CC BY
21
УДК 631.362.333:633/635
ОПТИМИЗАЦИЯ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ГОФРОЩЁТОЧНОГО ОЧИСТИТЕЛЯ КОРМОВЫХ КОРНЕПЛОДОВ
© 2016 г. В.В. Карпов
Целью выполненной работы является анализ результатов оптимизации основных параметров гофро-щеточного очистителя для механической (безводной) очистки кормовых корнеплодов перед их переработкой или закладкой на хранение. Особенность проведения оптимизации параметров исследуемого объекта состоит в необходимости одновременного рассмотрения трех параметров оптимизации: показателя эффективности очистки У1, удельной энергоемкости У2 и потерь корнеплодов У3 при очистке. В этом случае необходимо решение компромиссной задачи нетрадиционными методами - нетрудоемкими, точными и эф-
11
фективными. Нами выполнено решение компромиссной задачи с помощью опции «Профили отклика желательности» в прикладной программе для ПК «STATISTICA» версия 6.0. Решение компромиссной задачи в среде «STATISTICA» состоит в нахождении такого сочетания уровней входящих факторов Xi, которые максимизируют функцию общей желательности исхода J. Процедура вычислений в данной программе основана на симплекс-методе оптимизации, позволяющем определять функцию общей желательности исхода J как среднее геометрическое из преобразованных отдельных желательностей показателей оптимизации. Итогом программного решения компромиссной задачи является определение оптимальных значений трех параметров оптимизации, максимизирующих значение функции общей желательности исхода J. Максимальное значение функции общей желательности исхода J = 0,74379 обеспечивается при установке входящих факторов на их оптимальные значения: частоты вращения барабанов гофрощеточного очистителя ю = 16,186 с-1, диаметра барабанов D = 0,42168 м, длины барабанов L = 0,80019 м и высоты утолщений на дисках h = 0,01507 м. Кроме того, анализ кривых на составном графике позволяет выявить наиболее «активные» компоненты, влияющие как на отклики каждого показателя оптимизации, так и на функцию общей желательности исхода J.
Ключевые слова: гофрощеточный очиститель кормовых корнеплодов, программное решение компромиссной задачи, оптимизация основных параметров.
The purpose of the performed work is the results analysis of optimizinge main parameters of corrugated brush cleaner for mechanical (anhydrous) cleaning of fodder root crops before their recycling or storage laying. The peculiarity of parameters optimization of the object under study is necessity of simultaneous consideration of three optimization parameters, that are indicator of purification efficiency Y1, energy intensity Y2 and root crop losses Y3 during cleaning. In this case, he compromise issue must be solved by non-traditional methods and be no time-consuming, precise and effective. We have carried out compromise solution to the problem with the "Profiles of desirability response" option in the applied programm for the PC "STATISTICA" of 6.0 version. Compromise decision of the issue in the «STATISTICA» medium is to find such a levels combination of incoming Xi factors that maximizes the function of the overall desirability of the J outcome. Computing procedure in this program is based on a simplex-method optimization, that allows to define the function of the J outcome overall desirability as geometric average of the transformed individual desirabilities of optimization indicators. The result of software solutions of compromise task is to determine the optimal values of the three optimization parameters, maximizing the value of the overall desirability of the J function outcome. The maximum value of total desirability outcome function is J = 0,74379 that is provided when outside factors are equal to their optimal values: rotation frequency of corrugated brush cleaner drums is w = 16,186 s-1, drums diameter is D = 0,42168 m, drums lengths are L = 0,80019 m, the thickening height on disk is h = 0,01507 m. Moreover, analysis of the curves on the composite chart reveals the most "active" components, affecting both the responses of each optimization parameter and the function of the J outcome overall desirability.
Keywords: corrugated brush cleaner of fodder root crops, software solution of compromise task, the optimization of basic parameters.
Введение. Наиболее ответственной операцией при переработке корнеплодов является очистка их от загрязнений. Очистка кормовых корнеплодов от загрязнений может осуществляться двумя основными способами: механическим (безводным) и гидромеханическим (мойкой). С экологической точки зрения механический (безводный) способ очистки является более выгодным, т.к. отпадает необходимость в очистке отработанной воды и появляется возможность возвратить обратно на поля отделенные остатки почвы. [1]. Совершенствование рабочих органов для механической (безводной) очистки кормовых корнеплодов путем оптимизации их режимных параметров является актуальной научной задачей [2].
Теоретические и методологические основы конструирования машин для под-
готовки кормовых корнеплодов к скармливанию животным и использования машин в технологических линиях кормоцехов приведены в работах ученых С.В. Мельникова, Н.В. Брагинца, В.Ю. Фролова, Н.Н. Колчи-на, И.И. Ревенко, В.А. Мухина и др. [3, 4]. Исследования вышеуказанных авторов позволили обосновать режимные и конструктивные параметры машин для гидромеханической и безводной очистки кормовых корнеплодов от загрязняющих их примесей. Однако дальнейшая разработка и совершенствование очистителей кормовых корнеплодов невозможна без использования математических методов оптимизации параметров и технологий современного анализа данных на компьютере [5, 8].
Методика исследования. При изучении гофрощеточного очистителя корнеплодов как объекта исследования [6, 7]
возникает необходимость в одновременном рассмотрении трех параметров оптимизации: показателя эффективности очистки Y1, удельной энергоемкости Y2 и потерь корнеплодов Y3 при очистке. В этом случае необходимо решение компромиссной задачи, т.к. на экстремум для одной поверхности отклика налагаются ограничения другими поверхностями отклика [5].
Как известно, компромиссные задачи в основном решают двумя известными способами: графическим - с помощью двумерных сечений и аналитическим - с помощью неопределенных множителей Лагранжа. Однако решение компромиссной задачи данными методами, с одновременным рассмотрением трех и более критериев оптимизации, становится трудоемким и слишком громоздким. В нашем случае решение компромиссной задачи производим с помощью опции «Профили отклика желательности» в прикладной программе для ПК <^ТАТКТГСА» версия 6.0 [8]. В основе построения обобщенного отклика при оптимизации параметров гофрощеточ-ного очистителя лежит идея преобразования натуральных значений частных откликов в безразмерную шкалу желательности или предпочтительности. Функция общей желательности исхода J, обладая такими свойствами, как адекватность, эффективность и статистическая чувствительность, может являться количественным, однозначным, единым и универсальным показателем качества работы исследуемого очистителя.
Результаты и их обсуждение. Решение компромиссной задачи в среде <^ТАТКТГСА» состоит в нахождении та-
кого сочетания уровней входящих факторов Х^ которые максимизируют функцию общей желательности исхода J. Процедура вычислений в данной программе основана на симплекс-методе оптимизации [3], позволяющем определять функцию общей желательности исхода J как среднее геометрическое из преобразованных отдельных желательностей показателей оптимизации. Симплексный метод, так же как и другие методы оптимизации, является локальным методом поиска экстремума. Если существует несколько экстремумов критерия оптимальности, то этот метод позволяет найти тот из них, который расположен ближе к точкам исходного симплекса. В нашем исследовании, при подозрении о существовании нескольких экстремумов критерия оптимальности, мы осуществляли их поиск, каждый раз начиная оптимизацию из новой области факторного пространства. Затем сравнивали между собой найденные оптимальные условия и из всех вариантов выбирали наилучший. При оптимизации с использованием симплексного метода мы также принимали во внимание ограничения, наложенные на влияющие факторы и функции отклика. Важно отметить, что при использовании симплексного метода не обязательно дублировать опыты. Дело в том, что ошибка в отдельном опыте может только несколько замедлить оптимизацию. Если же последующие опыты выполняются безупречно, то движение к оптимуму продолжается [5]. Преобразование предсказанных значений частных показателей оптимизации в индивидуальные показатели желательности представлено в таблице 1.
Наименование показателя оптимизации Нижний уровень Средний уровень Верхний уровень Кривизна нижняя s Кривизна верхняя t
зна-че-ние жела-тель-ность зна-че-ние жела-тель-ность зна-че-ние жела-тель-ность
Показатель эффективности очистки, % 78,52 0,00 83,15 0,50 87,78 1,00 1,0 1,0
Удельная энергоемкость очистки, кВтч/т 0,140 1,00 0,335 0,50 0,529 0,00 1,0 1,0
Потери корнеплодов при очистке, % 3,902 1,00 6,761 0,50 9,619 0,00 1,0 1,0
Таблица 1 - Спецификация преобразованных значений показателей оптимизации
Степень кривизны «уменьшения» желательности между флективными точками 1,00; 0,50 и 0,00 принята для нижней границы s = 1 и верхней границы t = 1, т.е. задано линейное изменение желательности между ними.
Итогом программного решения компромиссной задачи при оптимизации основных режимных параметров гофрощеточного очистителя является построение составного графика профилей предсказанных значений показателей оптимизации (рисунок).
■в -в
1 с
л
¡I
■to ф £
&Е
л: I-
л о
SO.OCO SM&5 »71 г Sa.»
; 7S.CC0 570000
533005 529401 025Э1в
0.0000
11.000
-rqrr
I I I I I
л-t-
I I I I
i i i
I I I L I
í «
Ü
5.77Б5 4.3Э50 3,4115
2,0000
Е=ЬЕЕЁ
-I-
г -■ "М- {■-:
1046 16.186 20.93
Частота вращения барабанов, с-1
0.4 0.42168 0,6
Диаметр барабанов, м
0.5 0j80019 1,5
Длина барабанов, м
0.0 ÜJÜ1507 0.02
Высота утолщений на дисках, м
а - Профиль предсказанных значений показателей оптимизации
10fie 16,186 20,93 °-4 0.12168 0.6
Частота вращения барабанов, с"' Диаметр барабанов, м
0,5 060019 1.5 Длина барабанов, м
ÜJ013J7 0.02
Высота утолщений на дисках, м
б - Функция общей желательности исхода J
Составной график профилей предсказанных значений показателей оптимизации и функции общей желательности исхода J
Из рисунка следует, что максимальное значение функции общей желательности исхода равно J = 0,74379 при установке входящих факторов на их оптимальные значения: частоты вращения барабанов ю = 16,186 с-1, диаметра барабанов D = 0,42168 м, длины барабанов L = 0,80019 м и высоты утолщений на дисках h = 0,01507 м. Причем общая желательность исхода уменьшается до J = 0,655159 при установке
входящих факторов на их средние значения. Характер кривых на составном графике (рисунок) также указывает на то, что наиболее «активным» компонентом, влияющим как на отклики каждого показателя оптимизации, так и на общую желательность исхода, является частота вращения гофрощеточных барабанов. Результаты расчета общей желательности исхода представлены в таблице 2.
Таблица 2 - Результаты расчета общей функции желательности
Оптимальные значения факторов Показатель эффективности очистки, % Удельная энергоемкость очистки, кВтч/т Потери корнеплодов при очистке, % Функция жела-
тель-
ю, с-1 D, м L, м h, м Значение -95% +95% Значение -95% +95% Значение -95% +95% ности J
16,186 0,42168 0,80019 0,01507 85,71328 84,26148 87,16508 0,294605 0,259159 0,330051 4,59499 3,411469 5,778522 0,74379
Выводы
1. Использование программной системы STATISTICA (StatSoft) позволяет производить решения компромиссных задач с одновременным рассмотрением трех и более критериев оптимизации, что снижает трудоемкость соответствующих аналитических расчетов и графических построений.
2. Анализ кривых на составном графике (рисунок) позволяет выявить наиболее «активные» компоненты, влияющие как на отклики каждого показателя оптимизации, так и на функцию общей желательности исхода J.
3. После определения координат оптимума, т.е. центра фигуры с оптимальным соотношением факторов, необходимо выполнить контрольные опыты в центре с целью определения относительной погрешности описания процесса механической (безводной) очистки соответствующими аналитическими уравнениями и проверки совпадения расчетных данных с экспериментальными.
Литература
1. Машины и оборудование для животноводства: пособие-практикум / И.И. Ре-венко, Н.В. Брагинец, О.О. Заболотько и др. - Киев: Кондор, 2012. - С. 142-150.
2. Гриб, В.К. Техническое обеспечение в животноводстве: учебник / В.К. Гриб, Л.С. Герасимович, С.С. Жук. - Минск: Бел. навука, 2004. - С. 190-208.
3. Колчин, Н.Н. Состояние и перспективы развития отделителей примесей для послеуборочной обработки картофеля и овощей / Н.Н. Колчин, В.М. Фурлетов, ДА. Арсеньев. - Москва: ЦНИИТЭИтрак-торсельмаш, 1983. - 64 с.
4. Дусенов, М.К. Устройство для очистки корнеклубнеплодов / М.К. Дусе-нов // Техника в сельском хозяйстве. -2011. - № 4. - С. 12-13.
5. Мельников, С.В. Планирование эксперимента в исследованиях сельскохозяйственных процессов / С.В. Мельников, В.Р. Алешкин, П.М. Рощин. - Ленинград: Колос, 1980. - 166 с.
6. Карпов, В.В. Форма рабочих элементов гофродискового очистителя кормовых корнеплодов / В.В. Карпов // Материалы IX Международной научно-практической конференции «Проблемы конструирования, производства и эксплуатации сельскохозяйственной техники». - Вып. 1. - Кировоград: КНТУ, 2013. - С. 151-153.
7. Карпов, В.В. Повышение эффективности технологического процесса подготовки кормовых корнеплодов к скармливанию животным / В.В. Карпов // Вестник Харьковского национального технического университета сельского хозяйства имени Петра Василенко «Технические системы и технологии животноводства». - Харьков: ХНТУ, 2014. - № 144. - С. 232-235.
8. Боровиков, В. STATISTICA. Искусство анализа данных на компьютере. Для профессионалов / В. Боровиков. - 2-е изд. - Санкт-Петербург: Питер, 2003. -688 с.
References
1. Revenko I.I., Braginec N.V., Zabo-lot'ko O.O. and others. Mashiny i oborudo-vanie dlja zhivotnovodstva: posobie-prakti-kum [Machines and equipment for animal husbandry: manual-practical work], Kyiv, Kondor, 2012, pp. 142-150.
2. Grib V.K., Gerasimovich L.S., Zhuk S.S. Tehnicheskoe obespechenie v zhivotnovodstve: uchebnik [Technical maintenance in the livestock: textbook], Minsk, Bel. nauka, 2004, pp. 190-208.
3. Kolchin N.N., Furletov V.M., Ar-sen'ev D.A. Sostojanie i perspektivy razvitija otdelitelej primesej dlja posleuborochnoj obrabotki kartofelja i ovoshhej [Status and development prospects of impurities separators for post-harvest treatment of potatoes and vegetables], Moscow, CNIITJel-traktorsel'mash, 1983, 64 p.
4. Dusenov M.K. Ustrojstvo dlja ochistki korneklubneplodov [Device for cleaning root crops], Tehnika v sel'skom hozjajstve, 2011, No. 4, pp. 12-13.
5. Mel'nikov S.V., Aleshkin V.R., Roshhin P.M. Planirovanie jeksperimenta v issledovanijah sel'skohozjajstvennyh pro-
cessov [Experiment planning in the research of agricultural processes], Leningrad, Kolos, 1980, 166 p.
6. Karpov V.V. Forma rabochih jele-mentov gofrodiskovogo ochistitelja kormovyh korneplodov [The form of work elements of corrugated disk cleaner of fodder root crops], Materialy IX Mezhdunarodnoj nauchno-prakticheskoj konferencii «Problemy kon-struirovanija, proizvodstva i jekspluatacii sel'skohozjajstvennoj tehniki», Issue 1, Kiro-vograd, KNTU, 2013, pp. 151-153.
7. Karpov V.V. Povyshenie jeffek-tivnosti tehnologicheskogo processa podgo-tovki kormovyh korneplodov k skarmlivaniju zhivotnym [Improving the efficiency of the preparation process of fodder root crops for animals feeding], Vestnik Har'kovskogo nacional'nogo tehnicheskogo universiteta sel'skogo hozjajstva imeni Petra Vasilenko «Tehnicheskie sistemy i tehnologii zhivotnovodstva», Har'kov, HNTU, 2014, No. 144, pp. 232-235.
8. Borovikov V. STATISTICA. Is-kusstvo analiza dannyh na komp'jutere. Dlja professionalov [STATISTICA. Art of the data analysis on a computer. For professionals], 2-e izd, St. Petersburg, Piter, 2003, 688 p.
Сведения об авторе
Карпов Владислав Викторович - старший преподаватель кафедры «Безопасность жизнедеятельности», ГОУ ВПО «Луганский национальный университет имени Тараса Шевченко» (Луганск). Тел.: +38-095-443-31-43. E-mail: vip_belyy@mail.ru.
Information about author
Karpov Vladislav Viktorovich - senior lecture of the Safety of life activities department, SEI HPE «Luhansk Taras Shevchenko National University» (Luhansk). Phone: +38-095-443-31-43. E-mail: vip_belyy@mail.ru.
