Исследование факторов, влияющих на устойчивость каналоочистителя с ковшом на жестких направляющих Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

FARM MACHINERY AND TE@HN@L©«E§

Критерии авторства

Щиголев С.В., Ломакин С.Г. выполнили теоретические исследования, на основании полученных результатов провели обобщение и написали рукопись. Щиголев С.В., Ломакин С.Г. имеют на статью авторские права и несут ответственность за плагиат.

Конфликт интересов

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов. Статья поступила 18.12.2019 Опубликована 27.02.2020

16. Shchigolev S.V., Lomakin S.G. Opredeleniye nagru-zok na kolosa zernouborochnogo kombayna, nakhodya-shchegosya na poperechnom sklone [Determining the loads on the wheels of a combine harvester standing on a transverse slope]. Vestnik of Moscow Goryachkin Agroengineering University, 2017; 3 (79): 24-31. (In Rus.)

17. Shchigolev S.V. Vliyaniye deformatsii shin na poper-echnuyu staticheskuyu ustoychivost' zernouborochnogo kombayna [Effect of tire deformation on the lateral static stability of a combine harvester Vestnik of Moscow Go-ryachkin Agroengineering University, 2017; 5 (81): 22-28. DOI 10.26897/1728-7936-2017-5-22-28. (In Rus.)

Contribution

Shchigolev S.V., Lomakin S.G. performed theoretical studies, and based on the results obtained, generalized the results and wrote a manuscript. Shchigolev S.V., Lomakin S.G. have copyrights for the paper and are responsible for plagiarism.

Conflict of interests

The authors declare no conflict of interests regarding the publication of this paper.

The paper was received on December 18, 2019 Published 27.02.2020

ТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИИ АПК / FARM MACHINERY AND TECHNOLOGIES ОРИГИНАЛЬНАЯ СТАТЬЯ / ORIGINAL PAPER УДК 631

DOI: 10.26897/1728-7936-2020-1-35-40

ИССЛЕДОВАНИЕ ФАКТОРОВ, ВЛИЯЮЩИХ НА УСТОЙЧИВОСТЬ КАНАЛООЧИСТИТЕЛЯ С КОВШОМ НА ЖЕСТКИХ НАПРАВЛЯЮЩИХ

АБДУЛМАЖИДОВ ХАМЗАТАРСЛАНБЕКОВИЧ, канд. техн. наук, доцент

E-mail: Hamzat72@mail.ru

Российский государственный аграрный университет - МСХА имени К.А. Тимирязева. 127550, Российская Федерация, Москва, ул. Тимирязевская, 49.

Целью исследований является определение устойчивости каналоочистителя с ковшом на жестких направляющих РР-303 в зависимости от изменения величины вылета стрелы, длины хода ковша при наборе грунта, величины плеча противовеса. Рабочее оборудование руслового ремонтёра в качестве боковой навески устанавливается на гусеничный трактор ДТ-75. В этом случае топливный бак играет роль дополнительного противовеса. Возможно также применение в качестве базы гусеничного трактора ВТК-90ТГ. Основными элементами рабочего оборудования каналоочистителя являются телескопическая составная стрела, жёсткие направляющие с ковшом, устанавливаемые на стрелу, противовес с изменяющимся вылетом. Изменение характеристик элементов конструкции влияет на устойчивость машины в процессе работы. Определение устойчивости каналоочистителя проводилось по методу трёхфакторного исследования, позволяющему оценить величину наиболее значимого фактора. Обработка результатов экспериментальных исследований проводилась с использованием методов статистического анализа. Показано, что представленная математическая модель достаточно верно описывает значения коэффициента устойчивости каналоочистителя. Установлено, что наибольшее влияние на устойчивость при работе каналоочистителя РР-303 оказывает изменение вылета противовеса. Значительное влияние вылета стрелы и положения рабочего органа на жёстких направляющих наблюдается при их совместном рассмотрении. Сделан вывод о том, что при модернизации рабочего оборудования каналоочистителя РР-303 следует учитывать величину противовеса и его расположение.

Ключевые слова: устойчивость каналоочистителя, коэффициент устойчивости, трёхфакторный эксперимент, параметр оптимизации, функция отклика; факторы, влияющие на целевую функцию.

Формат цитирования: Абдулмажидов Х.А. Исследование факторов, влияющих на устойчивость каналоочистителя с ковшом на жёстких направляющих // Вестник ФГОУ ВПО «МГАУ имени В.П. Горячкина». 2020. № 1(95). С. 35-40. DOI: 10.26897/1728-7936-2020-1-35-40.

STUDY OF FACTORS THAT AFFECT THE STABILITY OF THE BUCKET CANAL CLEANER ON RIGID GUIDES

KHAMZAT A. ABDULMAZHIDOV, PhD (Eng), Professor

E-mail: Hamzat72@mail.ru

Russian Timiryazev State Agrarian University; 127550, Russian Federation, Moscow, Timiryazevskaya Str., 49.

The research aim is to determine the stability of a bucket canal cleaner on rigid guides PP303 depending on the change in the boom extension (handling radius), the operating length of the bucket during soil withdrawal, and the counterweight arm. The working equipment of the canal planer is installed as a side hitch on the caterpillar tractor ^T -75. In this case, the fuel tank acts as an additional counterweight. It is also possible to use the BTK-90Tr crawler tractor as a base. The main elements of the working equipment of the canal cleaner are a telescopic composite boom, rigid guides with a bucket mounted on the boom, and a counterweight with a variable reach. Changing the characteristics of structural elements affects the machine stability during operation. The canal cleaner stability was determined with a three-factor research method, which allows to assess the value of the most significant factor. The results of experimental studies were processed using statistical analysis methods. It has been shown that the presented mathematical model fairly correctly describes the values of the stability coefficient of the canal cleaner. It has been established that the greatest influence on stability during operation of the PP-303 canal cleaner is exerted by a change in the counterweight offset. A significant influence of the boom extension (operating radius) and the position of the working element on the rigid guides is observed when they are jointly considered. The authors conclude that during the modernization of the working equipment of the PP-303 canal cleaner, one should take into account the counterweight size and location.

Key words: canel cleaner stability, stability coefficient, three-factor experiment, optimization parameter, response function; factors affecting the objective function.

For citation: Abdulmazhidov Kh.A. Study of factors that affect the stability of the bucket canal cleaner on rigid guides.

Vestnikof Moscow Goryachkin Agroengineering University, 2020; 1(95): 35-40. DOI: 10.26897/1728-7936-2020-1-35-40 (In Rus.).

Введение. Для нормального функционирования мелиоративных каналов необходимо периодически проводить их очистку от наносов, заилений и растительности. Для очистки дна и прилежащих ко дну частей откосов от каналов может быть применён каналоочиститель РР-303. Достоинствами данной машины являются высокое качество проводимых очистных работ и обеспечение прямолинейности дна с требуемым уклоном, а также возможность изменения положения противовеса [1-3]. Однако, значительное по массе боковое рабочее оборудование предъявляет высокие требования к устойчивости машины в процессе производства работ. Показатель устойчивости - коэффициент устойчивости определяется отношением суммы всех восстанавливающих моментов к сумме всех опрокидывающих моментов. Это отношение должно быть не менее 1,4. Для обеспечения данного условия необходимо соблюдать требуемые значения факторов, влияющих на коэффициент устойчивости [4-8].

Цель исследования: выявление наиболее значимого фактора, влияющего на устойчивость каналоочистителя РР-303; получение математической модели в виде полинома первого порядка.

Материал и методы. Исследования проводятся по схеме многофакторного эксперимента, где параметром оптимизации является коэффициент устойчивости машины [9]. Предполагаемая математическая модель будет иметь вид полинома:

Y = ^ + Ь1х1 + Ь2 x2 + Ь3х3.

Анализ технологического процесса очистки дна осушительных каналов русловым ремонтёром РР-303 и результаты предварительных расчётов по определению коэффициента устойчивости позволяют рассматривать следующие факторы, наиболее влияющие на параметр оптимизации: величина вылета составной стрелы (Х1); длина хода ковша по жестким направляющим (Х2); величина вылета противовеса (X,). Предварительные исследования позволяют обозначить центр плана-матрицы Х10 = 4 м, Х20 = 3 м, Х30 = 3 м [1]. Данные значения получены с учётом кинематики элементов машины (рис. 1). Шаг изменения значений по всем трём факторам можно принять ДХ, = ДХ2 = ДХ3 = 1 м. Принятие линейных параметров в качестве основных факторов, влияющих на устойчивость машины, продиктовано их значимостью в технологии производства работ, а также стремлением обеспечить требуемый уровень однородности дисперсий. Существуют и другие весомые факторы, влияющие на устойчивость, например, динамические нагрузки, возникающие в момент подъёма ковша с наносами или возможный угол поперечного уклона базовой машины на берме, однако их значение невелико. Величины абсолютных значений уровней факторов представлены в таблице 1.

Количество опытов в исследуемом процессе с учётом двух уровней варьирования и трёх факторов, влияющих на функцию отклика, будет равно N = 23 = 8.

С учётом того, что наносы и заиления в мелиоративных каналах распределены крайне неравномерно и в каждом опыте наблюдается различное наполнение ковша,

и данные исследовании являются расчетными, принимается решение о проведении трех параллельных опытов для каждого случая, т.е. п = 3 [10, 11, 12].

План исследовании в виде матрицы полного факторного эксперимента и результаты расчетов представлены в таблице 2.

Рис. 1. Схема работы каналоочистителя РР-303 Fig. 1. Operartion scheme of the PP-303canal cleaner

Величины абсолютных значений уровней факторов ПФЭ

Absolute values of the factor levels of a full factorial experiment

Таблица 1

Table 1

Характеристика фактора Factor characteristic Величина вылета с оставной стрелы, X, Composite boom extension, Xj Длина хода ковша по жестким направляющим, X2 Rigid-giude bucket travel length, X2 Величина вылета противовеса, X3 Counterweight offset, X3

Верхний уровень (+1) Top level (+1) 5 4 4

Нижний уровень (-1) Lower level (—1) 3 2 2

План-матрица проведения экспериментальных исследований

Matrix of experimental studies

Таблица 2

Table 2

„ я зд

SM-

* ¡J ü

s lui

Я и ® SS о Ч У ^

о 1 S 3

SB ^ С « к

м В ^

■г

я й

S у

a^S.

1

V

сз — ^ S я ^ PO "&JS

¡3

№

H

k т H

я

и S

S H «

ш

^ в е

SS i

О 2 м С S

g

н2

н2

н8

к т

s s ■! I

S оЧ^ а я ^

■II S3

о в ,q 5 -о

со

tN

<N

tN

tN

щ <U

Я =

В в

и <"

ci Е

е. g

U S

В Щ ^

i и

s -а ¡1

Л

V

a g

а 15

It

tN

3 6 2

4 8 7

1 7 4 8 2 3 7 4 5 6 5 8

2 8 9

5 1 6

2,1

2.3

2.4 2,0 2,2 2,3 2,2 2,3

2,0 2,2

2.3

2.4 2,1 2,3 2,3 2,2

2,2 2,1 2,2 2,2 2,6 2,0 2,1 2,4

2,1 2,1 2,3 2,2 2,3 2,2 2,2 2,3

0 0,02 0,005 0,02 0,005 0,005 0 0

2,1725 2,2475 2,2475 2,1725 2,2475 2,1725 2,1725 2,1725

Порядок проведения опытов получен с помощью таблицы случайных чисел. Значениями Х0б являются значения уравнений регрессий в случае, если все

коэффициенты равны нулю. Значения 7^1, 7^2 и 7^3 определены с помощью мини программы, сформированной в системе Mathcad (рис. 2).

Рис. 2. Расчетная схема и мини-программа в системе Mathcad для определения коэффициента устойчивости каналоочистителя РР-303

Fig. 2. Design scheme and mini-program in the Mathcad system for determining the stability coefficient of the PP-303 canal cleaner

Значения коэффициента устойчивости по трём опытам, рассчитанные с учётом наполнения ковша на разных участках, представлены в таблице 2.

Дисперсия экспериментальных значений определялась по формуле

=1

Y - (Y,))2

n -1

где п - количество значений 7',,, полученных при проведении п опытов. Последний столбец содержит теоретические значения параметра оптимизации, подсчитанные для полученной математической модели.

Наибольшим значением дисперсии опытных значений функции отклика коэффициента устойчивости является 0,02, которое соответствует опытам № 2 и 4.

Результаты и обсуждение. Проведём обработку опытных данных трёхфакторного эксперимента.

Проверка по критерию Кохрена проводится в случае, если количество дисперсий исследуемого процесса больше двух и одна из них значительно больше других. Проверка воспроизводимости опыта осуществляется определением параметра О с учётом равного количества параллельных опытов:

а== 0,036.

0,055

Критическое значение данного параметра определяется по табличным данным для в = 0,05 при п = 3 (Окр по столбцу) и N = 8 (по строке) Окр = 0,52.

Исходя из того, что Окр > G, можно сделать вывод о воспроизводимости эксперимента.

Коэффициент предполагаемой имитационной модели определяется по формуле

Iх/*

Ь = 2-.

' N

Значения коэффициентов соответственно равны: Ь0 = 2,2125; Ь1 = -0,0125; Ь2 = 0,025; Ь3 = 0,0375; Ь12 = 0,0125; Ь13 = 0,0125; Ь23 = -0,0375; Ь123 = 0,0375.

Значимость коэффициентов математической модели оценивается с помощью критерия Стьюдента. Показатель критерия /-параметр рассчитывается по формуле

t =

Ъ

Для вычисления дисперсий ошибки определяется дисперсия воспроизводимости эксперимента

8

а2{7} ^а2*/8 = 0,055/8 = 0,0068.

2=1

сг

i=i

2

Дисперсия ошибок определения коэффициентов полинома:

аЛ{Ь} = = 00068 = 0,00028.

N • n

24

Для каждого коэффициента подсчитываются значения /-параметра по формуле

К

2,2125

\ja2{b0} л/0,00028

= 132.

Аналогично определены значения /-параметра для остальных коэффициентов: /1 = 0,748; /2 = 1,497; /3 = 2,245; /12 = 0,748; /13 = 0,748; /23 = 2,245; /123 = 2,245.

При а = 0,95 и №п = 83 = 24 критическое значение

/кр = 2,1.

Более точные значения коэффициента Стьюдента основываются на коэффициенте риска в = 1 - а и числе степеней свободы и. Для рассматриваемого случая в = 0,05 и и = Щп - 1) = 8(3 - 1) = 16 /кр = 2,12.

Исходя из полученных значений / и / можно утверждать, что коэффициенты Ь1, Ь2, Ь12 и Ь13 являются незначимыми, однако эффект взаимодействия факторов Ь23 и Ь123 имеет достаточное значение. Математическая модель в этом случае будет иметь вид:

у = 2,21 -0,0375х3 -0,0375х2х3 + 0,0375^х3.

Из полученной математической модели следует, что наибольшее влияние на целевую функцию оказывает третий фактор х3 (величина противовеса), а также совместное действие второго и третьего факторов, такое же значение имеет совместное действие всех трёх факторов.

Проверим математическую модель на адекватность исследуемому процессу. В полученном полиноме имеются четыре члена, соответственно дисперсия адекватности будет иметь вид:

< = 4 ¿( 7* — 7*1 )2 4 2=1

Теоретические значения целевой функции определяются подстановкой значений соответствующих факторов для каждого номера опыта. Для условий исследования, соответствующих опыту 1, значения факторов будут

следующие: х1 = -1; х2 = -1; х3 = -1. Теоретическое значение у для данных условий будет равно

у1/ = 2,21 — 0,0375 = 2,1725.

Теоретические значения целевой функции представлены в таблице 2.

Сравнивая теоретические значения с экспериментальными, рассчитывается дисперсия адекватности:

Од = 1[(2,1 — 2,1725)2 + (2,1 — 2,2475)2 + (2,3 — 2,2475)2 +

+ (2,2 — 2,1725)2 + (2,3 — 2,2475)2 + (2,2 — 2,1725)2 + + (2,2 — 2,1725)2 + (2,3 — 2,1725)2] = 0,0127.

Воспроизводимость эксперимента определяется по формуле:

а2 (у}= 1(0 + 0,02 + 0,005 + 0,02 + 0,005 + 0,005 + 0 + 0) = 0,068.

Дисперсия адекватности больше дисперсии воспроизводимости.

Модель адекватна, если Г < Г Г-критерий определяется по формуле

F =

( 0,0127

гу 0,0068

= 1,86.

Поскольку расчётное значение Г меньше табличного Гкр, то условие соблюдается.

Выводы

Наибольшее влияние на параметр оптимизации - коэффициент устойчивости при работе каналоочистителя РР-303 оказывает изменение вылета противовеса. Значительное влияние вылета стрелы и положения рабочего органа на жёстких направляющих наблюдается при их совместном рассмотрении. Математическая модель достаточно верно качественно и количественно описывает значения коэффициента устойчивости каналоочистителя в зависимости от совместного изменения основных факторов: вылета стрелы, длины хода ковша и положения противовеса. В связи с этим при модернизации рабочего оборудования рассмотренной машины следует делать основной упор на величину противовеса и его расположение.

Библиографический список

1. Абдулмажидов Х.А. Обоснование геометрических параметров ковшей каналоочистителя // Вестник ФГОУ ВПО «МГАУ имени В.П. Горячкина». 2013. № 2 (58). С. 30-33.

2. Казаченко Г.В., Басалай Г. А. Способ оценки устойчивости одноковшовых экскаваторов // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). 2014. № 5. С. 89-95.

3. Семенов А.В., Вахрушев С.И. Исследование устойчивости одноковшовых экскаваторов // Master's Journal. 2016. № 2. С. 424-434.

4. Абдулмажидов Х.А. Конструктивные особенности и расчёт производительности каналоочистителя с ковшом на жёсткой направляющей // Вестник ФГОУ ВПО «МГАУ имени В.П. Горячкина». 2017. № 2 (78). С. 21-25.

References

1. Abdulmazhidov Kh.A. Obosnovaniye geometri-cheskikh parametrov kovshey kanaloochistitelya [Determining the geometrical parameters of a bucket canal cleaner]. Vestnik of Moscow Goryachkin Agroengineering University, 2013; 2 (58):30-33. (In Rus.)

2. Kazachenko G.V, Basalay G.A. Sposob otsenki ustoy-chivosti odnokovshovykh ekskavatorov [Metods of assessing the stability of single-bucket excavators]. Gornyy informatsi-onno-analiticheskiy byulleten' (nauchno-tekhnicheskiy zhur-nal), 2014; 5: 89-95. (In Rus.)

3. Semenov A.V, Vakhrushev S.I. Issledovaniye ustoychi-vosti odnokovshovykh ekskavatorov [Study of the stability of single-bucket excavators]. Master's Journal, 2016; 2: 424-434. http://vestnik.pstu.ru/mj/archives/?id=&folder_id=6242 (In Rus.)

5. Абдулмажидов Х.А. Статический расчёт каналоочистителя РР-303 // В сборнике: Актуальные вопросы в науке и практике. Сборник статей по материалам V международной научно-практической конференции: в 4 частях. Ответственный редактор: Халиков А.Р. 2018. С. 158-163.

6. Суриков В.В. Строительные машины для механизации мелиоративных работ. М.: Издательство Агропромиз-дат, 1991. 463 с.

7. Куртяков В.И., Прихожий П.В., Семененко Н.П., Грицюк А.М. Экскаватор-каналоочиститель // Патент RUS1579957. 19.10.1987.

8. Зимелис А., Арико С.Е., Савельев А. Исследование влияния различных факторов на поперечную устойчивость корчевателя // Труды БГТУ Серия 1: Лесное хозяйство, природопользование и переработка возобновляемых ресурсов. 2018. № 2 (210). С. 174-181.

9. Мухачёв В.А. Планирование и обработка результатов эксперимента: Учебное пособие. Томск: Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники, 2007. 118 с.

10. Прохорова Е.В. Методика оценки устойчивости экскаватора, оборудованного быстросоединительным устройством // В сборнике: Инновационные материалы, технологии и оборудование для строительства современных транспортных сооружений. Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова. 2013. С. 180-184.

11. Антонюк О.В., Дядин М.О., Прокопенко В.С. Сравнительный анализ методик расчёта на устойчивость экскаватора // Научный альманах. 2016. № 10-3 (24). С. 26-29.

12. Иванов Е.Г. Многофункциональный рабочий орган каналоочистителя - основа для создания мелиоративного робота // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). 2015. № 11. С. 227-239.

Критерии авторства

Абдулмажидов Х.А. выполнил теоретические исследования, на основании полученных результатов провел обобщение и написал рукопись. Абдулмажидов Х.А. имеет на статью авторские права и несет ответственность за плагиат.

Конфликт интересов

Автор заявляет об отсутствии конфликта интересов. Статья поступила 9.12.2018 Опубликована 27.02.2020

4. Abdulmazhidov Kh.A. Konstruktivnyye osobennosti i raschot proizvoditel'nosti kanaloochistitelya s kovshom na zhostkoy napravlyayushchey [Design features and performance calculation of the canal cleaner with a rigid-guide bucket]. Vestnik of Moscow Goryachkin Agroengineering University, 2017; 2 (78): 21-25. (In Rus.)

5. Abdulmazhidov Kh.A. Staticheskiy raschot kanaloochis-titelya PP-303 [Static calculation of the PP-303 canal cleaner]. In: Aktual'nyye voprosy v nauke ipraktike. Sbornik stateypo materi-alam Vmezhdunarodnoy nauchno-prakticheskoy konferentsii: in 4 parts. Responsible editor: Khalikov A.R. 2018: 158-163. (In Rus.)

6. Surikov VV Stroitel'nyye mashiny dlya mekhanizatsii meliorativnykh rabot [Construction equipment for the mechanization of reclamation works]. Moscow, Izdatel'stvo Agro-promizdat, 1991: 463. (In Rus.)

7. Kurtyakov VI., Prikhozhiy P.V, Semenenko N.P., Grit-syuk A.M. Ekskavator-kanaloochistitel' [Excavator-canal cleaner]: Patent RUS1579957. 19.10.1987. (In Rus.)

8. Zimelis A., Ariko S.Ye., Savel'yev A. Issledovaniye vliyaniya razlichnykh faktorov na poperechnuyu ustoychi-vost' korchevatelya [Study of the effects of various factors on the cross-resistance of a root-extractor]. Trudy BGTU. Series 1: Lesnoye khozyaystvo, prirodopol'zovaniye i pererabotka vozobnovlyayemykh resursov, 2018; 2 (210): 174-181. (In Rus.)

9. Mukhachov VA. Planirovaniye i obrabotka rezul'tatov eksperimenta: Uchebnoye posobiye [Planning and processing of experiment results: Training manual]. Tomsk, Tomskiy gosudarstvennyy universitet sistem upravleniya i radioelek-troniki, 2007: 118. (In Rus.)

10. Prokhorova Ye.V Metodika otsenki ustoychivosti ekskava-tora, oborudovannogo bystrosoyedinitel'nym ustroystvom [Methodology for assessing the stability of an excavator equipped with a fast-connecting device]. In: Innovatsionnyye materialy, tekhnolo-gii i oborudovaniye dlyastroitel'stvasovremennykh transportnykh sooruzheniy. Belgorodskiy gosudarstvennyy tekhnologicheskiy universitetim. V.G. Shukhova, 2013: 180-184. (In Rus.)

11. Antonyuk O.V, Dyadin M.O., Prokopenko VS. Srav-nitel'niy analiz metodik raschota na ustoychivost' ekskavatora [Comparative analysis of the methods of calculating the excavator stability]. Nauchnyy al'manakh, 2016: 10-3 (24): 26-29. (In Rus.)

12. Ivanov Ye.G. Mnogofunktsional'niy rabochiy organ kanaloochistitelya - osnova dlya sozdaniya meliorativnogo robota [Multifunctional working element of a canal cleaner as the basis for designing a reclamation robot]. Gornyy infor-matsionno-analiticheskiy byulleten' (nauchno-tekhnicheskiy zhurnal), 2015; 11: 227-239. (In Rus.)

Contribution

Abdulmazhidov Kh.A. performed theoretical studies, and based on the results obtained, generalized the results and wrote a manuscript. Abdulmazhidov Kh.A. has copyrights for the paper and are responsible for plagiarism.

Conflict of interests

The author declares no conflict of interests regarding the publication of this paper.

The paper was received on December 9, 2018 Published 27.02.2020