Результаты исследования влияния параметров рабочего органа на процесс высева

Уровни входных факторов и интервалы варьирования установлены на основании анализа литературных источников, теоретических исследований и серии предварительных опытов для проверки работоспособности вибрационного высевающего устройства.

Полевые опыты по определению эффективности применения удобрений проводились на четырех участках с различными дозами внесения удобрений. Высаживаемый сорт картофеля - Вангог. Результаты опытов представлены в приложении 3.Внесение твердых органических удобрений производились внутрипочвенно с одновременной нарезкой гряд.

Машина для внесения удобрений МВУ-6-4,2 разработана на базе серийно выпускаемой картофелесажалки КСМ-6 (рис.4.26) [8,10,76,80,124,132,136]. За один проход машины удобрение вносится в шесть рядков. Лента удобрений располагается на 3-6 см ниже уровня расположения клубней картофеля.

Доза внесения твердых органических удобрений зависит от изменения высоты дозирующего окна, которая регулируется с помощью подвижной заслонки. Кроме того, доза внесения регулируется изменением частоты и амплитуды колебаний вибровысевающего устройства [132,150].

 

Рисунок 4.26 – Эксцентриковый привод вибрационного высевающего устройства

Вибровысевающее устройство производит выдачу твердых органических: удобрений непрерывным сплошным потоком. В связи с этим и согласно [161,192,193] качество работы такого устройства определяется следующими показателями: равномерностью подачи, определяемой среднеквадратичным отклонением σ_а(Δt) и коэффициентом вариации С_V.Значения σ_а(Δt) и С_V подсчитывались по известным в математической статистике формулам

, (4.41)

(4.42)

где -масса i-ой пробы, - среднеарифметические пробы; n-число проб

Использование для оценки точности процесса непрерывного дозирования показателей σ_а (Δt) и С_V позволяет белее надежно сопоставить результаты экспериментов при ограниченном количестве опытных данных. Ввиду того, что равномерность выхода твердых органических удобрений определяется по массам отобранных проб них количеству, методика оценки качества дозирования сводится к обоснованию этих параметров и способу отбора проб. Массу прозы необходимо отбирать с учетом требований к конструктивной особенности дозирующих устройств и технологическому.

По ОСТ 70.141-74 "Испытание сельскохозяйственной техники. Машины для внесения удобрений. Программа и методы испытания". Для определения равномерности подачи производится отбор материала через равные промежутки по длине, не менее чем в 10 местах. Повторность опыта в каждом режиме работы трехкратная. Взвешивание проб отобранных материалов должно производится с точностью до 0,20 кг. Показатели равномерности дозирования определяются по формулам (4.41) (4.42).

Согласно [192,193] величина отклонений зависит от количества отдозированного материала, чем меньше проба, тем выше показатель равномерности. С увеличением производительности дозирующего устройства уменьшается равномерность дозирования. Поэтому массу и количество проб следует устанавливать для каждого конкретного случая. Неправильно выбранный объем проб приводит к занижению или завышению показателя равномерности дозирования.

Количество и объем проб должны быть увязаны с величиной разовой подачи и производительностью агрегата. Однако производить отбор проб по рассчитанной массе значительно труднее. Поэтому на практике целесообразно отбор проб производить по времени.

На коэффициент вариации существенным образом влияет способ отбора проб. На данное время наибольшее распространение имеют следующие способы отбора проб.[57,59]

-отсечка материала

-подача материала в движущуюся тару

-регистрация потока с помощью ленточного массоизмерителя

Из этих способов наиболее простым и точным является отсечка материала так как в сравнении с ленточным массоизмерителем погрешность данного способа ниже в 5 раз [132].

В предлагаемом высевающем устройстве с эксцентриковым приводом органические удобрения подаются непрерывным сплошным потоком определенный промежуток времени. При отборе проб отсечкой потока в сменную ёмкость повторность опыта устанавливается согласно таблице, принимая, что предельная ошибка приближенно равна наибольшей возможной статистической т.е. .

Для вибровысевающих устройств в непрерывном режиме показателем является секундная производительность, которая определялась по следующей методике. На экспериментальной установке устанавливали параметры со значениями, соответствующими порядку опытов согласно матрице планирования экспериментов, рандомизированных по таблице случайных чисел. Засыпали бункер твердые органические удобрения и включается установка. После того, как устанавливался стабильный режим истечения твердых органических удобрений из разгрузочного окна одновременно под выпускное окно устанавливается сменная емкость и включается секундомер. Время отбора пробы составляло 10 сек. Такой промежуток времени обосновывается объемом сменной емкости. Отобранная масса удобрений взвешивается и определяется секундный расход:

(4.43)

где m- дозированная масса, кг; t- время дозирования, с;

Основной задачей планирования эксперимента является получение плана экспермента объекта исследования, которая в абстрактной форме раскрывает не только количественные отношения, но и характеризует физические объекты с качественной стороны. Рациональными режимами следует считать те, при которых не происходит разделения удобрений на фракции или распыления в окружающую среду, но при этом достигается наибольшая скорость перемещения материала, наибольшая производительность и наименьшие динамические нагрузки в системе.

Для определении основных кинематических параметров и режимов работы вибровысевающего устройства, обеспечивающих равномерную подачу твердых органических удобрений с наименьшими затратами анергии, была использована методика экстремального планирования эксперимента [161,192,193], которая позволяет установить рациональное значение факторов и их выходные параметры. Параметрами отклика являлись следующие показатели:

- равномерность высева, оцениваемая через относительную погрешность дозирования С - коэффициент вариации %;

- подача вибровысевающего устройства, кг/с;

Изучение и исследование факторов, влияющих на описание параметров отклика, проводилось на агрегате для внутрипочвенного внесения удобрений с одновременной нарезкой гряд.

Выдаваемый вибровысевающим устройством поток удобрений является случайным процессом, так как из-за различных факторов происходит отклонение подачи от расчетной. А это в свою очередь сказывается и на равно­мерности подачи твердых органических удобрений. Наибольшие отклонения вызывается колебаниями физико-механических свойств удобрений [57,117]. Однако цикл работы вибровысевающего устройства сравнительно небольшой и физико-механические свойства твердых органических удобрений и другие факторы.практически не изменяются. Поэтому поток удобрений не зависит от времени и их можно принять за стационарные случайные процессы.

Анализ литературных источников [113,114,115] и предварительно проведенных исследований показал, что в указанном факторном пространстве исследуемый процесс описывается уравнением второго порядка. Поэтому для получения математической плана экспермента была использована методика планировали эксперимента с применением плана 2-го порядка. Для исследований было выделено 3 уровня фактора, уровни и интервалы варьирования, кодированные данные обозначения которых приведены в таблице 3.1, Выбранные факторы удовлетворяют требованиям предъявляемым при проведении многофакторного эксперимента; они управляемы, легко установить их требуемые значения в определенной размерности» однозначны (не являются функциями других факторов). В качестве плана эксперимента выбран план для трех факторов Бокса-Бенкина [192,193], матрица планирования составлена аналогично как для грядообразователя фрезерного типа. Методика планирования подробно представлена в разделе 4.3.1

Таблица 4.9 - Уровня и интервалы варьирования факторов

Наименование факторов	Обозначения	Уровни варьирования	Интервал
именн.	кодир.	-1		+1
Высота выпускного окна	h мм	X1
Частота колебаний	wc^-1	X2	10,5		30.5	10.5
Амплитуда колебаний	A мм	X3

После проведения всех: опытов и обработки данных, определялись коэффициенты регрессии второго порядка [115]

, (4.44)

где - переменная, характеризующая объект исследования; -i-ый фактор; k- число факторов; - коэффициенты регрессии; j- номер фактора, отличный от i.

Оценка распределения удобрений включает: замеры ширины и толщины ленты, описание формы к определение размеров отдельных частей ленты. Для получения количественной характеристики качества распределения удобрений в рядке проводится измерение на каждой поверхности опыта в следующем порядке. С помощью линейки и рулетки замеряется ширина и толщина ленты по всей ширине через каждые 15 см. Проводится фотографирование отдельных характерных частей ленты удобрений. Погрешность измерения при этом допускается -0,01 м. Затем лента удобрения из каждой повторности опыта вынимается и взвешивается.

На основании реализации плана и обработки результатов экспериментов получена зависимость подачи твердых органических удобрений от изменения параметров вибрации угловой скорости -Х₁, радиуса -Х₂, а также высоты выпускного окна -Х₃. Методика обработки результатов при применении трехфакторного эксперимента второго порядка по плану Бокса-Бенкина приведена в приложении 6

Модель объекта исследования второго порядка имеет вид:

Y=1.32+0.293X₁+0.345X₂+0.278X₃+0.21X²₁-0.337X₂²-0.095X²₃ (5.5)

Для использования уравнения как расчетной формулы и интерпретации результатов опыта ее необходимо преобразовать к именным величинам (раскодировав) с учетом значимости коэффициентов регрессии.

Значимость коэффициентов регрессии проверялась по t- критерию путем определения доверительного интервала для каждого типа коэффициентов при уровне значимости 0,95.

(4.45)

где - коэффициент регрессии данного вида

Коэффициент считается статистически значимым, когда его абсолютная величина больше доверительного интервала или равна ему, т.е.

- коэффициент уравнения значим

все коэффициенты значимы

коэффициенты значимы

коэффициент не значим

Многофакторная модель объекта исследования второго порядка с учетом значимости коэффициентов регрессии имеет вид

(4.46)

Определяем значения факторов в натуральном масштабе

(4.47)

Раскодированное уравнение, полученное по плану Бокса-Бенкина имеет вид

, (4.48)

Для проверки адекватности полученного уравнения подсчитаем расчетное значение критерия Фишера

(4.49)

(4.50)

где - экспериментальные и расчетные критерии соответственно, -степень свободы

Расчетное значение критерия Фишера сравнивалось с табличными Fтабл.

Fрасч =0,093 < F табл = 2,5 (4.51)

Проверкой плана эксперимента по критерию Фишера при уровне значимости 0,95 установлено, что уравнение не противоречит экспериментальным данным; оно реально описывает исследуемый процесс.

Проверка воспроизводимости эксперимента определялась с помощью критерия Кохрена

, (4.52)

где - наибольшая построечная дисперсия, - сумма построечных дисперсий.

Построечную дисперсию определяли по формуле:

; (4.53)

где ,- значение критерия повторности, - cреднеопытное значение критерия оптимизации, - число повторностей опыта.

Полученное в результате расчетов значение , критерия Кохрена сравнивалось с табличным значением , принятым при числе степеней свободы и и уровне значимости 0,05%

Для наглядного представления о степени влияния каждого из факторов и их взаимодействий проведено ранжирование коэффициентов уравнения регрессии (рис.4.27).

Рисунок 4.28 - Ранжирование коэффициентов уравнения регрессии

Наибольшее влияние на процесс виброперемещения частиц оказывают коэффициенты Х₁,Х₂,Х₃. Отрицательные значения коэффициентов уравнения регрессии показывает, что введение в модель их значений на всем интервале будут приводить к снижению функции оклика.

Уравнение (4.3.5) используется для построения поверхности отклика (рис.4.26) и графиков (рис.4.28) изменения секундной производительности и скорости перемещения материала от высоты вы­пускного окна, параметров вибрации:частоты к амплитуды колебаний.

С целью определения экстремума функции рассмотрим поверхность отклика в трехмерном пространстве при фиксированных граничных значениях влажности удобрений в области эксперимента.

Рисунок 4.29 - Поверхность отклика секундной производительности вибраци­онного выгрузного устройства в зависимости от частоты колебаний со и амплитуды при Н=15 см, влажности w=55%

 

Установлено (рис.4.29), что секундная производительность вибровысевающего устройства, при влажности удобрений W=55%, увеличивается с увеличением частоты и амплитуды колебаний.

Условия экстремума соответствует максимуму подачи удобрений влажностью 55%. Глубина регулировки производительности вибрационного выгрузного устройства возможна как за счет изменения параметров вибрации амплитуда и частоты колебаний, так и регулировочной заслонкой. При этом регулировка производительности возможна как вручную так и автоматически.

при α = 15^о, W = 55%, H = 15 cм

Рисунок 4.30 - Зависимость секундной производительности от частоты и амплитуды колебаний

Определив зависимость секундной производительности от параметров вибрации (рис.4.30) перейдем к определению средней скорости перемещения материала. Средняя скорость перемещения материала определялась по весовой производительности агрегата. Согласно[82], для каждой площади выпускного окна вибрационного выгрузного устройства скорость перемещения материала вычисля­ется по формуле

(4.54)

где М - масса твердых органических удобрений, выданное за время t, кг; b - ширина выпускного окна, см; h - высота выпускного окна, см: γ – объемный вес удобрения, кг/м;

Данные замеров по определению скорости перемещения, полученные в результате изучения влияния параметров вибрации и величины открытия высевного окна приведены в приложении 3. Зависимость средней скорости виброперемещения от изменения параметров вибрации представлена графически (рис.4.318-4.32).

Рисунок 4.31 - Зависимость скорости горизонтального перемещения ТОУ от амплитуды колебаний грузонесущего органа

Рисунок 4.32 - Зависимость скорости горизонтального перемещения ТОУ от частоты колебаний грузонесущего органа

Общей закономерностью установленных зависимостей является то, что при возрастании частоты колебаний и увеличении радиуса подача удобрений увеличивается, при чем более интенсивно при увеличении амплитуды колебаний А. Установлено, что при изменении частоты колебаний в пределах, от 5-25с^-1 зависимости между исследуемым величинами незначительно отличаются от линейной, что подтверждает правильность вывода, полученного при теоретическом анализе работы вибрационного выгрузного устройства. Расхождение теоретических и опытных данных составляет 18-20%

Таким образом, зависимости изменения средней скорости перемещения материала полученные экспериментально и рассчитанные теоретическим путем показывают сходимость теоретических и экспериментальных исследований в пределах от w>-5-25 с.

Анализ графиков (рис. 4.28-4.29) показывает, что аналитическая зависимость между исследуемыми величинами может быть представлена уравнением прямой в указанных пределах

у - а + b х (4.55)

Вместе с тем экспериментальные данные показывают, что при дальнейшем повышении частоты колебаний интенсивность увеличения секундной производительности снижается, а при подача ТОУ уменьшается. Снижение подачи материала при частоте колебаний превышающей указанные пределы, объясняются возрастанием отбрасывающих воздействий днища на удобрения. Дальнейшее увеличение частоты колебаний значительно затрудняет поступление удобрений. Из приведенных графиков (рис.4-2-4.6.) можно сделать вывод о достоверности методики. Подтверждается также принятые нами априори при теоретическом анализе подачи значений ω, А_у Н. С точки зре­ния достижения максимальной производительности на амплитудах 3-4 см необходимо задавать частоту 25-31 рад/c.

Необходимо произвести дальнейшие исследования с целью выравнивания полученных зависимостей в указанных пределах. Положение прямой на графике и ее наклон определяются коэффициентами а и b, которые следует определить при выводе частной эмпирической формулы. Сделать это можно, используя опытные данные, соответствующие двум точкам, расположенным на полученной прямой методом выравнивания (выпрямления). Сущность метода в преобразовании криволинейного участка графика в прямолинейный путем замены переменных в полученном аналитическом выражении. Выбранное аналитическое выражение можно считать соответствующим экспериментальной кривой, если на его основе удается достигнуть выпрямления этой кривой. Переменные х и у заменяют такими новыми переменными а и b, которые будучи некоторыми функциями от прежних переменных, оказались бы связанными между собой.линейной зависимостью.

По полученным данным построены графики подтверждающие, что зависимость может быть выражена уравнением прямой, в указанных пределах ω = 0-30с^-1. Остается выяснить величину коэффициентов а и b. Выберем две точки, совпадающие с прямой графика или весьма близкие к ней и запишем уравнение прямой для выбранных точек.

Решая эти уравнения с двумя неизвестными относительно а и b, получим значения новых переменных. Результаты сделанных расчетов сведены в табл.4.10. Исходя из данных таблицы строим графики выравнивания, которые приведены при построении номограммы для определения рациональных режимов работы вибровысевающего устройства (рис.4.33). Как видно графики имеют прямолинейную зависимость между новыми переменными. Результаты расчетов получены при определенных значениях амплитуды колебаний и определенной влажности твердых органических удобрений, диапазоны изменения которых лежат в достаточно широких пределах.

Таблица 4.10- Таблица пересчета опытных данных

Н,см	n, об/мин	Q,кг/10с	значения новыx переменных
А	В
20 20	250 50	22,5 7,0	2,39 1,69	1,35 0,84
15 15	250 50	18 5,2	2,39 1,69	1,25 0,71
10 10	250 50	15 3,0	2,39 1,69	1,71 0,47 i
5 5	250 50	11,2 1,5	2.39 1.69	1.04 0,17

Данные приведенные в таблице 4.10 получены при амплитуде колебаний А=4 см и влажности удобрений w=50-55%. Необходимо полнить, что любая эмпирическая формула является ограниченной, т.е. имеет силу только в пределах опытных значений на основе, которых она получена. Если бы полученные графики проходили через начало координат, нахождение эмпирической формулы было бы более упрощенным, так как в этом случае коэффициент а = 0, и остается найти лишь коэффициент -.b Однако начало виброперемещения твердых органических удобрений на экспериментальном высевающем устройстве происходит лишь при частоте колебаний ω=5с^-1

Подставив полученные значения в уравнение у = а + bх и решая его проверяем точность полученной эмпирической зависимости, сравнивая опытные данные и данные получаемые расчетом по эмпирическому уравнению. Выбранное аналитическое выражение можно считать соответствующим экспериментальной кривой т.к. удается достигнуть выпрямления этой кривой.

Понятие рациональных режимов вибрации грузонесущего органа вибровысевающего устройства в общем случае может иметь различный смысл: наибольшую скорость перемещения груза, минимальные ди­намические нагрузки в системе, минимальный расход энергии и т.д.

В данном конкретном случае, при рассмотрении экспериментального высевающего устройства с эксцентриковым приводом, под рациональными режимами понимаются режимы обеспечивающие наибольшую скорость перемещения груза, которая определялась по весовой производительности агрегата. Для решения этой задачи составлена номограмма по которой рекомендуется выбирать рациональные параметры высевающего устройства из формулы для определения секундной производительности.

g=1.556-0,112Н+0, 16А-0, 139А+. 0084H²-0, 003w² (4.56)

Секундная производительность q зависит от А, w и H. В ряде работ установлено, что наибольшая скорость виброперемещения материала возможны при 1<К<3,3. Но одни и те же значения коэффициента режима вибрации - К могут быть получены при различных сочетаниях А и w.

Экспериментальные зависимости секундной производительности от частоты колебаний при различных амплитудах представлены в первой четверти (рис. 4.33). Зависимости амплитуды - А от частоты колебаний - w при постоянных значениях параметра - К, вычисленные по формуле (4.55) представлены в четвертой четверти.

 

q кг/с 3,0		А=5 см   Н=20см	4 3
2,5				Н=15см
2,0
1,5				Н=10см
1,0
				Н=5см 4
					ω с ^-1
2,0
4,0
6,0	К=1
Асм

 

Рисунок 4.33 -Номограмма для определения амплитуды и частоты колебаний грузонесущего органа при виброперемещении удобрений

Значение К для экспериментального высевающего устройства характеризует граничные режимы, при которых возможна его работа. Значения К легко определить из графических зависимостей. Причем дл экспериментального высевающего устройства в отличии от известных устройств этот коэффициент имеет значения min и max именно для одного режима работы т.к. размах колебаний грузонесущего органа в вертикальной плоскости изменяется на величину l, которое представляет собой отношение X к L. Следовательно, и ускорение грузонесущего органа будет изменяться от минимума до максимума. В частности при w= 30 с^-1 и А = 4 мм К =3,6 на выходе и К = 1,8 в начале вибровысевающего устройства, в то время как для обычных виброустройств значение К= сопst для всего грузонесущего органа.

Поэтому важным элементом при определении параметров вибрации является выбор таких значений w и А, при которых движение материала обеспечивалось бы по всей длине грузонесущего органа.

При построении зависимостей q от w в I (рис.4.33) четверти следует наносить на график только при тех значениях w, при которых не прекращается прирост секундной подачи удобрений. Это позволяет выбрать рациональные значения. А и w. Кривые зависимости q от А даны в третьей четверти.

Так как зависимости даны для случая, когда амплитуда колебаний-А лотка равна 3, 4_, 5 см; то через ось А в третьей и четвертой четвертях проводим горизонтальные линии, соответствующие указанным значениям А, из точек их пересечения например с кривой К=2 восстанавливаем перпендикуляры и проводим их первую четверть до пересечения с кривыми, имеющими соответствующий порядок амплитуды. Например, перпендикуляр, восстановленный из точки пересечения четвертой четверти кривой К=2 и горизонтали, соответствующей А=3см, пересекается в первой четверти с кривой зависимости q от w, полученной при А=3см.

Установлено, что большая скорость перемещения груза при заданных значениях К соответствует большим значениям амплитуды и меньшим частотам колебаний лотка, что согласуется с выводами других авторов [14,16,117].

Данную методику выбора рациональных сочетаний А и w целесообразно применять в тех случаях, когда требуется обеспечить определенные условия вибрационного перемещения груза при наибольшей скорости перемещения. При этом необходимо предварительно определить значение угла наклона днища, затем построить кривые зависимости q от w при различных значениях А в интервале частот соответствующих наиболее интенсивному протеканию процесса высева, построить кривые зависимости q от w при заданных значениях К и воспользовавшись ими, построить кривые зависимости q от w, при К=const, по которым и выбирают значения А и w, соответствующие секундной производительности.