Экспериментальное обоснование параметров шнекового режущего аппарата мелиоративной косилки

Размещено на http://allbest.ru

20

Федеральное государственное бюджетное учреждение «Российский научно исследовательский институт проблем мелиорации»

(ФГБНУ «РосНИИПМ)

УДК 631.353.722

Экспериментальное обоснование параметров шнекового режущего аппарата мелиоративной косилки

Погоров Туган Ахметович

кандидат технических наук

Окашивание мелиоративных каналов - сложный технологический процесс, так как режущим аппаратам косилок приходится окашивать наклонные плоскости выше и ниже уровня стоянки базовой машины. Углы наклона окашиваемой поверхности меняются от 0 до 45°, поэтому к режущим аппаратам мелиоративных косилок предъявляются повышенные требования. косилка режущий шнековый кинематический

С целью предварительного обоснования геометрических параметров шнекового режущего аппарата (ШРА) для окашивания мелиоративных каналов на почвенном канале лаборатории механизации ФГБНУ «РосНИИПМ» была проведена серия отсеивающих экспериментов с макетными образцами в натуральную величину по критерию качества окашивания мелиоративных каналов.

Эти образцы имеют цилиндрическую винтовую поверхность, на периферии витков которой установлены ножи трапецеидальной формы, плоскости которых параллельны плоскости витков шнека. Исследования проводились на горизонтальной поверхности с углом наклона 0° при поступательной скорости 0,25 м/с и частоте вращения режущих аппаратов 860 мин ^-1. В ходе исследований проводилось скашивание натурального камыша, заправленного в специальные кассеты. Густота травостоя составляла 144 шт./м².

С целью предварительного выбора шага навивки спирали были исследованы три ленточных шнековых режущих аппарата с шагом навивки 0,2D; 0,6D и 1,0D с одинаковым числом ножей (8 шт. на каждом, гладкие, трапецеидальной формы). Качество среза определялось согласно методике ОСТ 70.12.1-86 Машины мелиоративные, осушительные и оросительные. Программа и методика испытаний.

Установлено, что по качеству среза наилучшие показатели достигаются ШРА с шагом навивки спирали 0,6D. У ШРА с шагом навивки 0,2D наблюдается наматывание стеблей камыша на рабочий орган и, как следствие, часть из них вырывается из кассет. ШРА с шагом навивки спирали 1,0D оставляет не срезанные стебли растений. Данные, полученные в ходе экспериментальных исследований, обработаны и сведены в таблицу 1.

Таблица 1 - Результаты предварительных исследований шага винтовой линии шнекового режущего аппарата

Показатель	Значения показателя
	режущий аппарат с шагом винтовой линии
	h = 0,2D	h = 0,6D	h = 1,0D
Скорость движения, м/с	0,25	0,25	0,25
Частота вращения режущего аппарата, мин -1	860	860	860
Средняя скорость ножей режущего аппарата, м/с	25,4	25,4	25,4
Ширина захвата, м	0,5	0,5	0,5
Высота установки ножей режущего аппарата, мм	50	50	50
Высота стерни средняя, мм	58,6	64,7	89,7
Среднее квадратическое отклонение, ± мм	2,1	1,9	2,1
Коэффициент вариации, %	23,3	21,7	22,8
Чистота среза, %	77,78	98,89	86,1

Из таблицы 1 видно, что наилучшие показатели по чистоте резания стеблей растений и высоте стерни при одинаковых условиях исследований показал ШРА с шагом навивки спирали 0,6D.

Дальнейшие исследования по уточнению конструктивных параметров и показателя кинематического режима работы ШРА, а также их влияния на качество процесса окашивания проводились с моделью, прошедшей предварительный отбор.

Исследование влияния конструктивных и технологических параметров на показатель кинематического режима работы ШРА проводились при различных углах наклона окашиваемой поверхности (15°; 30°; 45°) и поступательной скорости ШРА (0,25 м/с; 0,75 м/с; 1,25 м/с) (таблица 2).

Таблица 2 - Влияние конструктивных и технологических параметров на показатель кинематического режима работы шнекового режущего аппарата

Показатель	Значение показателя
	угол заложения откосов, град.
	15	30	45
Поступательная скорость РА, м/с (км/ч)	0,25; 0,75; 1,25 (0,9); (2,7); (4,5)	0,25; 0,75; 1,25 (0,9); (2,7); (4,5)	0,25; 0,75; 1,25 (0,9); (2,7); (4,5)
Частота вращения ШРА, мин -1	860	860	860
Средняя скорость ножей режущего аппарата, м/с	25,4	25,4	25,4
Высота стерни, средняя, мм	62; 73; 99	57; 72; 91	60; 73; 117
а) среднее квадратическое отклонение, ± мм	1,9; 1,9; 2,3	2,1; 1,7; 2,1	1,4; 1,7; 2,0
б) коэффициент вариации, %	21,7; 30,4; 31,5	23,3; 27,5; 22,8	15,3; 39,0; 38,5
Чистота среза, %	100; 100; 100	100; 100; 100	100; 99,6; 99,4

С целью сокращения общего числа опытов нами был выбран план 3², т. е. план с двумя факторами на трех уровнях каждый. Мы имеем дело с двухфакторным экспериментом с единственной репликой, т. е. с одним наблюдением в ячейке. На высоту стерни камыша влияют два фактора - угол наклона окашиваемой поверхности и скорость подачи ШРА. Данные этого эксперимента приведены в таблице 3.

Таблица 3 - Расположение данных в факторном плане для двух факторов

	Угол наклона окашиваемой поверхности, град.	Фактор В
		Скорость подачи ШРА, м/с	уi
		0,25	0,75	1,25
Фактор А	15	62	73	99	234
	30	57	72	91	220
	45	60	73	117	250
	уi	179	218	307	704 = у…

Для того чтобы сделать объективные выводы, был проведен статистический анализ модели постоянных эффектов [1, 2].

Для нашего эксперимента статистическая модель имеет вид:

,

где = 1, 2, …, а; = 1, 2, …, ;

Вычислим сумму квадратов для главных эффектов по формулам:

;

.

Общая сумма квадратов находится по формуле:

(1)

.

Математическое ожидание средних квадратов будет выглядеть следующим образом:

.

Из выражений (1) для математического ожидания средних квадратов следует, что дисперсию ошибки оценить нельзя, т. е. не существует какого-либо очевидного способа разделить эффект двухфакторного взаимодействия и экспериментальную ошибку. Для того, чтобы установить, существует взаимодействие или нет, нужно воспользоваться методом, предложенным Тьюки [3].

При использовании этого метода остаточная сумма квадратов разбивается на компонент, обусловленный неаддитивностью (взаимодействием) и компонент, обусловленный ошибкой, т. е.:

с одной степенью свободы и

степенями свободы.

Для проверки существования взаимодействия находим значение статистики:

.

Величина распределения при 95 %-м доверительном интервале равна [3].

Поскольку , мы можем говорить, что имеем строгое подтверждение аддитивности (взаимодействия) угла наклона окашиваемой поверхности и скорости подачи ШРА высоте стерни.

Результаты дисперсного анализа приведены в таблице 4.

Таблица 4 - Дисперсный анализ лабораторных исследований режущего аппарата по двум признакам при одном наблюдении в ячейке

Источник изменчивости	Сумма квадратов	Степень свободы	Средний квадрат	F0
Угол наклона окашиваемой поверхности (фактор А)	150,23	2	75,12	5,25
Скорость подачи режущего аппарата (фактор В)	2869,23	2	1434,61	99,97
Остаток АВ	218,1	4	64,53	3,8
Неаддитивность	175,04	11	175,04	12,2
Ошибка	43,04	3	14,35
Сумма	3237,56	8	404,70
Значимо при 5 процентах F-распределения.

Комбинация обработок для этого плана приведена на рисунке 1; их число составляет 3² = 9.

	Фактор В
	Нижний	Промежуточный	Верхний
Фактор А	Нижний
		0	0			1	0		2	0
	Промежуточный
		0	1			1	1		2	1
	Верхний
		0	2			1	2		2	2

Рисунок 1 - Комбинация обработок в плане 3²

Предполагается, что допустимая высота стерни ( мм) зависит от угла наклона окашиваемой поверхности и поступательной скорости ШРА. Выбраны три значения углов наклона и три значения скорости подачи и проведен факторный эксперимент с одной репликой.

Таким образом, чтобы исследовать влияния углов наклона и скорости подачи ШРА на высоту стерни, были найдены линейные и квадратичные эффекты углов наклона и скорости подачи ШРА [2], т. е. проведен расширенный дисперсный анализ, результаты которого приведены в таблице 5.

Таблица 5 - Расширенный дисперсный анализ лабораторных исследований

Источник изменчивости	Сумма квадратов	Степень свободы	Средний квадрат	F0
Угол наклона	150,23	2	75,12	5,23
(Тл)	(42,67)	1	(42,67)	2,97
(Ткв)	(44)	1	(44)	3,07
Скорость подачи	2869,56	2	1434,78	99,98
(Сл)	(2730,67)	1	(2730,67)	190,29
(Скв)	(138,89)	1	(138,89)	9,68
Взаимодействие	108,9	4	27,23	1,90
(ТСлхл)	(50)	1	(50)	3,48
(ТСлхкв)	(10,67)	1	(10,67)	0,74
(ТСквхл)	(28,17)	1	(28,17)	1,96
(ТСквхкв)	(20,06)	1	(20,06)	1,40
Ошибка	43,06	3	14,35
Сумма	3237,56	8

Из данных таблицы 5 видно, что линейный и квадратический компоненты угла наклона окашиваемой поверхности являются малозначимыми.

Малозначимыми являются линейные и квадратические компоненты взаимодействия угла наклона окашиваемой поверхности и скорости подачи ШРА (ТС_лхл, ТС_лхкв, ТС_квхл, и ТС_квхкв).

Скорость подачи ШРА оказывает значимое влияние на высоту среза растений, особенно ее линейная компонента.

Б. Винер [4] отмечает, что двумерные графики полезны при анализе взаимодействия между двумя количественными факторами.

Установим связь между переменными (независимой) и (зависимой).

Связь между и линейна и наблюдения на каждом уровне - случайная величина.

Тогда математическое ожидание для каждого значения имеет вид.

,

где параметры и , определяющие прямую линию, - неизвестные постоянные.

Тогда каждое наблюдение будет описываться моделью:

,

где - случайная ошибка с нулевым средним и дисперсией .

Обозначим - высоту стерни, - скорость подачи РА, - угол наклона окашиваемой поверхности.

На рисунке 2 приведен график зависимости по ячейкам высоты (стерни) среза растений от угла наклона окашиваемой поверхности для всех трех скоростей с использованием программы Statistica vs. (Cassewise MD deletion), которая описывается линейным уравнением:

.(2)



Рисунок 2 - Зависимость высоты стерни от угла наклона окашиваемой поверхности

Рисунок 3 - Зависимость скорости передвижения шнекового режущего аппарата от угла наклона окашиваемой поверхности

В уравнении (2) при 95 % доверительном интервале коэффициент корреляции () составляет 0,11480.

На рисунке 3 приведены зависимости по ячейкам скорости подачи ШРА от угла наклона окашиваемой поверхности, которая описывается линейным уравнением:

,(3)

В уравнении (3) при 95 % доверительном интервале коэффициент корреляции () составляет 0,00000.

Рисунок 4 - Зависимость высоты стерни от скорости передвижения шнекового режущего аппарата

На рисунке 4 приведена зависимость высоты (стерни) среза растений () от поступательной скорости () ШРА для трех значений угла наклона окашиваемой поверхности.

Эта зависимость представляет прямую линию, которая описывается линейным уравнением:

.(4)

В уравнении (4) при 95 % доверительном интервале коэффициент корреляции () составляет 0,91869.

Анализ полученных данных рисунка 2 по линии графика и уравнений (2), которые имеют низкий коэффициент корреляции, показал, что угол наклона окашиваемой поверхности оказывает незначительное влияние на высоту стерни. Угол наклона окашиваемой поверхности не оказывает влияния на скорость передвижения ШРА (рисунок 3, уравнение (3).

Основное влияние на высоту (стерни) среза растений оказывает поступательная скорость ШРА, что видно из рисунка 4 по линии графика и уравнения (4), которое имеет высокий коэффициент корреляции.

Для подтверждения достоверности вышеизложенного анализа для описания отклика требуется модель второго порядка, которая позволяет описать связь между и факторами и с помощью уравнения второй степени:

,(5)

где , , , - коэффициенты квадратной модели.

По формуле (5) с использованием данных таблицы 5 программы Statistica 3 D Surface Plot (Data Type-Quadratic) строим график поверхности в декартовой системе координат, зависимость высоты стерни () от скорости передвижения косилки () и угла наклона окашиваемой поверхности () рисунок 5, уравнение которой имеет вид:

,(6)



Рисунок 5 - Зависимость высоты стерни от скорости передвижения косилки и угла наклона окашиваемой поверхности

Для определения характера протекания технологического процесса окашивания от того или иного фактора полезно преобразовать модель к новой системе координат с началом в стационарной точке, а затем повернуть оси этой системы так, чтобы они совпали с главными осями подобранной поверхности.

Так зависимость скорости передвижения ШРА () от угла наклона окашиваемой поверхности () и высоты стерни () представлена на рисунке 6, каноническое уравнение которой имеет вид:

.



Рисунок 6 - Зависимость скорости передвижения шнекового режущего аппарата от угла наклона окашиваемой поверхности и высоты стерни

Рисунок 7 - Зависимость угла наклона окашиваемой поверхности от высоты стерни и скорости передвижения шнекового режущего аппарата

Зависимость угла наклона окашиваемой поверхности () от высоты стерни () и скорости передвижения ШРА () представлена на рисунке 7, каноническое уравнение которой имеет вид:

.

По программе Statistica 3 D Contour Plot (Quadratic Smooth) строим графики контура поверхности отклика: скорости передвижения ШРА от угла наклона окашиваемой поверхности (рисунок 8), угла наклона окашиваемой поверхности от высоты стерни (рисунок 9), высоты стерни от скорости передвижения ШРА (рисунок 10).

Рисунок 8 - Контур поверхности отклика скорости передвижения шнекового режущего аппарата от угла наклона окашиваемой поверхности



Рисунок 9 - Контур поверхности отклика угла наклона окашиваемой поверхности от высоты стерни

Рисунок 10 - Контур поверхности отклика высоты стерни от скорости передвижения шнекового режущего аппарата

Из данных, приведенных на рисунках 8-10 видно, что в исследованиях, как и предполагалось, основное влияние на высоту стерни оказывают значения скорости передвижения ШРА.

Как известно, для работы каналов в режимах, близких к проектным, необходимо, чтобы коэффициент шероховатости находился в пределах 0,033-0,035. Чтобы соблюсти эти условия, по данным натурных исследований [5], проведенных в ФГБНУ «РосНИИПМ», высота стерни , оставляемая мелиоративными косилками на внутренних откосах и дне каналов, должна быть не более 100 мм. Для нахождения допустимой скорости передвижения ШРА при высоте стерни растений не более 100 мм воспользуемся уравнением (6):

.

Оценку адекватности уравнения (5) производим по величине, называемой множественным коэффициентом детерминации (квадрат множественного коэффициента корреляции) [1]:

,

где ;

и находятся из таблицы 5.

Тогда:

.

Так как , эту величину можно назвать величиной изменчивости данных, объясняемой регрессией. В нашем случае полученная математическая модель при 98,67 % значимости описывает взаимосвязь между исследуемыми факторами , и функцией отклика .

Из графика на рисунках 2 и 9 видно, что угол наклона окашиваемой поверхности хоть и малозначимый фактор, но рост высоты стерни происходит при его увеличении. В уравнение (6) подставим предельно допустимое значение , равное 100 мм, значение угла наклона окашиваемой поверхности, равное 45°(в радианах 0,78539), и находим скорость движения ШРА ():

После преобразования получим:

,

откуда м/с.

С учетом полученного значения скорости сопоставляем показатель кинематического режима работы ШРА с теоретическими расчетами по формуле:

,

где - окружная скорость ножей режущего аппарата, м/с.

Тогда:

.

В результате проведенных исследований было установлено, что наилучшие показатели по чистоте резания стеблей растений и высоте стерни при одинаковых условиях работы показал ШРА с шагом навивки спирали 0,6D, а основное влияние на высоту стерни оказывают значения скорости передвижения ШРА. В связи с этим были определены допустимая поступательная скорость ( м/с) и показатель кинематического режима работы ШРА (соотношение окружной и поступательной скоростей) для данного шнекового режущего аппарата, который в результате теоретических расчетов составил [6] и с учетом экспериментальных данных был принят .

Список использованных источников

1. Монтгомери, Д. К. Планирование эксперимента и анализ данных / Д. К. Монтгомери. - Л.: Судостроение, 1980. - 383 с.

2. Джонсон, И. Статистика и планирование эксперимента в технике и науке. Методы планирования эксперимента / И. Джонсон, Ф. Лион; пер. с англ. - М.: Мир, 1981. - 520 с.

3. Tukey, J. W. One Degree of Freedom for Non-Addily / J. W. Tukey // Biometrics, Vol. 5, 1949 a. - Р. 232-242.

4. Winer, B.J. Statistical Principles in Experiment. Design / B. J. Winer // 2^nd Edition Megraw-Hill. - New-York. - 1971.

5. Погоров, Т. А. Влияние растительности и высоты ее среза на эффективность пропускной способности мелиоративных каналов / Т. А. Погоров, А. В. Федирко // Пути повышения эффективности орошаемого земледелия: сб. науч. тр. / ФГНУ «РосНИИПМ». - Новочеркасск, 2008. - Вып. 40. - Ч. I. - С. 111-117.

6. Погоров, Т. А. Скашивание и удаление растительности из каналов косилками шнекового типа: автореф. дис. … канд. техн. наук: 06.01.02 / Погоров Туган Ахметович. - Новочеркасск, 2005. - 24 с.

Аннотация

УДК 631.353.722

Экспериментальное обоснование параметров шнекового режущего аппарата мелиоративной косилки.Погоров Туган Ахметович - кандидат технических наук, Федеральное государственное бюджетное учреждение «Российский научно исследовательский институт проблем мелиорации» (ФГБНУ «РосНИИПМ), старший научный сотрудник. Контактный телефон: 89281664556. E-mail: rosniipm@yandex.ru

В статье приведены результаты экспериментальных исследований шнекового режущего аппарата мелиоративной косилки. Исследования проводились с целью предварительного обоснования геометрических параметров шнекового режущего аппарата, а также определения влияния его конструктивных и технологических параметров на показатель кинематического режима работы.

В ходе предварительных исследований было установлено, что наилучшие показатели по чистоте резания стеблей растений и высоте стерни при одинаковых условиях работы показал шнековый режущий аппарат с шагом навивки спирали 0,6D.

Дальнейшие исследования по уточнению влияния конструктивных и технологических параметров на показатель кинематического режима работы проводились на режущем аппарате с шагом навивки спирали 0,6D с применением статистического метода планирования эксперимента по плану 3І, т. е. плану с двумя факторами на трех уровнях.

В результате статистического анализа модели постоянных эффектов получено строгое подтверждение аддитивности угла наклона окашиваемой поверхности и скорости подачи режущего аппарата высоте стерни.

Для более детального изучения этого взаимодействия был проведен расширенный дисперсный анализ, который показал, что скорость подачи ШРА оказывает наибольшее влияние на высоту среза растений. Для подтверждения вышеизложенного были построены двумерные графики для анализа взаимодействия между двумя количественными факторами, графики поверхности в декартовой системе координат и графики контуров этих поверхностей.

Анализ всех полученных данных показал, что основное влияние на высоту стерни оказывают значения скорости передвижения шнекового режущего аппарата.

Далее было выбрано уравнение для расчета допустимой поступательной скорости режущего аппарата и найдено ее значение для данного шнекового режущего аппарата. С учетом полученного значения скорости был уточнен показатель кинематического режима работы режущего аппарата.

Ключевые слова: шнековый режущий аппарат, угол наклона окашиваемой поверхности, поступательная скорость, высота стерни, математическое ожидание, дисперсный анализ, уравнение, графики.

Annotation

Experimental substantiation of the parameters of a screw cutterbar for ameliorative clipper. Pogorov Tugan Akhmetovich - Candidate of Technical Sciences, Federal State Budget Scientific Establishment “Russian Scientific-Research Institute of Land Improvement Problems” (FSBSE “RSRILIP”), Senior Researcher. Contact telephone number: 89281664556.E-mail: rosniipm@yandex.ru

The article shows the results of experimental studies of a screw cutterbar for ameliorative clipper. The studies were conducted to substantiate preliminary geometric parameters of a screw cutterbar, as well as to determine the influence of its design and technological parameters on the index of kinetic mode of operation. In preliminary studies it was established that under the equal operation conditions the best indices on fineness of cutting crop stems and a stubble height had a screw cutterbar with coiling step 0.6D.

To adjust the influence of design and technological parameters on the index of kinetic mode of operation, further studies were conducted at the cutterbar with coiling step 0.6D using statistical method of experiment planning according to the plan 3І, in other words, there were two factors at three levels.

The statistical analysis of the model of permanent effects resulted in strict validation of the additivity of angulation of mowed surface and the feed rate of cutterbar to a stubble height.

For more detailed study of this interaction the expanded dispersion analysis was made, which showed that the feed rate of a screw cutterbar had the greatest influence on the height of crop cutting. To verify the above-stated, two-dimensional graphs were plotted in order to analyze the interactions between two quantitative factors.

They were the surface graphs in Cartesian coordinate system and the contour graphs of these surfaces.

The analysis of all obtained data revealed that the speed of motion of the screw cutterbar had the main influence on a stubble height. Then an equation for calculating the allowable linear speed of the cutterbar was elected and the value for the given screw cutterbar was found. Taking into account the obtained values of speed, kinetic mode of operation of the cutterbar was adjusted.

Keywords: screw cutterbar, angulation of mowed surface, linear speed of motion, stubble height, expectation value, dispersion analysis, equation, graphs.

Размещено на Allbest.ru