CC BY
63
АГРОПРОМЫШЛЕННАЯ ИНЖЕНЕРИЯ
УДК 631.316.4
ОБОСНОВАНИЕ ОПТИМАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ РАБОЧЕГО ОРГАНА ДЛЯ ПОВЕРХНОСТНОЙ ОБРАБОТКИ ПОЧВЫ
WORKING BODY FOR SOIL SURFACE CULTIVATION OPTIMAL PARAMETERS SUBSTANTIATION
С. E. Греков, соискатель
ФГОУВПО Волгоградская государственная сельскохозяйственная академия
S. Е. Grekov
Volgograd state agricultural academy
Приведено обоснование оптимальных параметров стрельчатой плоскорежущей лапы с помощью многофакторного эксперимента, при этом за параметр оптимизации принята полнота подрезания сорняков.
Lancet flat hoe optimal parameters substantiation with the help of multiple-factor experiment is given in the article, at the same time weeds paring completeness is taken as the optimization parameter.
Ключевые слова: стрельчатая, износостойкий, оптимальные, варьирование, многофакторный, параметр оптимизации, подрезание, рыхление.
Key words: lancet, wearproof, optimal, variation, multiple-factor, optimization parameter, paring, tallage.
Технология возделывания бахчевых и пропашных культур предусматривает предпосевную обработку почвы, посев, уход за посевами. Разработанные конструкции машин для выполнения этих технологических операций производят рыхление почвы и подрезание сорняков. Следует отметить, что рыхление почвы можно производить многими конструкциями рабочих органов, но все они имеют недостатки, которые вызывают нарушение технологического процесса, перемешивание почвы, вынос влажных слоев на поверхность и другие.
В большей степени отвечают агротехническим требованиям по выполнению перечисленных технологических операций стрельчатые плоскорежущие лапы.
В разработанной лабораторией механизации овощеводства и бахчеводства конструкции рабочего органа для поверхностной обработки почвы использованы элементы стрельчатой плоскорежущей лапы. Так как лапа имеет верхнюю заточку и наплавку нижней части лезвия твердым износостойким сплавом, то значительное влияние на качество
работы стрельчатой лапы оказывают угол у раствора лапы, угол крошения Р, угол заострения задний угол резания г, глубина обработки а, ширина захвата лапы в и скорость движения орудия V (рис. 1).
Угол у раствора лапы выбирается таким, чтобы подрезание сорняков производилось скользящим резанием, а корни подрезанных сорняков скользили вдоль лезвия. Если это условие не соблюдается, корни сорняков накапливаются на крыльях лап, которые перестают подрезать сорняки и выглубляются из почвы. Предотвращение обвала-кивания сорняками и почвой лезвий лап и стоек соблюдается при условии у<90-ф, где ф - угол трения сорняков о лезвие лапы, град.
Оптимальные параметры стрельчатой плоскорежущей лапы можно определить с помощью многофакторного эксперимента. Задачей исследования является получение функции отклика и нахождение с её помощью оптимальных условий процесса подрезания сорняков при предпосевной обработке почвы, посеве и уходе за посевами [1, 2, 3].
За параметр оптимизации принята полнота подрезания сорняков. Основными факторами, влияющими на параметр оптимизации, являются угол у раствора лапы, угол крошения Р, угол заострения задний угол резания 8, глубина обработки а, ширина захвата лапы в и скорость движения орудия V. Все факторы непосредственно воздействуют на параметр оптимизации, не являются функцией двух переменных, управляемы и однозначны.
Решением многофакторной задачи обеспечивается выбор математической модели-уравнения, связывающего параметры оптимизации с факторами. Основные факторы, влияющие на полноту подрезания, и интервалы варьирования, представлены в таблице 1.
Таблица 1- Основные факторы, влияющие на полноту подрезания _____ сорняков, и намеченные интервалы варьирования_____________
Обозна- чение Фактор Уровень варьирования
нижний (-) основной (0) верхний (+) интервал варьиро- вания
X! Угол раствора лапы (2у), град 50 75 100 25
Х2 Угол крошения ((3), град. 10 20 30 10
Х3 Угол заострения (1), град. 10 15 20 5,0
х4 Задний угол резания (е), град. 5,0 10 15 5,0
х5 Глубина обработки (а), мм 50 100 150 50
х6 Ширина захвата лапы (е), мм 350 400 450 50
Х7 Скорость движения (V), м/с 1,0 2,0 3,0 1,0
Проведение полного факторного эксперимента предусматривает выбор локальной области полного факторного пространства.
Локальная область проведения эксперимента по изучению влияния различных факторов на полноту подрезания сорняков изучалась при проведении лабораторных и полевых испытаний стрельчатых плоскорежущих лап. За основной (нулевой) уровень приняты значения факторов, полученные по результатам исследований. Интервалы варьирования назначались также на основании лабораторных и полевых испытаний.
За интервал варьирования принималось число, которое в сумме с основным уровнем дает верхний предел варьирования фактора, а при разности - нижний.
Запись условий эксперимента, обработки данных и масштабы их осей задавались так, чтобы нижний уровень соответствовал - 1, основной - нулю, а верхний +1.
Для реализации исследований в области оптимума выбран предельно насыщенный план второго порядка (план Рехтшафнера ), по которому число опытов серии равно числу коэффициентов уравнения регрессии, полученного на основе данных этого эксперимента.
Уравнение регрессии для семи факторов в общем виде имеет вид: У = Во + В1X1 + В2 Х2 + В3Х3 + В4Х4 + В5Х5 + В6Х6 + В7Х7 + В8Х1Х2 + + В9Х1Х3+ В10X1X4 + В11X1X5 + В12X1X6 + В13X1X7 + В14X2X3 + в 15X2X4 + В16X2X5 + В17X2X6 + В18X2X7 + В19X3X4 + В20Х3Х5 + В21Х3Х6 + В22Х3Х7 + В23Х4Х5 + В24Х4Х6 + В25Х4Х7 + В26Х5Х6 + В27Х5Х7 + В28Х6Х7 + В29Х12 + В30Х22 + В31ХЗЗ + В32Х42 + 633X52 + В34Х72 + В35Х72. (1)
Значения коэффициентов определялись по методике, разработанной при планировании эксперимента согласно уровням варьирования факторов (табл. 1).
Построение плана Рехтшафнера выполнялось на основе активного эксперимента.
Для реализации плана на ЭВМ вычислены коэффициенты регрессии и получено уравнение в кодированном виде для полноты подрезания сорняков
У = 97,85296 - 1,893658X1 - 0,9999733Х2 - 2,131218Х3 + 0,4687481Х4 ++1,975025X5 - 0,387497Х6 + О ,9374695Х7 +0,06249464X1 Х2 -0,5062601Х1Хз + + 0,2687599X1X4 + 0,287493X1X5 - 0,2500086Х1Хб -0,00009536743Х1Ху - 0,1000099Х2Хз - 1,275017X2X4 + 0,3437352X2X5 +
0,5312375Х2Х6 + 0,3062344Х2Х7 - 0,08123577Х3Х4 - 0,2499907Х3Х5 -
0,2375119Х3Х6 - 0,1375218ХэХ7 - 0,6499757Х4Х5 -0,2625173Х4Хб +
0,08748054Х4Х7 - 0,218763 8Х5Хб - 0,6187801Х5Х7 - 0,4062748ХбХ7 -
2Д60614Х12- -1,252472Х22- 1,521729Х22 - 2,421967Х42 - 2,027863Х52 -2,965759Хб2 - 1,989258Х72. (2)
Исследованием уравнения регрессии определяется вид оптимума и координаты оптимума поверхности отклика. Полученное уравнение регрессии приводится к каноническому виду, и определяется тип поверхности отклика в изучаемой области.
Уравнение в канонической форме
У = 97,81 - 2Д2Х12 - 0,85Х22 - 1,34Х32 - 2,66Х42 - 2,5Х52 - 3,15Хб2 -1,72Х72. (3)
Поверхность, соответствующая полученному уравнению, представляет собой выпуклый вверх эллиптический параболоид, то есть поверхность имеет экстремальную точку, и эта точка - точка максимума параболоида. Для определения координат поверхности отклика составим систему линейных уравнений, приравняв частные производные функции отклика по факторам к нулю.
Оптимальные значения факторов получены решением системы линейных уравнений:
— = -1,893658 + 0,06249464Х2 - 0,5062601Х3 + 0,2687599Х4 +
<)Х ]
+ 0,287493Х5- 0,2500086Хб - 0,00009536743ХУ - 4,321228X1 = 0;
— = -0,9999733 + 0,06249464X1 - 0,1000099Х3 - 1,275017Х4 +
дХ 2
0,3437352X5 + + 0,5312375Хб - 0,3062344Х7 -2,504944Х2 = 0;
— = -2,131218 -0,5062601X1 - 0,1000099Х2 + 0,08123577Х4 +
дХ3
+ 0,2499907X5 - 0,2375119Х6 - 0,1375218Х7 - 3,043458Х3 = 0;
— = 0,4687481 + 0,2687599X1 - 1,275017Х2 + 0,08123577Х3 +
дХ4
+ 0,6499757X5 - 0,2625173Хб + 0,08748054Х7 - 4,843934Х4 = 0;
— = 1,975025 + 0,287493X1 + 0,3437352Х2 + 0,2499907Х3 + дХ5
+ 0,6499757Х4 - 0,2187638Хб - 0,6187801Х7 - 4,055726Х3 = 0;
— = -0,387497- 0,2500086X1 + 0,5312375Х2 - 0,2375119Х3 -дХ6
— 0,2625173Х4 - 0,2187638Х5 -0,4062748Х7 - 5,931518Х6 = 0;
— = 0,9374695 - 0,00009536743X1 + 0,3062344Х2 - 0,1375218Х3 + дХ7
+ 0,08748054Х4 - 0,6187801Х5 - 0,4062748Хб - 3,978516Х7 = 0 (4)
Имея адекватную математическую модель второго порядка, можно определить координаты центра поверхности отклика и изучить поверхность отклика в области оптимума. Это изучение выполнялось методом двумерных сечений, примеры которых приведены на рисунках 2, 3, 4.
Оптимальные значения факторов в кодированном виде:
Х1 = - 0,37; Х2 = - 0,89; Х3 = - 0,64; Х4 = 0,20; Х5 = 0,74; Х6 = -0,16; Х7 = 0,11.
Натуральные численные значения факторов для экстремальной точки У найдены решением уравнений 4 и равны:
Х1 = 75 - 25 • 0,37 = 65,75 град;
Х2 = 20 - 0,89 • 10= 11,1 град;
Х3 = 15-0,64* 5 = 11,8 град;
Х4= 10 + 0,2* 5 = 11 град;
Х5= 100 + 0,74 * 50= 137 мм;
Х6 = 400 - 0,16 • 50 = 392 мм;
Х7 = 2 + 0,11 - 1 =2,11 м/с.
412'
^ г-—.г ^ V^ ч'V
л я л а* •; ~мш *к г % с ^
1|^|2К!|Р>Р«Ь7«гкиЕ£«\'айЛ гл и ч к * т - - ч ь я и к к к л V я л л ппкгывва^я^кьк'ь'шл'лл1 лпмчвн^аянйллиилл^ «на>=ян£Ч1>а:м1и.\|1пп тпг:л ярчмя^ккп’ я и .V л'и’ гжнрааякяа1Я|1.тиш1Ш1 пиивававааагшининц 'шпвккавкшв! дшиши
■ ■В1ВаВВ|'11']|||1ШН1Н
■ ■ ■■ннввавашвшшц
■ в ввввиввааа ■мишми ивплввг.вгашпиши ■аалвк**авнин иа* | ч х .Млааввварячпн’игиши кпакчввгани! м 'ЦП .Ъл4.4ъ.«*«*а»ДОК1Ш#ПГ||11(
ЧпнгММ
Рисунок 2 - Влияние угла раствора лапы (х1) и угла крошения (х2) на
функцию отклика: а) поверхность отклика; Ь) двумерное сечение поверхности отклика
щ
/ I
«чпляч
^■*Г = ^ = 7-|1ь7Ь31'ж'Ъ<1к-«Ч%¥
аиванмзьчк^кыъм; * и ь ш ш ш ш я ч я а йу и я и к к и к » >3 ■ ■ •; =»= 4 К», ч *; ■ я .7 К* н н л
■ г«ввавв;1£ч»..Ч1?в'|*.'1.ч* каа'.макк^вв’(Ик'".,кь&1' ■анваав»1к^алкв1лллл
■ яв1Н^==7Еаа«1Ч№«клквк*квг п вв гзна аш ■ а я лагвн вг я л п л л
ЛВГ|1В1ВВ4МВИВТк1|11|1
■ ■■ввввв-*;льнвямнн*в
па х ^г";ч « влв^ав ■№« в ■■■■■-!■■ '■н'вга пт пт ва ввв ВГЯ.1НВ» а шв В'В1 вввввк'ввлввавьаив ■■■'
.'Л1.ттгххл:^ввввв11в-«а ■ ■■ ъ вь'вьаааннив! в 1В|В ■ ■ ■ХВ1.ЧВ аип «■'< в амшл
‘ ш
11,5 100
т
¥„=99,05
Рисунок 3 - Влияние угла раствора лапы (х1) и угла заострения (х2) на
функцию отклика: а) поверхность отклика; Ь) двумерное сечение поверхности отклика
Рисунок 4 - Влияние ширины захвата лапы (хб) и скорости движения
(х7) на функцию отклика: а) поверхность отклика; Ь) двумерное сечение поверхности отклика
Так как все коэффициенты уравнения регрессии в канонической форме имеют одинаковые знаки, то центр поверхности отклика находится вблизи центра эксперимента, а поверхность отклика имеет экстремум.
В исходное уравнение регрессии подставляются значения координат центра за исключением двух переменных. На графике в координатах независимых переменных наносится центр, проводятся оси главных направлений, затем в уравнение канонического вида задаются значения функции отклика и строятся кривые одного уровня, по которым судят об изменении критерия оптимизации. По анализу всех возможных сечений получается представление об изменении критерия оптимизации при варьировании разных пар факторов.
Исследованиями влияния угла раствора лапы и углов крошения,
заострения, заднего угла резания, глубины обработки, ширины захвата
лапы, скорости движения на функцию отклика установлено, что
величина угла раствора изменяется в пределах 66...67,5°, при этом
1
оптимальные значения угла крошения составляют 16 , угла заострения -12,2°, заднего угла резания 12,2°, глубины обработки 118 мм, ширины захвата лапы 395 мм, скорости движения 2,1 м/с.
Если полноту подрезания принимать равной 99 %, то перечисленные параметры будут изменяться в некоторых пределах, показанных на двумерных сечениях поверхностей отклика.
На основании проведенного исследования установлены оптимальные параметры стрельчатой плоскорежущей лапы, глубина обработки, скорость движения и интервалы их варьирования, которые приведены в таблице 2.
Таблица 2 - Значения основных параметров стрельчатых плоскорежущих лап и режима их работы
№№ п/п Наименование параметра Оптимальное значение Допустимые отклонения
1. Угол раствора лапы (2у), град 66,9 66... 67,5
2. Угол крошения ((3), град 15,7 15,2...16,0
3. Угол заострения (1), град 12,25 12,2...12,3
4. Задний угол резания (е), град 11,95 11,5...12,2
5. Глубина обработки (а), мм 118,7 118...120
6. Ширина захвата лапы (е), мм 393,3 393...395
7. Скорость движения (V), м/с 2,1 2,08...2,13
Библиографический список
1. Абезин, В.Г. Механизация возделывания бахчевых культур на основе ресурсосберегающих технологий: дис. д-ра техн. наук: 05.20.01 / Абезин Валентин Германович. - Волгоград, 2003.-478 с.
2. Налимов, В.В. Теория эксперимента/В.В. Налимов. -М.: Физматгиз, 1974. -217 с.
3. Цепляев, А.Н. Агрономические и технические решения по совершенствованию возделывания бахчевых культур в неорошаемом земледелии: дис. д-ра с.-х. наук: 06.01.01., 05.20.01. / Цепляев Алексей Николаевич. - Волгоград, 1998. - 378 с.
E-mail: vqsxa@avtlg.ru
