — средний объем доски г-го сечения, м3; λi — доля досок i-ro сечения.
Общий вид формулы для коэффициента использования BTCЛ не отличается от формулы (12.2). Однако их составляющие различаются значительно как от линий формирования сушильных пакетов и штабелей, так и между BTCЛ и ЛООП. Поэтому ниже приведена общая формула коэффициента использования БТСЛ:
где Σtпл.пр бтсл — планируемые простои БТСЛ в течение смены на осмотр механизмов, их регулировку, смазку и т. д., мин; Σtсл.пр бтсл — случайные простои из-за отказов механизмов, линии, т.е. время, необходимое для обнаружения и устранения отказов в течение смены, мин; Σtтехн бтсл — технологические потери времени на пере ходы линии на обработку партий пиломатериалов другого сечения, на БТСЛ — это время на удаление пакетов или пачек досок из подстойных мест (линии типа «Рауте») или карманов (линии типа БТСМ-6). К технологическим потерям времени относятся также простои, связанные с остановками линии для осмотра досок, сложной браковки операторами, поправкой досок (в случае попадания доски в две пары упоров) и др., мин; Σtз бтсл — сумма потерь времени из-за отсутствия партий пиломатериалов определенных сечений, вспомогательного транспорта и др., связанных с загрузкой БТСЛ, мин.
Рабочий на участке приема досок линии «Sateko» выполняет значительное количество ручных операций. Поэтому пропускная способность этих линий в зависимости от размера досок, по данным Архангельского государственного технического университета, например, для досок сечением 22 х 100 мм составляет = 50 досок в минуту, а 75 х 100 мм — 30 досок в минуту.
Линии «Sateko» не имеют ни предкарманыиков, ни резервных карманов. Поэтому на время выгрузки пачки досок из кармана, соответствующей размеру формируемого транспортного пакета, линия останавливается на несколько минут. Кроме этого, на данных линиях рабочие вручную отбирают (отбрасывают) короткие и несоответствующие сорту доски, что также несколько уменьшает производительность линии. Поэтому технологические потери линий «Sateko», включая основные потери рабочего времени от перехода на другое сечение и сорт досок, могут составлять до 2 ч и более.
На линии УСД-18 уже были предусмотрены предкарманники, позволяющие накапливать определенное число досок тех или иных длин для формирования следующих пакетов во время выгрузки карманов. Последние специализированы на прием досок только определенных длин. Это позволяет несколько снизить металлоемкость линий и иметь упрощенную систему адресования досок с расстановкой конечных включателей в шахматном порядке, когда в начале участка сортировки располагаются карманы для длинных досок, а затем для досок с постепенным убыванием их длины. В этом случае каждая доска в зависимости от ее длины как бы ищет свой карман. Однако ограниченная емкость предкарманников приводит к тому, что не успевают карманы для досок преобладающих длин опорожниться, как пред-карманники уже заполнены и линию приходится останавливать.
Расчет производительности линий типа «Sateko» и УСД-18 практически производится по типу формул (12.1) и (12.2).
При расчете производительности комплексных ЛООП важное значение имеют следующие виды их производительности: 1) средняя производительность, досок в минуту; 2) среднесменная фактическая производительность ЛООП по входу (пропуску), м3 пиломатериалов в смену; 3) среднесменная фактическая производительность ЛООП по выходу пиломатериалов в кондиционных пакетах, т.е. транспортных пакетов из досок одной длины, м3 в смену.
Средняя производительность ЛООП (шт. досок в минуту) должна быть не менее чем на 5...10 % больше средней интенсивности поступления досок из лесопильного цеха (шт. досок в минуту) (см. формулу (10.7)). На основе этого расчета выбирают тип и число ЛООП, уточняют нормативную пропускную способность Qni и режим работы этих линий: в две, три смены или по скользящему графику,
Нормативная пропускная способность линии зависит от соответствия информационной загрузки, пропускной способности (разрешающей возможности) операторов—контролеров, качества пиломатериалов, обрабатываемых на линии. Пропускная способность ЛООП, эксплуатируемых на лесопильных заводах, колеблется от 40 до 60...70 досок в минуту при трех «вершинных» и двух «комлевых» операторах в зависимости от групп сложности оценки качества пиломатериалов. Большое влияние на уровень пропускной способности оказывают качество древесины обрабатываемых пиломатериалов, степень их предварительной подготовки в лесопильном цехе, а также соответствие дробности и точности сортировки пиловочных бревен применяемым для их распиловки поставам.
Пропускная способность (разрешающая возможность) операторов—контролеров качества пиломатериалов зависит от их квалификации, психофизических факторов (инерционность зрения и памяти), реакции на выдачу команды и других эргономических факторов (удобства управления, осмотра, конструкции пульта, шума, освещения, отопления и др.), а также от числа сортов (назначений) пиломатериалов.
Средняя фактическая производительность ЛООП (шт. досок в минуту) определяется по формуле
где Кис лооп — коэффициент использования ЛООП; Qni н — нормативная пропускная способность ЛООП при обработке досок i-го сечения, досок в минуту; n — число сечений досок, обрабатываемых при определенной пропускной способности линии; λi — доля досок i-ro сечения, обрабатываемых при определенной ni-й пропускной способности.
Формула для коэффициента использования ЛООП по своей форме не отличается от формулы (12.3). Однако содержание ее составляющих от составляющих формулы для Кис бтсл отличается весьма существенно. Так, в Σtпл.пр лооп — планируемые простои в течение смены на осмотр механизмов, их регулировку, смазку и т. д. входит время на регулировку системы управления и адресации при переходе на обработку других сечений пиломатериалов, изменение системы адресации досок, например, при работе не трех, а двух «вершинных» бракеров и в некоторых других случаях. При непосредственной блокировке ЛООП с лесопильным цехом Σtпл.пр лооп равна планируемым простоям бревнопильных линий Σtпл.пр бл, так. как на это время может одновременно останавливаться оборудование всего лесопильного комплекса (цеха). В Σtсл.пр лооп входят случайные простои из-за отказов не только механизмов линии» но и системы ее управления.
Наибольшее различие имеется в технологических потерях времени Σtтехн лооп, так как ЛООП имеет, как правило, более 30 карманов, а не несколько подстопных мест, как на БТСЛ. Поэтому время перехода с одного сечения пиломатериалов на ЛООП занимает до 1 ч и более. При укрупненных расчетах время перехода (мин) может быть рассчитано по формуле
где nк — число карманов на линии; nдос — количество досок заданного поперечного сечения в транспортном пакете; Qи.y — производительность укладчика транспортного пакета, досок в минуту; Kис.у — коэффициент использования пакетоукладчика,
Пример. Пусть nк = 36 карманов; nдос = 25С досок; Qи.у = 90 досок в минуту; Kис.у = 0,9. В этом случае tпер (мин) вычисляем по формуле
К технологическим потерям времени также относятся простои, связанные с остановками линии во причине перекосов, например, легких и коротких досок в подающих устройствах. Для ликвидации этих перекосов иногда на линии дополнительно стоят один или два рабочих. Наблюдениями подтверждено, что наиболее эффективна обработка на лини центральных (толстых), как правило, длинных досок, например, толщиной 32...50 мм и шириной 100...150 мм. Сумма потерь времени Σtз лооп по загрузке в определенной степени связана с количеством обрабатываемых сечений за оперативный период работы предприятия, режима работы линии (двух или трехсменная работа в выходные дни, скользящий график работы) и объемам партий запуска пиломатериалов на ЛООП. Высокий уровень достоверности этих расчетов может быть получен только при имитационном моделировании процессов окончательной обработки пиломатериалов в системе лесопильный цех—камерная сушка— окончательная обработка пиломатериалов.
Допустим, что средняя интенсивность поступления досок из лесопильного цеха составляет 52 доски в минуту (как правило, лесопильный цех работает в две смены). Поэтому рациональным режимом работы ЛООП является, например, ее работа по скользящему графику в пределах трех смен.
Чтобы избежать снижения сорта и уменьшения объема, обычно при меньших пропускных способностях обрабатывают более дорогие пиломатериалы, как правило, толстые.
Значительное влияние на разрешающую возможность браке-ров-операторов оказывает недостаточный уровень специализации предприятий по качеству сырья, подготовки пиловочника к раскрою и выборочной торцовки досок (в особенности тонких) в лесопильном цехе. Это также приводит к тому, что иногда 20...30 % пиломатериалов, отбракованных по ГОСТ 8486—86, попадают в низшие сорта из-за обзола и других причин. При недостаточном качестве выборочной торцовки пиломатериалов в лесопильном цехе происходит увеличение доли отрезков на ЛООП, снижение пропускной способности сушильных камер и уменьшение выхода кондиционной технологической щепы из сухих отрезков. Уменьшения влияния негативных факторов можно добиться не только повышением качества пиловочника, его подготовки к раскрою и улучшением выборочной торцовки досок, но и их сортировкой с учетом влажности. Проведенные Санкт-Петербургской ЛTA исследования также показывают эффективность сортировки сырых пиломатериалов с учетом места их вырезки из бревна и раздельной сушки ядровых и ядрово-заболонных досок. При этом улучшается качество высушиваемых пиломатериалов и сокращается продолжительность сушки ядровых досок более чем на 20 %.
При этом следует учитывать следующее. Если производится сушка пиломатериалов, не имеющих определенного назначения (например, обычных товарных пиломатериалов на экспорт или на внутренний рынок), то достаточно рассортировать их по толщинам для проведения рациональной сушки. При использовании пиломатериалов в определенных производствах (например, в мебельном и других) целесообразна их сортировка на ядровые и ядрово-заболонные доски.
Финская фирма «Валмет» увеличила пропускную способность ЛООП до 120 досок в минуту за счет оценки сорта и определения места торцовки досок не тремя, а четырьмя «вершинными» бракерами-операторами. На участке оценки и торцовки комлевого конца досок установлен многопильный торцовочный агрегат-тримммер, а на участке определения сорта и торцовки вершинного конца досок — 5-пильный триммер. Перед каждым из операторов, оценивающих комлевой конец доски, имеется кантователь. Оценка досок производится «комлевым» оператором через одну, по типу работы участка оценки вершинного конца досок на линии «Plan-Sell». Место торцовки комлевого торца оператор определяет с помощью луча лазера, пермещающегося по длине доски в пределах от 0 до 1800 мм. Информация о месте торцовки передается в ЭВМ, которая управляет установкой доски относительно нулевой (постоянно опущенной) пилы триммера так, что длина выходящего за нее участка доски не превышает 300 мм. Одновременно с торцовкой комлевого производится торцовка вершинного конца доски на ее максимальную длину, что облегчает работу «вершинных» операторов.
Оценка сорта и определение места торцовки вершинного конца досок производятся четырьмя «вершинными» операторами при помощи специальных устройств (рис. 12.4), которые подают очередные доски с поперечного транспортера с упорами на места их оценки, поворачивают доски и синхронно возвращают в поток. Таким образом, каждый из операторов видит только ту доску, которую он оценивает в данный момент. При этом доска определенное время находится перед оператором в неподвижном состоянии. При необходимости по команде оператора от вершинного конца доски может быть оторцован отрезок длиной до 1,5 м (5 градаций длины по 300 мм). На линии предусмотрено постепенное опускание дна кармана-накопителя по мере его заполнения, что предохраняет доски от повреждения при падении.
В любых типах технологических процессов лесопиления производительность и эффективность оборудования в значительной мере зависят от соответствия информационной загрузки пропускной способности операторов. Особое значение это имеет на ЛООП. Их эффективность в основном определяется возможностью трех или четырех «вершинных» операторов работать с допустимой (95%) точностью при стоимости каждой линии больше 1...1,5 млн дол. США.
Пропускная способность оператора Qп.о зависит от его квалификации Кв; качества К и размеров (длины, ширины и толщины) пиломатериалов Раз; интенсивности поступления информации Ин; продолжительности работы Пр; психологических факторов Пс (инерционность зрения и памяти, реакция выдачи команды и др.); эргономических факторов Эр (удобства управления, осмотра, конструкции пульта, шума освещения, отопления и др.), а также от числа сортов — назначений сортируемых пиломатериалов С и требований к их раскрою Р:
Скорость переработки информации операторами характеризуется количеством информации, перерабатываемой ими в единицу времени. Количество информации измеряется в битах — двоичных единицах. Их смысловое значение характеризуется количеством информации, получаемой при осуществлении одного из двух равновероятных событий (да, нет): I = -Iog20,5 = 1 бит. Доска — сложный объект биологического происхождения. Отнесение ее к определенной группе качества производится на основе восприятия сообщений о пороках, их размерах и количестве на единицу длины. Скорость переработки информации «вершинным» оператором (бит/с) прямо пропорциональна количеству всей информации I, которую нужно перерабатывать для определения сорта доски и места торцовки ее вершинного конца, а также числу досок, поступающих в минуту на участок при условии визуального контроля их качества (определения сорта) с 95 %-й точностью.
Скорость переработки информации оператором в различных производственных системах составляет от 0,2 до 10 бит/с и более. Такой значительный разброс объясняется различиями в характере операций и методах расчета информации.
Количество информации о качестве доски определяется по статистическим данным, полученным в результате эксперимента. Так, общее количество информации о качестве доски при условии наличия на ней максимального числа пороков равно примерно 16 бит. Оно складывается из сообщений о наличии определенных пороков (наружная трухлявая гниль и т. д.) — 10...11 бит, признаков пороков и их размеров (обзол и т. д.) — 3 бита и количестве пороков на единицу длины пиломатериалов — 2 бита. Обратим внимание, что если учитывать не группы, виды и разновидности пороков, а, например, только группы, количество информации о качестве доски, имеющей в себе все группы пороков, может составить только примерно 2 бита. Иными словами, количество информации о качестве доски в расчетах зависит от числа учитываемых признаков и их значений. Фактическая пропускная способность операторов от характера расчетов и количества учитываемой информации, естественно, не изменится. Однако только углубленные исследования в этом направлении способствуют более достоверному прогнозированию рациональных уровней пропускной способности ЛООП и разработке эффективных обучающих программ для тренажеров. Это позволяет при подготовке контролеров качества и совершенствовании их квалификационных навыков на 15...20 % увеличить фактическую производительность таких линий при работе на них операторов с допустимой 95 % -й точностью.
При работе ЛООП главным является определение оптимальной интенсивности поступления досок на участок визуального контроля качества и торцовки, т. е. соответствие пропускной способности линий Qп нормативной, фактически возможной пропускной способности операторов.
Напряженность работы бракеров-операторов весьма велика. Так, при обработке пиломатериалов IV сорта оператор с допустимой точностью может работать только 30 мин. Контролировать качество бессортных пиломатериалов оператор может уже до 3 ч, что связано с легкостью определения качества пиломатериалов, так как некоторые группы пороков в этих пиломатериалах вообще не допускаются.
Поэтому целесообразна смена бракеров несколько раз в течение их рабочего времени. Это можно осуществить, если бригада рабочих-бракеров состоит из 9 или 12 человек, которые большую часть рабочего времени выполняют операции, не связанные с браковкой досок (на участке загрузки, в зоне сортировочных карманов и др.).
Повышение квалификации бракеров с использованием тренажеров с обучающими программами (наборами тестов, изображающих доски с различными пороками и в различных сочетаниях) на десятки процентов увеличивает их пропускную способность. В настоящее время в связи с развитием применения персональных ЭВМ целесообразно создавать тренажеры на их базе. Удачные с инженерно-психологической точки зрения решения органов управления и их расположения, режимов работы операторов и другие эргономические факторы позволяют иметь большую пропускную способность и, что особенно важно, большую эксплуатационную надежность системы человек—машина в результате уменьшения числа ошибок операторов.
Следует иметь в виду, что в автоматизированных процессах требования к интеллекту, моральным качествам и психологическим характеристикам человека не только не снижаются, но наоборот, значительно возрастают.
На рис. 12.5 представлен общий вид линии для окончательной обработки пиломатериалов финской фирмы «Jarme» с четырьмя операторами определения качества и длины торцовки вершинной части пиломатериала. Линии такой конструкции предлагаются фирмой в начале XXI в.
Некоторые фирмы стремятся к автоматизации процесса определения качества (сорта) сухих пиломатериалов в процессе их обработки. Оценка доски производится при ее продольном движении через измерительное устройство, пропускная способность которого зависит от конструктивного решения и колеблется от 30 до 50 досок в минуту. Это несколько меняет компоновку ЛООП по сравнению с традиционной. В настоящее время автоматически замеряются обзол, размер сучков, количество сучков и кривизна пласти досок. Эти данные передаются ЭВМ, которая обрабатывает информацию с учетом стоимости пиломатериалов и принимает решения по оптимальному размеру (длине) досок и соответствующей оторцовке их вершинного и комлевого концов. Считается, что автоматическая сортировка пиломатериалов по качеству может повысить экономическую эффективность, например, финского лесопильного предприятия в среднем на 3...5 %.
Среднесменная фактическая производительность ЛООП (м3 в смену) по входу (пропуску) пиломатериалов рассчитывается по формуле
Здесь qcp — средний объем доски i-ro сечения, м3; λi — доля досок i-ro сечения.
Значения средних объемов доски i-гo сечения qсрi и доли досок i-гo сечения λi могут быть взяты из распечаток планирования раскроя пиловочника на пиломатериалы. Например:
Среднесменная фактическая производительность ЛООП (м3 в смену) по выходу пиломатериалов в кондиционных транспортных пакетах, т.е. из досок одной длины определяется по формуле
где Ккпi — коэффициент кондиционных транспортных пакетов из досок одной длины i-го сечения в партии их запуска.
Исходя из предыдущих примеров расчета Qф.ср вых.лооп = 344 х 0,324 = 111,45 м3 в смену.
В настоящее время коэффициент использования ЛООП на отечественных предприятиях зачастую бывает менее 0,7. Это объясняется рядом причин и, в частности, плохой подготовкой досок в лесопильном цехе, вследствие чего только по этой причине технологические потери времени Σtтехн лооп могут быть увеличены на 10 % от времени смены, т. е. на 48 мин.
Значительное влияние на коэффициент использования ЛООП оказывает число обрабатываемых сечений пиломатериалов за оперативный период времени и объем партий запуска.
Первые расчеты по объему партий запуска пиломатериалов были предложены профессором В. Г. Турушевым.
При укрупненных расчетах объем партий запуска пиломатериалов определенного сечения (м3) на ЛООП может быть определен по формуле
Таким образом, при определении доли j-x сортов досок в партии запуска следует исходить из статистического баланса обрабатываемых пиломатериалов. Так, при Pi = 0,36 и S = 1 м2; lcp = 4 м; nдл = 12 и заданном Kкj = 0,9
При поперечном сечении пакета не 1 м2, а 0,85 х 0,8 = 0,68 м2 при прочих равных условиях Fп будет равна уже 700 м3, а при сечении пакета. 0,45 х 0,45 = 0,2 м2 Vп = 200 м3.
Формирование транспортных пакетов с уменьшенным поперечным сечением S позволяет при обработке партий запуска пиломатериалов объемом несколько сотен кубометров иметь более высокий коэффициент кондиционности транспортных пакетов из досок одном длины в партии запуска. Однако при больших объемах партий запуска (Fп > 2000 м3) поперечное сечение пакетов практически не оказывает влияния на выход пиломатериалов в пакетах из досок одной длины.
На установленных на отечественных лесопильных заводах линиях «Plan-Sell» формирование малых пакетов и блок-пакетов, как правило, не производится. Между тем пакетирование досок во время перехода с одного сечения на другое в кондиционные пакеты меньших сечений позволяет увеличить коэффициент кондиционости транспортных пакетов.
Фактическая производительность ЛООП (м3 в год (за оперативный период)) по входу (пропуску) пиломатериалов определяется по формуле
где Qф.срi вх.лооп — среднесменная фактическая производительность ЛООП по входу (пропуску) пиломатериалов i-гo сечения, м3 в год (за оперативный период); λ1 — доля пиломатериалов i-гo сечения; Tг — число смен работы линии в год (за оперативный период); Kг — поправочный коэффициент на среднегодовые условия; n — число сечений пиломатериалов, обрабатываемых в год (за оперативный период).
Проведение многофакторных экспериментов на модели системы камерная сушка—ЛООП позволило установить зависимость фактической производительности ЛООП (по пропуску) от основных параметров процесса: μ — интенсивности обработки досок; Zcp и Icp — среднего поперечного сечения и средней длины досок; nz — числа сечений обрабатываемых на линии пиломатериалов; μ/λ — отношение интенсивности обработки пиломатериалов на линии к интенсивности их поступления из сушильных камер. Эти факторы в порядке их значимости расположились следующим образом: Qф пр = f(μ; Zcp; lcp; n2; μ/λ).