Обоснование конструктивно-режимных параметров ботвоудаляющего устройства при лабораторных исследованиях Текст научной статьи по специальности «Прочие сельскохозяйственные науки»

УДК 631.352.99

ОБОСНОВАНИЕ КОНСТРУКТИВНО-РЕЖИМНЫХ ПАРАМЕТРОВ БОТВОУДАЛЯЮЩЕГО УСТРОЙСТВА ПРИ ЛАБОРАТОРНЫХ ИССЛЕДОВАНИЯХ

Н. П. Ларюшин, доктор техн. наук, профессор, т. (841-2) 628517; А. М. Ларюшин, канд. техн. наук, доцент, т. (841-2) 628542, e-mail: lam@pnz. ru;

Д. И. Фролов, инженер

ФГОУ ВПО «Пензенская ГСХА»

В статье дано обоснование конструктивно-режимных параметров рабочего органа для удаления листостебельной массы перед уборкой лука в лабораторных условиях. Представлено описание лабораторной установки и результаты лабораторных исследований на основе планирования трехфакторного эксперимента. Определены оптимальные значения исследуемых факторов.

Качественная работа теребильных машин обеспечивается лишь при надлежащей подготовке поля перед уборкой. Как показали исследования, на период уборки засоренность полей достигает 60...70 %,

высота сорных растений при этом доходит до 50 см. Это объясняется тем, что между последней обработкой посевов гербицидами и уборкой проходит две-три недели, что способствует росту сорных растений.

При уборке машинами теребильного типа, если поле предварительно не было подготовлено, происходит забивание вращающихся элементов теребильного аппарата, что приводит к снижению производительности машины, поломке и увеличению количества остановок для очистки.

В связи с этим возникает необходимость удаления сорной растительности перед уборкой.

Для решения данной проблемы была разработана конструкция и изготовлен макетный образец ботвоудаляющего устройства для удаления листостебельной массы перед уборкой лука, лабораторные исследования которого проводились на почвенном канале (рис. 1) [1].

Ботвоудаляющее устройство состоит из ножей 8, установленных на валу 9, который жестко закреплен к выходному валу конического редуктора 10. Вращение на вал 9 ботвоудаляющего устройства передается через конический редуктор 10 и гибкий вал 11 от электродвигателя 12. Высота установки рабочего органа ботвоуда-лителя регулируется путем крепежа к тележке 7 на разной высоте конического редуктора 10 и электродвигателя 12. Тележка 7 перемещается по направляющим полозьям 13 почвенного канала 3 посредст-

вом гибкого троса 5, системы полиспастов 1, роликов 4, звездочек 14 и цепной передачи 2 от мотор-редуктора 6.

При вращении вала 9 с установленными на нем попарно напротив друг друга ножами 8 внутри кожуха 16 создается воздушный поток, который поднимает полегшую ботву лука и листостебельную массу сорняков и подводит в зону резания, где ботва лука и листостебельная масса сорняков срезается и измельчается. Для дальнейших исследований устанавливали необходимый угол наклона ножей, скорость вращения рабочего органа, высоту установки рабочего органа относительно поверхности, линейную скорость перемещения рабочего органа. После того, как были установлены все оптимальные параметры устройства, включают электродвигатель 12, приводя в движение рабочий орган, и запускают мотор-редуктор 6, производя удаление листостебельной массы лука-севка.

В ходе опытов были определены основные факторы, влияющие на технологический процесс удаления листостебельной массы, и их возможные пределы варьирования, качественные показатели (полнота удаления ботвы, повреждения луковиц).

При обработке результатов лабораторных исследований использовалась мето-

Рис. 1. Схема лабораторной установки: 1 - система полиспастов; 2 - цепь; 3 - почвенный

канал; 4 - ролик; 5 - трос; 6 - мотор-редуктор; 7 - тележка; 8 - ножи; 9 - вал; 10 - конический редуктор; 11 - гибкий вал; 12 - электродвигатель; 13 - направляющие полозья почвенного канала; 14 - звездочки; 15 - пульт управления; 16 - кожух

Нива Поволжья № 2(7) май 2008 47

дика планирования многофакторного экс- Оптимальные значения параметров

перимента [2]. п,к,Ь представлены в табл. 1.

Таблица 1

Оптимальные значения исследуемых факторов

№ п/п Исследуемый фактор Оптимальное значение фактора

в закодированном виде в раскодированном виде

1 Частота вращения рабочего органа п, мин"1 -0,04662 1677

2 Высота установки рабочего органа относительно поверхности поля И, м -0,07956 0,0676

3 Угол установки ножей Ь , град 0,1486 56,486

Для получения математической модели процесса удаления листостебельной массы, учитывающей совокупное влияние изучаемых факторов на эффективную работу ботвоудаляющего устройства, и определения оптимального сочетания было использовано оптимальное планирование эксперимента. При планировании эксперимента для предлагаемого ботвоудаляющего устройства в качестве критерия оптимизации нами была принята полнота удаления, которая наиболее полно оценивает качество работы ботвоудаляющего рабочего органа. В качестве факторов, влияющих на полноту удаления листостебельной массы на исследуемом ботвоудаляющем устройстве, были выбраны три наиболее значимых фактора: частота вращения рабочего органа, высота установки рабочего органа относительно поверхности поля, угол установки ножей .

Для определения оптимальных значений выделенных факторов было проведено центральное композиционное ортогональное планирование второго порядка, в ходе которого получили адекватную математическую модель, описывающую зависимость п = / (п, к, Ь) в закодированном виде:

У = 98,435982- 0,082858с1 - 0,093267х2 +

+ 0,254372с3 -0,836785x12 -0,633564x1 -

-0,870655x3-0,037500с + 0,011500с1х3 --0,062500с1х3.

(1)

Для определения значений факторов, обеспечивающих оптимальное значение коэффициента вариации, решаем систему уравнений [3]:

=-1,67357с -0,03 75с2 + 0,0125х3 -0,08286= 0

dxl

<Лу (1)

= -0,03 75с1 - 1,267128x2 - 0,0625х3 -0,09327= 0 v '

dxl

= 0,0125х1 -0,0625х2 - 1,741310с3 + 0,2543 72= 0.

dx3

После получения значения факторов необходимо изучить поверхности отклика в зоне оптимальных значений факторов с помощью способа двумерных сечений [4]. Для этого приравниваем к нулю фактор х2 и подставляем его в уравнение (1), получаем

У = 97,973996-0,081858х, + 0,254372х3 -

2 2 (3)

- 0,837109x1 -0,871079x3 + 0,012500х1х3.

Затем составляем систему дифференциальных уравнений, представляющих собой частные производные по каждому из двух факторов [1]:

= -1,674418х1 + 0,0125х3 - 0,08286 = 0

dxl

= 0,0125 х1 - 1,742158х3 + 0,254372 = 0.

dxз

(4)

Решая систему (4), находим координаты центра поверхности отклика в закодированном виде: х1 = -0,0484 , х3 = 0,14566 (соответственно после раскодирования п = 1675,8мин_1, Р= 56,46град).

После канонического преобразования уравнение (3) примет вид:

У -97,99453 = 0,00613x1 - 1,71441x1. (5)

Угол поворота осей составит: -0,011500

tg1a = -

0,837Ю9 + 0,871079

(6)

откуда а = 10,1 град .

Аналогично, приравнивая к нулю фактор х3 и подставляя его в уравнение (1), получим

У = 97,801113 -0,081858х1 -0,093167хг -

-0,837368т? -0,634147x1 -0,037500х1х1.

(7)

Решаем систему дифференциальных уравнений:

= -1,674736 x1 - 0,0375 х2 - 0,08286 = -0,0375 x1 - 1,268294 х2 - 0,09327.

йх2

(8)

Определяем координаты центра поверхности отклика в закодированном виде:

x1 = -0,04786, х2 = -0,07212 (соответственно

после раскодирования п = 1676,1мин_1, к = 0,0678м).

После канонического преобразования уравнение (8) примет вид:

У -97,80646 = -0,02141x2 - 1-4501x2. (9)

Угол поворота осей составит:

-0,037500

tg2a =

-0,837368 + 0,634147

(10)

откуда а = 5,22754град .

Аналогично, приравнивая к нулю фактор х1 и подставляя его в уравнение (1), получим

У = 97,825811 - 0,093267х2 + 0,254372х3

■0,634124x2 -0,871216x2-0,062500х2 х3.

(11)

Решая систему дифференциальных уравнений:

= -1,268248 x2 - 0,0625 x3 - 0,09327 Л 2 (12)

= -0,0625 x2 - 1,742432 x3 + 0,254372,

dxз

определяем координаты центра поверхности отклика в закодированном виде: x2 = -0,08088, x3 = 0,14889 (соответственно после раскодирования к = 0,0676м , Р = 56,49град ).

После канонического преобразования уравнение (12) примет вид:

У -97,84852 = -0,02613x2-1-47921x2. (13)

Угол поворота осей составит: -0,062500

tg2a =

-0,634124+0,871216

(14)

откуда а = -7,38391град .

Уравнения (5), (9) и (13) вводили в ПЭВМ и строили поверхность отклика и двумерное сечение (рис. 2), характеризующие зависимость полноты удаления листостебельной массы (п) от высоты установки рабочего органа относительно поверхности поля (к) и частоты вращения рабочего органа (п ), поверхность отклика и двумерное сечение (рис. 3), характеризующие зависимость полноты удаления листостебельной массы (п) от угла установки ножей (р) и частоты вращения рабочего органа (п ), а также поверхность отклика и двумерное сечение (рис. 4), характеризующие зависимость полноты удаления листостебельной массы (п) от угла установки ножей ( Р ) и высоты установки

о я н

о «

я

«

и а о

о

и ^

о

ю «

а

о

я

«

н

о «

н о

И

о я

X

а

^

И

о я

0,11 0,10 0,09 0,08 0,07 0,06 0,05 0,04

0,03 1 000

/ * \\

\\

" х \ \

/ / / \ \ \ \ \ ' 1 '

\ V [ 1 ) 1 / / ■

4...... \ / / ' /

\ \ — Г , /

с \ \ ч ^_/

1 200 1 400 1 600 1 800 2000

Частота вращения рабочего органа - п, мин -1

2200

2400

Рис. 2. Двумерное сечение, характеризующее зависимость полноты удаления листостебельной массы (п ) от высоты установки рабочего органа относительно поверхности поля (к ) и частоты вращения рабочего органа (п )

Нива Поволжья № 2(7) май 2008 49

о

U

66 64 62 60 58 56 54 52 50 48 46 44

\

/ -—\ \ \

/ / / / \ \ \

i i / / 1 ) ) 1

\ \ \ \ 1 } 1 1

\ \ 4 ** / /

^_ / /

\ x ^_ ■

-—-

1000 1200 1400 1600 1800 2000

Частота вращения рабочего органа - n, мин -1

2200

2400

Рис. 3. Двумерное сечение, характеризующее зависимость полноты удаления листостебельной массы (п ) от угла установки ножей (р ) и частоты вращения рабочего органа (п )

66 64 62

i60

«

Я о К

и

i

о

^

н о

и >

58 56 54 52 50 48 46

/ / ^--- :

'//у/ у/ ч \ \

- " — \ \ \ w

'"■■-.. -

/ / с ( \ - , \ \

X \ V I V —-_ я я у ) ) I I )'

- s ^ __91,6 z ■

— —

■

44

0,03 0,04 0,05 0,06 0,07 0,08 0,09 0,10 0,11

Высота установки рабочего органа относительно поверхности поля - h, м

Рис. 4. Двумерное сечение, характеризующее зависимость полноты удаления листостебельной массы (n ) от угла установки ножей (b ) и высоты установки рабочего органа относительно поверхности поля (h )

рабочего органа относительно поверхности v = 57,210455 + 0,011252 n + 111,153891 h + поля (h). 2 2

4 ' I п оог^от я n nnnnn J*,2 ic\ 2 nine nc ;„2

Для использования уравнения регрессии в инженерных расчетах удобнее представить его в раскодированном виде:

+ 0,993492 b - 0,00000 3n2 - 703,9595 08h2 -

- 0,008707b2 - 0,002500nh + 0,00000 2nb -

- 0,208333 hb.

После изучения поверхностей отклика (рис. 2, 3, 4) в зоне оптимальных значений факторов с помощью способа двумерных сечений были определены оптимальные значения конструктивно-кинематических параметров ботвоудаляющего устройства: частота вращения рабочего органа п = 1480...1820 мин-1, высота установки рабочего органа относительно поверхности поля к = 0,05...0,08 м, угол установки ножей р= 51...61 град при параметре оптимизации равном 97,5...97,75 %.

Таким образом, значения конструктивно-кинематических параметров ботвоуда-ляющего устройства, полученные при экспериментальных исследованиях, полностью вписываются в зависимости, выявленные теоретическим исследованием.

Литература

1. Кукта, Г. М. Испытание сельскохозяйственных машин / Г. М. Кукта. - М.: Машиностроение, 1964. - 284 с.

2. Спиридонов, А. А. Планирование эксперимента при исследованиях технологических процессов / А. А. Спиридонов. - М.: Машиностроение, 1981. - 184 с.

3. Мельников, С. В. Планирование эксперимента в исследованиях сельскохозяйственных процессов / С. В. Мельников, В. Р. Алешкин, П. М. Рощин. - Л.: Колос, 1980. - 167 с.

4. Болдин, А. П. Основы научных исследований и УНИРС: учебное пособие. 2-е изд., перераб. и доп. / А. П. Болдин, В. А. Максимов. - М., 2002. - 276 с.

Нива Поволжья № 2(7) май 2008 51