CC BY
12
ISSN 2542-1468, Лесной вестник /Forestry Bulletin, 2017. Т. 21. № 5. С. 12-16. © МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2017
Лесоинженерное дело Экспериментальное исследование...
УДК 630.3 DOI: 10.18698/2542-1468-2017-5-12-16
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ФАКТОРОВ СИНХРОНИЗАЦИИ МАШИН В СИСТЕМЕ ДЛЯ ЗАГОТОВКИ СОРТИМЕНТОВ В УСЛОВИЯХ ЛИСТВЕННОГО ХОЗЯЙСТВА ПРИ РАБОТЕ С СОРТИРОВКОЙ
М.А. Тетерина
Уральский государственный лесотехнический университет, 620100, г. Екатеринбург, Сибирский тракт, д. 37 [email protected]
Представлены результаты эксперимента по оценке факторов синхронизации машин в системе «харвестер — форвардер» при заготовке лиственных сортиментов. Эксперимент проведен в марте 2014 г. на базе арендуемых лесных участков и парка машин (харвестер John Deer 1470D и форвардер Komatsu 830.3) ООО «Лестех». Эксперимент выполнен на основе центрального ротатабельного композиционного плана. В ходе эксперимента зафиксированы простои харвестера. Средний процент простоев харвестера составил 76,21. По результатам дисперсионного анализа установлено, что в условиях лиственного древостоя такие факторы синхронизации машин, как рейсовая нагрузка транспортной машины и расстояние трелевки, являются статистически значимыми: уровень значимости при оценке по критерию Фишера не превышает 0,27 %. Изложенное подтверждено также результатами оценки эффектов факторов эксперимента на основе /-критерия и оценки параметров модели регрессии для стандартизированных и исходных значений уровней факторов. Соответствующие данным результатам значения коэффициента детерминации и скорректированного коэффициента детерминации составили соответственно R2 = 0,9956 и Я2шр = 0,99011, что свидетельствует о высокой дисперсии, обусловленной выбранной экспериментальной моделью. Представлена полученная на основании данных результатов зависимость отклика эксперимента (доля простоев машин в системе) от упомянутых факторов, которая проиллюстрирована трехмерным и контурным графиками. Степень соответствия полученной зависимости экспериментальным данным продемонстрирована на диаграмме рассеяния наблюдаемых и предсказанных значений отклика. Достоверность результатов дисперсионного анализа подтверждена нормальным вероятностным графиком остатков. Даны рекомендации по снижению простоев харвестера в рассматриваемых условиях.
Ключевые слова: синхронизация, эксперимент, рейсовая нагрузка, расстояние трелевки, лиственное хозяйство, дисперсионный анализ, регрессионное уравнение
Ссылка для цитирования: Тетерина М.А. Экспериментальное исследование факторов синхронизации машин в системе для заготовки сортиментов в условиях лиственного хозяйства при работе с сортировкой // Лесной вестник / Forestry Bulletin, 2017. Т. 21. № 5. С. 12-16. DOI: 10.18698/2542-1468-2017-5-12-16
Синхронизация машин в системах заготовки сортиментов [1] обеспечивается соответствующими значениями интенсивности операций технологического процесса [2, 3], которые определяются природно-производственными условиями, в том числе таксационными характеристиками древостоя, такими, например, как породный состав. Экспериментальные исследования, проведенные в условиях хвойных древостоев [4, 5], свидетельствуют о значительных простоях харвестеров и возможности их снижения за счет управления рейсовыми нагрузками форвардеров и расстояниями трелевки [6, 7]. Для оценки процента простоев и исследования факторов синхронизации машин при заготовке лиственных сортиментов при наличии операции сортировки по породам выполнен соответствующий эксперимент.
Цель и методика исследований
Эксперимент проведен с участием магистранта ДО. Погудина в марте 2014 г. на территории Зен-ковского участкового лесничества ГКУ СО «Ала-паевское лесничество» на базе арендуемых лесных участков (квартал 264, выдел 2, площадь 7 га)
и парка машин (харвестер John Deer 1470D и форвардер Komatsu 830.3) ООО «Лестех» в следующих природно-производственных условиях: способ рубки — санитарная, вид рубки — главное пользование, способ трелевки — в сортиментах, хозяйство мягколиственное, состав древостоя 6Б3Е1К+С, высота 20 м, диаметр 20 см. Технологическая схема разработки лесосеки представлена на рис. 1.
Результаты исследований
Результаты эксперимента, выполненного на основе центрального ротатабельного композиционного плана [8], представлены в табл. 1. В ходе эксперимента установлено, что в условиях лиственного хозяйства при работе с подсортировкой простаивает харвестер.
Для анализа зависимости между откликом (процент простоев машин, P) и факторами (расстояние трелевки L, м и рейсовая нагрузка форвардера Q, шт.) эксперимента использована модель второго порядка с оценкой главных эффектов и эффектов взаимодействия. Результаты дисперсионного анализа [8] экспериментальных
Таблица 1 Результаты эксперимента по оценке факторов синхронизации лесозаготовительных машин The results of an experiment assessing the factors
of the synchronization of harvesters
Рейсовая нагрузка форвардера Q, шт. Расстояние трелевки L, м Процент простоев машин, P
75 724 0,736
75 774 0,760
90 724 0,812
90 774 0,744
72 749 0,785
94 749 0,845
83 714 0,729
83 784 0,700
83 749 0,760
83 749 0,750
данных (табл. 2) подтверждают адекватность выбранной экспериментальной модели и свидетельствуют о том, что все исследуемые эффекты являются статистически значимыми: уровень значимости при оценке по критерию Фишера не превышает 0,27 %.
_ 1 % «г
ЭДР * * ** 1 - , - , | 1 i. 1 I
ЧГи. * 1 ** 1 t i- t
** Щ 1 U i 4
' ! L ~ (L <■ 1 NL V4^ L
«Г j 4 ¡J 1 \ i '
*7 „ i Л 11 \ ' 1 7-1 1 \ 1-— Ы W '! \
1 2 3 4 5 6
Рис. 1. Схема разработки лесосеки: 1 — растущий лес; 2 — волок; 3 — харвестер; 4 — сортименты; 5 — порубочные остатки; 6 — форвардер Fig. 1. Scheme for the yarding of the cutting area: 1 — growing forest; 2 — fiber; 3 — harvester; 4 — assortments; 5 — felling remains; 6 — forwarder
Достоверность результатов дисперсионного анализа подтверждается нормальным вероятностным графиком остатков (рис. 2). Из графика видно, что наблюдаемые и ожидаемые нормальные значения остатков после их упорядочивания по возрастанию укладываются на прямую, следовательно, соблюдается предположение нормальности распределения остатков, на котором основаны оценки параметров дисперсионного анализа.
Результаты оценки эффектов факторов эксперимента на основе ¿-критерия и соответствующие
Таблица 2
Дисперсионный анализ данных эксперимента Results of variance analysis of experimental data
Исследуемый эффект Сумма квадратов отклонений Число степеней свободы Средние квадраты отклонений Критерий Фишера F Уровень значимости а
Линейный эффект рейсовой нагрузки 2 0,002062 1 0,002062 117,2485 0,000413
Квадратичный эффект рейсовой нагрузки 22 0,004201 1 0,004201 238,8947 0,000102
Линейный эффект расстояния Ь 0,000769 1 0,000769 43,7324 0,002711
Квадратичный эффект расстояния Ь2 0,001747 1 0,001747 99,3790 0,000569
Эффект взаимодействия расстояния и рейсовой нагрузки 2-Ь 0,002128 1 0,002128 121,0141 0,000388
Ошибка 0,000070 4 0,000018 - -
Сумма квадратов отклонений 0,016002 9 - - -
Остатки
Рис. 2. Нормальный вероятностный график остатков Fig. 2. The normal probability chart of the residues
результаты оценки параметров модели регрессии [8] для стандартизированных значений уровней факторов (табл. 3) подтверждают их высокую значимость. Соответствующие данным результатам значения коэффициента детерминации Я2 = 0,9956 и скорректированного коэффициента детерминации Якор = 0,99011 свидетельствуют о высокой дисперсии, обусловленной выбранной экспериментальной моделью.
В соответствии с результатами оценки параметров модели регрессии для исходных значений
Таблица 3
Оценка эффектов факторов эксперимента и параметров модели регрессии для стандартизированных значений уровней факторов The results of the evaluation of the effects of experimental factors and the parameters of the regression model
for standardized values of factor levels
Параметр Эффект Стандартная ошибка оценки t-критерий (число степеней свободы df = 4) Уровень значимости а Стандартизированный коэффициент регрессионного уравнения Стандартная ошибка оценки
Свободный член 0,753539 0,002959 254,6185 0,000000 0,753539 0,002959
Q 0,031590 0,002917 10,8281 0,000413 0,015795 0,001459
Q2 0,056995 0,003688 15,4562 0,000102 0,028498 0,001844
L - 0,019729 0,002983 - 6,6130 0,002711 - 0,009864 0,001492
L2 - 0,039978 0,004010 - 9,9689 0,000569 - 0,019989 0,002005
QL - 0,046079 0,004189 - 11,0006 0,000388 - 0,023039 0,002094
Таблица 4
Оценка параметров модели регрессии для исходных значений уровней факторов The results of estimating the parameters of the regression model for the initial values of the factor levels
Параметр Коэффициент регрессионного уравнения Стандартная ошибка оценки t-критерий (число степеней свободы df = 4) Уровень значимости а Нижняя граница доверительного интервала (а = 0,95 %) Верхняя граница доверительного интервала (а = 0,95 %)
Свободный член - 21,2115 2,028571 - 10,4564 0,000473 - 26,8438 - 15,5793
Q 0,0105 0,009972 1,0577 0,349833 - 0,0171 0,0382
Q2 0,0005 0,000033 15,4562 0,000102 0,0004 0,0006
L 0,0577 0,004894 11,7794 0,000297 0,0441 0,0712
L2 - 0,00003 0,000003 - 9,9689 0,000569 - 0,0000 - 0,0000
QL - 0,00012 0,000011 - 11,0006 0,000388 - 0,0002 - 0,0001
уровней факторов (табл. 4) зависимость отклика эксперимента от факторов в рассматриваемых условиях описывается следующим выражением
Р(0, Ц = -21,212 + 0,0110 + 0,00050 + + 0,058Ц - 0,00003Ц2 - 0,00012^Ц. (1)
Коэффициенты представленной модели регрессии высоко значимы, за исключением коэффициента линейной зависимости между процентом простоев системы и рейсовой нагрузкой, который значим на уровне 0,3498. Изложенное соответствует сущности исследуемого процесса и согласуется с используемой для теоретических исследований моделью массового обслуживания [9, 10], в которой вероятность простоев системы описывается нелинейной зависимостью от рейсовой нагрузки.
Полученная экспериментальная зависимость (1) проиллюстрирована трехмерным и контурным графиками поверхности отклика (рис. 3, 4). Достаточно высокая степень соответствия зависимости (1) экспериментальным данным продемон-
Рис. 3. График поверхности отклика эксперимента Fig. 3. Graph of the response surface of the experiment
70 72 74 76 78 80 82 84 86 88 90 92 Q, ш
Рис. 4. Контурный график поверхности отклика эксперимента
Fig. 4. Contour plot of the response surface of the experiment
1 теор
Fig. 5.
0,70 0,72 0,74 0,76 0,78 0,80 0,82 0,84 Рэксп
Диаграмма рассеивания ожидаемых (предсказанных) Ргеор и экспериментальных Рэксп значений вероятности простоев системы
Diagram of dispersion of expected (predicted) аМ the experimental values of the probability of downtime of the system
стрирована на диаграмме рассеяния [8] наблюдаемых и предсказанных значений вероятности простоев (рис. 5), точки которой располагаются близко к прямой линии.
Выводы и рекомендации
1. В качестве факторов синхронизации машин при заготовке лиственных сортиментов при работе с сортировкой могут рассматриваться рейсовая нагрузка транспортной машины и расстояние трелевки — указанные факторы по результатам дисперсионного анализа определены как статистически значимые.
2. В ходе эксперимента по оценке синхронизации машин для заготовки сортиментов в условиях лиственного хозяйства при работе с сортировкой зафиксированы простои харвестера, средняя величина простоев 76,21 %.
3. Для снижения простоев харвестера в рассматриваемых условиях могут быть рекомендованы следующие мероприятия:
— изменение схемы разработки лесосеки с целью снижения среднего расстояния трелевки;
— изменение способа работы харвестера, например, использование технологии с сохранением подроста;
— использование форвардера с большей грузоподъемностью.
Список литературы
[1] Якимович С.Б., Тетерина М.А. Синхронизация обра-батывающе-транспортных систем заготовки и первичной обработки древесины. Йошкар-Ола: МарГТУ, 2011. 201 с.
[2] Якимович С.Б., Тетерина М.А. Управление схемами работы машин в обрабатывающе-транспортных лесозаготовительных системах // Вестник МГУЛ — Лесной Вестник, 2010. № 6. С. 78-82.
[3] Тетерина М.А. Экологически щадящие, ресурсосберегающие транспортно-обрабатывающие системы: управление схемами работы машин // Фундаментальные исследования, 2011. № 8. Ч. 1. С. 178-184.
[4] Якимович С.Б., Тетерина М.А., Груздев В.В. Опытно-промышленная оценка эффективности нового способа заготовки сортиментов // Вестник МГУЛ — Лесной Вестник, 2013. № 1 (92). С. 192-196.
[5] Якимович С.Б., Тетерина М.А. Экспериментальная оценка синхронизации обрабатывающе-транспортной системы «харвестер-форвардер» // Вестник МГУЛ — Лесной Вестник, 2008. № 4. С. 48-51.
[6] Тетерина М.А. Постановка и решение задачи оптимизации параметров обрабатывающе-транспортной системы «харвестер-форвадер» // Известия СПбГЛТА, 2008. Вып. 183. С. 100-107.
[7] Якимович С.Б., Тетерина М.А. Оптимизация рейсовой нагрузки форвардера // Известия СПбГЛТА, 2007. Вып. 180. С. 126-132.
[8] Боровиков В.П. STATISTICA: искусство анализа данных на компьютере. Для профессионалов. СПб.: Питер, 2001. 656 с.
[9] Якимович С.Б., Тетерина М.А. Моделирование стохастических обрабатывающе-транспортных систем с перемещаемыми запасами // Вестник МГУЛ — Лесной Вестник, 2007. № 6. С. 71-77.
[10] Якимович С.Б., Тетерина М.А. Рейсовая нагрузка лесозаготовительных машин // Вестник МГУЛ — Лесной вестник, 2006. № 6. С. 95-97.
Сведения об авторах
Тетерина Мария Александровна — канд. техн. наук, доцент Уральского государственного лесотехнического университета, [email protected]
Статья поступила в редакцию 19.04.2017 г.
EXPERIMENTAL INVESTIGATION OF MACHINES SYNCHRONIZATION FACTORS IN THE SYSTEM FOR LOGGING IN DECIDUOUS SPECIES FACILITIES SITUATIONS WHEN WORKING WITH SORTING
M.A. Teterina
Ural State Forest Engineering University, Sibirsky tract, 37, Ekaterinburg, Russia, 620100 [email protected]
The article presents the results of experiment to estimate machines synchronization factors in the «harvester — forwarder» system within deciduous logging. The experiment was carried out in March 2014 on a basis of rented forest areas and machines park (harvester John Deer 1470D h forwarder Komatsu 830.3) of LLC «Lestech». The experiment was performed on the basis of central rotatable composite plan. During the experiment there were recorded harvester downtimes. The average percentage of harvester downtime amounted to 76,21 %. According to the results of a variance analysis it is estimated that such machines synchronization factors as transport machine regular load and skidding distance are statistically significant: the level of significance when evaluating the Fisher test is limited to 0,27 %. It was also confirmed by the results of the evaluation of effects of factors of the experiment on a basis of t-criterion and by the results of the evaluation regression model parameters for standardized and original values of the factor levels. Corresponding to this results values of coefficient of determination and adjust coefficient of determination had amounted accordingly R2 = 0,9956 h R2cor = 0,99011, that indicates a high rate of variance explained on the basis of selected experimental model. The article presents the obtained on the basis of these results dependence of response of the experiment (the share of machine idle time in system) from the factors, which illustrated three-dimensional and contour plots. The degree of conformity obtained according to the experimental data is demonstrated on the scatter plot of the observed and predicted values of the response. The reliability of the results of analysis of variance confirmed a normal probability graph of the residues. Recommendations to reduce downtime of the harvester under these conditions are given. Keywords: synchronization, experiment, regular load, skidding distance, deciduous facilities, variance analysis, regression equation
Suggested citation: Teterina M.A. Eksperimental'noe issledovanie faktorov sinkhronizatsii mashin v sisteme dlya zagotovki sortimentov v usloviyakh listvennogo khozyaystva pri rabote s sortirovkoy [Experimental investigation of machines synchronization factors in the system for logging under deciduous facilities situations when working with sorting]. Lesnoy vestnik / Forestry Bulletin, 2017, vol. 21, no. 5, pp. 12-16. DOI: 10.18698/2542-1468-2017-5-12-16
References
[1] Yakimovich S.B., Teterina MA. Sinkhmnizatsiya obrabatyvayushche-transportnykh sistem zagotovki i pervichnoy obrabotki drevesiny [Processing-transporting systems of harvesting and primary wood processing synchronization] Yoshkar-Ola, 2011, 201 p.
[2] Yakimovich S.B., Teterina M.A. Upravlenie skhemami raboty mashin v obrabatyvayushche-transportnykh lesozagotovitel'nykh sistemakh [Machines working schemes control in transporting-processing forest harvesting systems] Moscow state forest university bulletin - Lesnoy vestnik, 2010, no. 6, pp. 78-82.
[3] Teterina M.A. Ekologicheski shchadyashchie, resursosberegayushchie transportno-obrabatyvayushchie sistemy: upravlenie skhemami raboty mashin [Ecologicaly sparing, recorse saving transporting-processing systems: machines working schemes control] Fundamental'nye issledovaniya [Fundamental research] Penza: RAE, 2011, no. 8, t. 1, pp. 178-184.
[4] Yakimovich S.B., Teterina M.A., Gruzdev V.V. Opytno-promyshlennaya otsenka effektivnosti novogo sposoba zagotovki sortimentov [Experimental-industrial estimation of new round timber logging method efficiency] Moscow state forest university bulletin - Lesnoy vestnik, 2013, no. 1(92), pp. 192-196.
[5] Yakimovich S.B., Teterina M.A. Eksperimental 'naya otsenka sinkhronizatsii obrabatyvayushche-transportnoy sistemy «kharvester-forvarder» [Experimental estimation of processing-transporting system «harvester-forwarder» synchronization] Moscow state forest university bulletin - Lesnoy vestnik, 2008, no. 4, pp. 48-51.
[6] Teterina M.A. Postanovka i reshenie zadachi optimizatsii parametrov obraba-tyvayushche-transportnoy sistemy «kharvester-forvader» [Setting and decision of processing-transporting system «harvester-forwarder» parameters optimization proposition] Izvestiya Sankt-Peterburgskoy lesotekhnicheskoy akademii. Stat'i molodykh uchenykh, podgotovlennye na osnove dokladov [Proceedings of the St. Petersburg forestry Academy. Articles of young scientists, prepared on the basis of reports], 2008, v. 183, no. 14, pp. 100-107.
[7] Yakimovich S.B., Teterina M.A. Optimizatsiya reysovoy nagruzki forvardera [Forwarder scheduled loading optimization] Izvestiya SPbGLTA [Proceedings of St. Petersburg state forestry engineering Academy], 2007, iss. 180, pp. 126-132.
[8] Borovikov VP. Statistica: iskusstvo analiza dannykh na komp'yutere [Statistica: the art of data analysis on the computer. For experts ] SPb.: Piter, 2001, 656 p.
[9] Yakimovich S.B., Teterina M.A. Modelirovanie stokhasticheskikh obrabatyvayushche-transportnykh sistem s peremeshchaemymi zapasami [Modelling of stochastic processing-transporting systems with transporting stock] Moscow state forest university bulletin -Lesnoy vestnik, 2007, no. 6, pp. 71-77.
[10] Yakimovich S.B., Teterina M.A. Reysovaya nagruzka lesozagotovitel 'nykh mashin [Regular load of logging machines] Moscow state forest university bulletin — Lesnoy vestnik, 2006, no. 6, pp. 95-97.
Author's information
Teterina Mariya Aleksandrovna — Cand. Sci. (Tech.), Assoc. Prof., Ural State Forest Engineering
University, [email protected]
Received 19.04.2017
