CC BY
106
УДК 631.354.024
ОПТИМИЗАЦИЯ КОНСТРУКТИВНЫХ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ АКСИАЛЬНО-РОТОРНОЙ МОЛОТИЛЬНО-СЕПАРИРУЮЩЕЙ СИСТЕМЫ
Бердышев Виктор Егорович, кандидат технических наук, заместитель директора департамента научно-технологической политики и образования Министерства сельского хозяйства Российской Федерации
107139, г. Москва, Орликов переулок, 1/11 е-mail: [email protected]
Ключевые слова: зерновые культуры, обмолот зерна, сепарация зерна, зерноуборочный комбайн
Автором статьи предложена молотильно-сепарирующая система зерноуборочного комбайна, которая исследована в лабораторных условиях. Получено уравнение регрессии процесса обмолота и сепарации зерна.
Одной из основных задач при исследовании процессов обмолота и сепарации зерна является определение оптимальных значений конструктивных параметров, а также режимов работы молотильно-сепа-рирующей системы. В качестве объекта исследования принята молотильно-сепариру-ющая система зерноуборочного комбайна СК-10В [4].
При эксплуатации сложной зерноуборочной техники, к которой относят зерноуборочные комбайны, возникает проблема оценки качественных показателей работы комбайнов и возможные способы влияния на эти показатели. Работу любого зерноуборочного комбайна оценивают несколькими показателями: потерями свободного и не-вымолоченного зерна, дроблением зерна, макро- и микроповреждениями зерна, энергоемкостью технологического процесса и т.д.
Для оптимизации конструктивных и технологических параметров аксиально-ро-
торной молотильно-сепарирующеи системы зерноуборочного комбайна использовали лабораторную установку, разработанную с участием автора инженерами В.Н. Мыс-ливцевым, В.В. Солдатенковым и доработанную А.В. Шевцовым, И.И. Ирковым [5, 6]. Исследования проводили на обмолоте озимой пшеницы. После проведения поисковых опытов для исследования области оптимума был реализован семифакторный план эксперимента Рехтшафнера.
Получение уравнений регрессии связано с большими затратами времени и средств. Массив данных, полученных в этой работе, настолько велик, что обычные традиционные расчеты оказываются неприемлемыми. Поэтому для реализации представленных задач были разработаны специальные программы, а все последующие расчеты проведены на ПЭВМ типа IBM [3].
Для оптимизации параметров аксиально-роторной молотильно-сепарирую-щей системы выбраны независимые факто-
ры, уровни и интервалы варьирования которых представлены в таблице 1.
Критериями оптимизации являлись потери П и дробление Д зерна [2].
В результате проведенных экспериментов и последующих расчетов были получены уравнения регрессии:
П = 1,77-0,16хг ,15х2+0,2хз+0,17х1х2+0,08х1хз-0,2х2хз-
0,08х1х2х3,
(1)
П2 = 1,8+0,37х4-0,28х+0,192х6+0,03х4х-
2 ' ' 4 ' 5
0,02х4х6+0,03х5х6+0,01х4х5х6,
(2)
П =1,62-0,29х +0,2х-0,16х +0,0 2х х -
3 5 6 7 5 6
0,03х5х7+0,02х6х.
67
(3)
Д1 = 1,12+0,05х1+0,08х2-0,11хз-
0,14х1х2-0,04х1хз+0,1х2хз+0,0:5х1х2хз, (4)
Д2=1,09-0,17х4+0,16х5-0,14х6+0,03х4х5-0,03х5х6, (5)
Д3 = 1,06 - 0,16х5 - 0,14х6 - 0,11х7 -0,03х5х6 - 0,03х6х7. (6)
В приведенных выше уравнениях регрессии факторы х1 х2, хз, х4 х5, х6, х7 являются значимыми. Значимость коэффициентов уравнений регрессии оценивали по критерию Стьюдента. Незначимые коэффициенты удаляли и выполняли повторный расчет коэффициентов регрессионной модели [1]. В результате расчетов получены уравнения регрессии в кодированном виде:
П = 0,271 - 0,039^ + 0,029х2 - 0,026х3 + + 0.126х4 - 0,032х5 + 0,025 х6 -0,02х7 +
+ 0,007х,х, -0,008x^3 +0,010Х[Х4 --0,01ІХ[Х5 -0,008х!х6 + 0,007х1х1 +
- 0,005х2хъ - 0,01х3х4 + 0,011х3х5 -
- 0,013х2х6 + 0,004 х2х7 + 0,01х3х4 -+ 0,011х3х5 + 0,017х3х6 -0,008х3х7 +
+ 0,011 х4х5 - 0,018х4хб + 0,014х4х7 +
+ 0,005х5х6 -0,015х5х7 + 0,006х6х7 +
+ 0Д87Х[2 +0,180х22 + 0Л55х32 +0,272х4 + + 0Д31х52 + 0,094 х2 + 0,099х7
Адекватность полученных математических моделей проверяли по критерию Фишера. Получено, что при исследовании изменения потерь FП = 0,7695 и РД = 0,6072. Во всех случаях Р005 > Р (здесь Р005 =2 ,1646 - табличное значение критерия Фишера при уровне значимости 5% [1]). Следовательно, математические модели адекватны.
Таблица 1
Факторы, их уровни и интервалы варьирования
Факторы Уровни варьирования факторов Интервал варьирования
-1 0 +1
х1 - частота вращения ротора, мин-1 780 990 1200 210
х2 - зазор на выходе из ротора, мм 10 20 30 10
х3 - длина МСС, мм 1500 2400 3300 900
х4 - подача в МСС, кг/с 6 8 10 2
х5 - угол охвата ротора деками, град. 0 90 180 90
х6 - угол наклона бичей, град. 0 25 50 25
х7 - угол наклона винтовых направителей кожуха, град. 56 64 72 8
Для анализа полученные математические модели второго порядка привели к типовой канонической форме.
Уравнения регрессии в канонической форме имеют следующий вид:
-0,25 = 0Д88Х2 + 0,18IX,2 + 0Д56Х2 +
+ 0,273 X2 + 0Д31Х2 +0,09X1 + 0,097 X2
(9)
¥д -0,63 = 0Д85Х; + 0ДХ22 +0Д 77Х; +
+ 0,133Х42 +0Д39Х; + 0,124ХЙ2 I о.от;
(10)
Поскольку все коэффициенты при ква-
дратных членах уравнения имеют положительные знаки, то поверхности откликов, описанные уравнениями (9) и (10), представляют не что иное, как семимерные параболоиды с координатами центров поверхностей в оптимальных значениях факторов. Для определения оптимальных параметров необходимо было решить компромиссную задачу с помощью двухмерных сечений. При этом находили значения факторов, при которых потери зерна минимальны при допустимом уровне дробления. Основной критерий оптимизации - минимальные потери зерна П. Дополнительный критерий оптимизации - дробление зерна Д.
Например, при рассмотрении двух-
Таблица 2
Анализ двухмерных сечений поверхности отклика по уравнениям регрессии
Значения фиксированных факторов Изменяемые факторы и их оптимальные значения
х3 = 0,08; х4 = - 0,23; х5 = 0,11; х6 = - 0,1; х7 = 0,1 х1= + 0,05...+ 0,15; х2 = - 0,15...- 0,05
х2 = - 0,08; х4 = - 0,23; х5 = 0,11; х6 = - 0,1; х7 = 0,1 х1= + 0,05.+ 0,15; х3 = + 0,05.+ 0,15
х2 = - 0,08; х3 = 0,08; х5 = 0,11; х6 = - 0,1; х7 = 0,1 х1= + 0,05.+ 0,15; х4 = - 0,3.- 0,2.
х2 = - 0,08; х3 = 0,08; х4 = - 0,23; х6 = - 0,1; х7 = 0,1. х1= + 0,5.+ 0,15; х5 = + 0,05.+ 0,15
х2 = - 0,08; х3 = 0,08; х4 = - 0,23; х5 =0,11; х7 = 0,1 х1= + 0,05.+ 0,15; х6 = - 0,15.- 0,05.
х2 = - 0,08; х3 = 0,08; х4 = - 0,23; х5 = 0,11; х6 = - 0,1 х1= + 0,05.+ 0,15; х7 = + 0,05.+ 0,15.
х1 = 0,1; х4 = - 0,23; х5 = 0,11; х6 = - 0,1; х7 = 0,1 х2 = - 0,15.- 0,05; х3 = + 0,05.+ 0,15
х1 = 0,1; х3 = 0,08; х5 = 0,11; х6 = - 0,1; х7 = 0,1 х2 = - 0,15.- 0,05; х4 = - 0,3.- 0,2
х1 = 0,1; х3 = 0,08; х4 = - 0,23; х6 = - 0,1; х7 = 0,1 х2 = - 0,15.- 0,05; х5 = + 0,05.+ 0,15
х1 = 0,1; х3 = 0,08; х4 = - 0,23; х5 = 0,11; х7 = 0,1 х2 = - 0,15.- 0,05; х6 = - 0,15.- 0,05
х1 = 0,1; х3 = 0,08; х4 = - 0,23; х5 = 0,11; х6 = - 0,1 х2 = - 0,15.- 0,05; х7 = + 0,05.+ 0,15
х1 = 0,1; х2 = - 0,08; х5 = 0,11; х6 = - 0,1; х7 = 0,1 х3 = + 0,05.+ 0,15; х4 = - 0,3.- 0,2
х1 = 0,1; х2 = - 0,08; х4 = - 0,23; х6 = - 0,1; х7 = 0,1 х3 = + 0,05.+ 0,15; х5 = + 0,05.+ 0,15
х1 = 0,1; х2 = - 0,08; х4 = - 0,23; х5 = 0,11; х7 = 0,1 хз = + 0,05.+ 0,15; х6 = - 0,15.- 0,05
х1 = 0,1; х2 = - 0,08; х4 = - 0,23; х5 = 0,11; х6 = - 0,1 х3 = + 0,05.+ 0,15; х7 = + 0,05.+ 0,15
х1 = 0,1; х2 = - 0,08; х3 = 0,08; х6 = - 0,1; х7 = 0,1 х4 = - 0,3.- 0,2; х5 = + 0,05.+ 0,15
х1 = 0,1; х2 = - 0,08; х3 = 0,08; х5 = 0,11; х7 = 0,1 х4 = - 0,3.- 0,2; х6 = - 0,15.- 0,05
х1 = 0,1; х2 = - 0,08; х3 = 0,08; х5 = 0,11; х6 = - 0,1 х4 = - 0,3.- 0,2; х7 = + 0,05.+ 0,15
х1 = 0,1; х2 = - 0,08; х3 = 0,08; х4 = - 0,23; х7 = 0,1 х5 = + 0,05.+ 0,15; х6 = - 0,15.- 0,05
х1 = 0,1; х2 = - 0,08; х3 = 0,08; х4 = - 0,23; х6 = - 0,1 х5 = + 0,05.+ 0,15; х7 = + 0,05.+ 0,15
х1 = 0,1; х2 = - 0,08; х3 = 0,08; х4 = - 0,23; х5 = 0,11 х6 = - 0,15.- 0,05; х7 = + 0,05.+ 0,15
мерного сечения поверхности отклика по уравнениям регрессии относительно факторов (х2) и (х2), факторы (хз, х4, х5, х6, х7) фиксировали на уровне, соответствующему минимальным потерям зерна (рис. 1): хз = 0,08; х4 = - 0,23; х5 = 0,11; х6 = - 0,1; х7 = 0,1. Анализ двухмерного сечения показал, что поверхность отклика имеет общую зону оптимума, а оптимальными являются следующие значения факторов: х= + 0,05.+ 0,15 и х2 =
- 0,15.- 0,05.
Анализ других двухмерных сечений также показал, что поверхности откликов имеют общую зону оптимума. Результаты анализа приведены в таблице 2.
Для того чтобы потери зерна были минимальными, необходимо принять следующие оптимальные значения факторов: х2 = + 0,05.+ 0,15 (1000,5.1021,5 мин"1); х2 = - 0,15.- 0,05 (18,5.19,5 мм); хз = + 0,05.+ 0,15 (2445.2535 мм); х4 = - 0,3..- 0,2 (7,4...7,6 кг/с); х5 = + 0,05.+ 0,15 (94,5.103,5 град); х6 = - 0,15...- 0,05 (21,3.23,8 град.); х7 = + 0,05.+ 0,15 (64,4.65,2 град.).
Дробление зерна при этом составило 0,7%, а потери зерна - 0,25%. Таким образом, с помощью двухмерных сечений была решена компромиссная задача и определены оптимальные значения факторов.
Учитывая, что при полученных оптимальных значениях конструктивных и технологических параметров потери и дробление зерна значительно ниже допустимых, можно сделать вывод, что комбайн СК-10В имеет высокие потенциальные возможности и может работать при большей загрузке молотильно-сепарирующей системы. Для установления закономерностей изменения качественных показателей работы моло-тильно-сепарирующей системы аксиальнороторного типа (потерь и дробления зерна, подачи незерновой фракции на очистку и др.) от режимов работы и конструктивных параметров самой системы требуется проведение одно- и двухфакторных экспериментов.
Библиографический список
1. Адлер, Ю.П. Планирование экспери-
Рис. 1. - Двухмерное сечение для изучения влияния факторов х1 и х2 на потери П и дробление Д зерна при х3 = 0,08; х4 = -0,23; х5 = 0,11; х6 = - 0,1; х7 = 0,1
мента при поиске оптимальных условий / Ю.П. Адлер, Е.В. Маркова, Ю.В. Грановский.
- М.: Наука, 1976. - 279 с.
2. Бердышев, В.Е. Комплексный показатель качества работы зерноуборочного комбайна / В.Е. Бердышев // Известия Нижневолжского агроуниверситетского комплекса: наука и высшее профессиональное образование. - 2010. - № 2 (18). - С. 142-148.
3. Дегтярев, Ю.П. Регрессионный анализ на ПЭВМ / Ю.П. Дегтярев, А.И. Филатов // Сб. научн. тр. Волгогр. СХИ. - Волгоград, 1992. - С. 128 - 131.
4. Кленин, Н.И. Молотильно-сепариру-ющее устройство аксиально-роторного типа / Н.И. Кленин, С.Г. Ломакин, В.Е. Бердышев // Вузовская наука - производству. М.: МИ-ИСП, 1988. - С. 28.
5. Мысливцев, В.Н. Обоснование параметров и показателей работы аксиально-роторного молотильно-сепарирующего устройства. - Дис. канд. техн. наук. - М. МИ-ИСП, 1985. - С. 78-88.
6. Солдатенков, В.В. Влияние угла наклона ротора на качественные показатели работы сепаратора аксиального типа // Технологические процессы механизированных работ в полеводстве. - М.: МИИСП, 1982. - С. 113-117.
