Содержание к диссертации
Введение
1. Сравнительный анализ рабочих процессов в машинах для калибрования тел по размерам 11
1.1. Особенности процессов механического калибрования и способы их реализации 11
1.2. Направления оптимизации процесса калибрования 16
1.3. Цели и задачи исследования 20
2. Функции и структура машины. структурный синтез механизмов привода решет 22
2.1. Функционально-морфологический анализ машины для калибрования тел на фракции по размерам 22
2.2. Структурный синтез самоустанавливающихся механизмов грохота 28
2.3. Примеры исполнения отдельных кинематических пар механизма 36
2.4. Влияние погрешностей изготовления на движение выходного звена самоустанавливающегося механизма 39
2.4.1. Анализ механизма с присоединенной группой Ассура, имеющей высшую кинематическую пару второго класса 39
2.4.2. Анализ присоединенной группы Ассура с низшими кинематическими парами 45
2.5. Выводы 49
3. Параметрический синтез и анализ механизмов грохота 51
3.1. Параметры и критерии оптимизации 51
3.1.1. Критерии выбора формы диаграммы ускорений и профиля кулачка 51
3.1.2. Критерий оптимизации процесса калибрования 52
3.2. Синтез кулачкового механизма привода грохота 53
3.3. Кинематические параметры движения решета в грохоте с кулачковым механизмом 61
3.4. Математическая модель движения компонента по подвижному решету 66
3.5. Анализ результатов параметрического синтеза и выбор рациональных законов движения решета 69
3.6. Выводы 80
4. Практическое обоснование использования грохотнои калибрующей машины с кулачковым приводом 82
4.1. Конструктивная разработка элементов грохота применительно к калиброванию продуктов растениеводства 82
4.2. Методика экспериментальных исследований
и обработка результатов опытов 89
4.2.1. Программа экспериментальных исследований 89
4.2.2. Объект исследований 89
4.2.3. Критерий оптимизации. Выбор и обоснование факторов, приделы их варьирования 90
4.2.4. Измерительные устройства, приборы и оборудование 93
4.2.5. Методика экспериментальных исследований по оптимизации параметров и режимов работы грохотного классификатора с кулачковым механизмом привода решет 93
4.2.6. Математическая обработка результатов экспериментальных исследований 95
4.3. Эффективность использования самоустанавливающегося механизма грохота с кулачковым приводом решет 102
4.4. Выводы 103
Заключение 105
Литература 107
Приложения 118
- Направления оптимизации процесса калибрования
- Анализ механизма с присоединенной группой Ассура, имеющей высшую кинематическую пару второго класса
- Анализ результатов параметрического синтеза и выбор рациональных законов движения решета
- Критерий оптимизации. Выбор и обоснование факторов, приделы их варьирования
Введение к работе
Во многих отраслях промышленности и сельского хозяйства при товарной обработке или подготовке к последующим технологическим операциям различных продуктов и материалов требуется разделять их по размерам компонентов на фракции (размерные группы). В процессе разделения производится калибрование компонентов - сравнение размеров каждого из них с заданным размером, граничным для двух смежных фракций.
При высоких требованиях к точности разделения производится поштучное калибрование компонентов на калибровочных машинах, специализированных для каждого вида продуктов и материалов. При низких требованиях, когда для подготовки различных смесей (в горнорудной и строительной промышленностях, в металлургии) требуется отделить только особо мелкие частицы и крупные куски, используются вибрационные грохоты, в которых рабочим органом является решето (полотно с отверстиями или сетка), совершающее колебательное движение.
Грохоты имеют простую конструкцию, низкую стоимость, высокую производительность и обладают сравнительно малым энергопотреблением [40, 107]. Расширение области применения грохотов для калибрования материалов со средней степенью точности (до 10...15% примесей в каждой фракции) сдерживается в связи с отсутствием работ по синтезу механизмов привода грохотов, определению их параметров, обеспечивающих получение заданной точности при высокой производительности.
В связи с вышесказанным тема диссертации «Структурно-параметрический синтез и анализ механизмов низкочастотных вибрационных машин для разделения тел по размерам на фракции» является актуальной.
Из всего разнообразия калибруемых механических смесей в работе рассматриваются материалы, компоненты которых имеют размеры от 20 до 120 мм и достаточно округлую форму. На поверхности решета они представляют собой систему не связанных друг с другом тел. Решето грохота при ка-
либровании таких материалов имеет сравнительно большую длину - до 1,5 м. При таких размерах и наличии в механизмах избыточных связей растут трудоемкость и время сборки машины, так как приходится применять ручную пригонку. «Вредные» избыточные связи отрицательно сказываются и во время эксплуатации: увеличиваются деформации звеньев, трение шум. Поэтому целесообразно проектировать статически определимые, самоустанавливающиеся механизмы [78, 81] без избыточных связей.
Анализ литературных источников, посвященных исследованию перемещения тел по подвижной поверхности [5, 50, 62, 75, 76], показывает, что эффективность калибрования может существенным образом зависеть от закона изменения ускорений решета, от распределения величины ускорений в пределах цикла колебаний. Поэтому одним из перспективных направлений совершенствования конструкций грохотов является применение кулачковых механизмов, которые позволяют получать практически любой закон движения решет. В данной работе были рассмотрены, в частности, законы движения, обеспечивающие по сравнению с существующими конструкциями более двух перемен знака ускорений за время цикла.
Для выбора оптимального закона движения необходимо разработать рациональный метод синтеза профиля кулачка и методику сравнительного анализа различных законов движения по заданным критериям оптимизации.
Цель работы и задачи исследования. Целью диссертационной работы является разработка методов синтеза и анализа механизмов грохотных калибрующих машин, позволяющих повысить эффективность их работы.
Цель и проведенный анализ нерешенных проблем по теме диссертации позволили определить основные задачи диссертационной работы: - разработка функционально-морфологической модели грохотной калибрующей машины, позволяющей определить перспективные направления совершенствования ее конструкции;
структурный синтез самоустанавливающихся механизмов и определение ошибок положения механизмов, обусловленных первичными ошибками расположения в звене элементов кинематических пар;
разработка методики синтеза профиля кулачка, обеспечивающего требуемое вибрационное воздействие;
разработка математической модели движения компонента по подвижному решету с целью анализа работы грохотной калибрующей машины;
обоснование критерия оптимизации работы грохотной калибрующей машины и разработка методики его определения на основе математической модели движения тела по решету;
- разработка программ расчета профиля кулачка, определение критерия оп-
Л тимизации и закона движения решета;
проектирование и изготовление экспериментальной установки грохотной калибрующей машины с кулачковым механизмом привода.
Проведение экспериментальных исследований и разработка практических рекомендаций.
На защиту выносятся:
- функционально-морфологическая модель грохота и созданные схемы кон
струкций таких машин;
- структурные схемы самоустанавливающихся механизмов грохота и анализ
С влияния первичных ошибок монтажа на работоспособность таких механиз
мов;
- методика синтеза кулачка с несколькими переменами знака ускорения тол
кателя, обеспечивающего рациональный режим движения тела по решету;
- критерий оптимизации работы грохота и методика его определения на ос
нове математической модели движения тела по подвижному решету;
- экспериментальная установка грохотной калибрующей машины с сетчатой
рабочей поверхностью и результаты экспериментов.
*
Научная новизна.
На основе разработанной функционально-морфологической модели выявлены наиболее значимые функции грохотов и выбраны наиболее перспективные схемы грохотов таких машин.
Найдены структурные схемы самоустанавливающихся механизмов грохота, установлено влияние первичных ошибок монтажа на движение решета.
Разработана методика синтеза профиля кулачка с учетом нескольких перемен знака ускорения, обеспечивающего рациональный режим движения тела по решету.
Предложен и обоснован критерий оптимизации работы грохота и разработана методика его определения на основе математической модели движения тела по подвижному решету.
На основе разработанных методов синтеза и анализа спроектирована и изготовлена экспериментальная модель грохотной калибрующей машины с синтезированным кулачковым механизмом привода, подтвердившая целесообразность теоретических рекомендаций по проектированию схемы грохота.
Методы исследования. При решении поставленных задач использовались аналитические методы теории механизмов и машин, теоретической механики, линейная теория точности, теория численного решения систем алгебраических и дифференциальных уравнений и теория обработки результатов экспериментальных исследований.
Достоверность результатов подтверждена строгостью математических выкладок, сравнением данных теоретических и экспериментальных исследований с результатами работ других авторов.
Практическая ценность работы. В результате проведенных исследований разработаны методы кинематического и динамического синтеза профиля кулачкового паза. На основании исследования движения компонента предложен критерий, позволяющий выбрать рациональные законы движения решет и параметры механизмов, обеспечивающие их . Использование данных
методик позволяет повысит производительность и точность процесса разделения материалов на фракции по размерам их компонентов.
Реализация работы. С использованием результатов работы разработана и изготовлена грохотная калибрующая машина, которая внедрена на предприятии ОАО «Путь Ильича» Завьяловского района УР в составе линии для подготовки семенного материала картофеля.
Апробация работы. Основные положения и результаты были доложены и обсуждены:
на научной конференции в ЧГАУ - г. Челябинск, 2002;
на региональной научно-практической конференции «Аграрная наука - состояние, проблемы». ИжГСХА, секция ЭМСХ - г. Ижевск, 2002;
на межрегиональной научно-практической конференции молодых ученых и специалистов «Перспективы развития регионов России в XXI веке». ИжГСХА, секция ЭМСХ - г. Ижевск, 2002;
на межрегиональной научно-практической конференции молодых ученых и специалистов в СГАУ им. Н.И. Вавилова - г. Саратов, 2003;
на XIV научно-практической конференции вузов Поволжья и Предуралья «Улучшение технико-эксплуатационных показателей мобильной техники» -г. Ижевск, 2003;
на научной конференции в ЧГАУ - г. Челябинск, 2004.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 печатных работ, получен 1 патент на изобретение.
Диссертация включает в себя: введение, четыре главы, общие выводы, заключение и список литературы из 113 наименований; содержит 117 страниц, 47 рисунков, 13 таблиц и 2 приложения.
Во введении обоснована актуальность темы диссертации, показана научная новизна и практическая ценность, приведена краткая аннотация работы.
В первой главе проведен сравнительный анализ конструкций грохотов, отмечены особенности процесса калибрования, указаны основные на-
правления совершенствования таких машин и методы их анализа и синтеза, сформулированы цели и задачи исследования.
Во второй главе разработана функционально-морфологическая модель грохотной калибрующей машины; показано, что эффективность калибрования зависит, главным образом, от закона движения решет; проведен структурный синтез схем самоустанавливающихся механизмов грохота; определены ошибки положения, возникающие в результате погрешностей изготовления и монтажа.
В третьей главе предложена методика кинематического и динамического синтеза кулачкового профиля, который позволяет находить профиль по заданному закону ускорений решета, обеспечивающему несколько перемен знака ускорения на прямом и обратном ходах; произведен синтез кулачковые профилей, обеспечивающих указанные законы движения; определены кинематические параметры движения решета в сложных приводах, включающих в себя кулачковый и рычажный механизмы; разработана математическая модель движения сферических компонентов рабочего тела по подвижному решету с щелевидными отверстиями; определен критерий оценки эффективности работы грохота; на основании этого критерия сделан выбор наиболее рационального из предложенных профиля кулачкового паза.
В четвертой главе описана схема разработанной экспериментальной установки грохота с кулачковым механизмом привода решет; представлены методики проведения экспериментов и обработки экспериментальных данных; показана эффективность применения кулачкового механизма в приводе решет грохотной машины, предназначенной для калибрования продукции растениеводства.
Автор выражает глубокую признательность за ценные советы и творческую поддержку Боровикову Юрию Алексеевичу, Васильченко Михаилу Юрьевичу.
Направления оптимизации процесса калибрования
Таким образом, эффективность калибрования в значительной степени зависит от распределения значений ускорения решета в пределах цикла колебаний. Для повышения производительности, так же как в вибротранспортерах, необходимо уменьшать величину положительных ускорений и увеличи л, вать модуль отрицательных. С другой стороны, для повышения точности калибрования закон движения решет должен быть таким, чтобы ограничивалась величина относительной скорости тел, иначе компоненты мелкой фракции будут проходить над отверстиями, не успевая сориентироваться в них для просеивания.
Наиболее просто разнообразные по кинематическим характеристикам законы движения решет реализуются с помощью кулачковых механизмов. В частности, для ограничения экстремумов относительной скорости калибруемых тел при сохранении достаточно высокой средней скорости направленного перемещения предлагается использовать механизмы, обеспечивающие неоднократное изменение знака ускорений в пределах цикла. В простых рычажных механизмах с одной группой Ассура знак ускорений меняется только два раза за один цикл. Надлежащий выбор закона движения решета с несколькими переменами знака ускорений позволит повысить точность и производительность калибрования при меньшей частоте колебаний решет.
Удачную компоновку имеет схема, изображенная на рисунке 1.4 с пространственным кулачковым механизмом. Цилиндрический кулачок 1 сообщает движение в противофазе двум решетам 2, что позволяет частично уравновесить силы инерции звеньев и разделять материалы одновременно на три фракции. Синтез профиля кулачкового паза следует проводить по оптимальным кинематическим параметрам движения решета, которые определяются в результате анализа движения рабочего тела по калибрующей поверхности. Общие вопросы синтеза кулачковых механизмов при заданных законах перемещений, скоростей или ускорений ведомого звена подробно разработаны Л.Н.Решетовым [80], Ротбартом Р. [82], Поповым Н.Н. [73, 74], Левитским Н.И. [51, 52]. Особенностью задачи, которую необходимо решить в данной работе, является то, что рациональный закон движения ведомого звена заранее не известен. Поэтому следует разработать удобную методику, позволяющую с наименьшими затратами времени производить синтез различных профилей кулачка для их последующего сравнения по выбранному критерию оптимизации.
Теоретические основы параметрического синтеза для плоских механизмов изложены в работах [49, 51, 68, 95, 99, 104, 108, 112], для пространственных механизмов - в работах [26, 37]. Некоторые критерии оптимизации кулачковых механизмов предложены в трудах [49, 51, 53, 80, 82, 95, 99], общие правила параметрического синтеза - в работах[49, 51, 53, 60, 61, 95, 99, 106, 108, ПО, 113]. Применительно к калибрующим машинам критерий оптимизации при параметрическом синтезе должен отражать основные характеристики качества работы: точность и производительность калибрования. В качестве математической модели, связывающей параметры конструкции, в данной работе можно принять систему уравнений динамики, описывающих поведение тел на калибрующей поверхности.
В представленной на рисунке 1.4 схеме к выходному звену кулачкового механизма присоединена структурная группа, в состав которой входят базовое звено (решето грохота) и поводки. При сборке конструкции, выполнен ной по этой схеме, трудно выдержать точное взаимное расположение кинематических пар, соединяющих подвижные звенья со стойкой. При наличии избыточных связей в структурной схеме отклонения размеров приведут к возникновению значительных деформаций звеньев и реакций в кинематических парах. В результате этого будет происходить преждевременное разрушение и износ деталей, увеличатся потери энергии на трение, повысится уровень шума. Целесообразно поэтому использовать в машинах самоустанавливающиеся механизмы без избыточных связей. Достоинства статически определимых систем известны давно, и в машиностроении накоплен значительный опыт их конструирования. Исследованию проблемы синтеза механизмов посвящены работы А.П. Малышева [51], Кожевникова С.Н. [37, 38], Пейсаха Э.Е. [60, 68], Лебедева В.И. и Турланова A.M. [47], Черкутдинова С.А. [104] и других ученых. Большой вклад в развитие теории проектирования самоустанавливающихся механизмов внес профессор Л.Н. Решетов [78, 81]. Применение таких механизмов позволяет снизить требования к точности изготовления, избавиться от подгонки деталей, уменьшить время сборки, отказаться при монтаже узлов от использования дорогостоящих контрольно-измерительных инструментов и устройств. Необходимо отметить, что при разработке известных конструкций грохотов методы структурного синтеза и анализа не использовались, поэтому они имеют большое число избыточных связей.
В самоустанавливающихся механизмах погрешности изготовления и сборки практически не влияют на величину реакций в кинематических парах, но могут изменить движение по сравнению с идеальным механизмом. Однако отклонения от заданного идеального движения не произвольны, а кинематически зависят от первичных ошибок размеров.
Анализ механизма с присоединенной группой Ассура, имеющей высшую кинематическую пару второго класса
Толкатель кулачкового механизма выполнен в виде двух жестко соединенных между собой штанг, рис. 2.12. Штанги скользят в направляющих, образуя цилиндрические пары четвертого класса. Они имеют одну избыточную связь (штанги и отверстия в направляющих должны быть строго параллельны друг другу). Но данная связь замкнута в самой кинематической паре, которую легко сделать точно на обычном универсальном металлорежущем оборудовании. Подобная компоновка обеспечивает жесткость конструкции и снижение сил давления в паре за счет перераспределения сил между штангами. Таким образом, указанные избыточные связи обеспечивают надежность и жесткость элементов и точность движения звеньев.
В идеальном исполнении рычажный механизм привода решет грохота является квазиплоским. Точки его звеньев движутся в плоскостях, параллельных координатной плоскости Oyz, вдоль оси Оу, рис. 2.13. Из-за неточностей изготовления и монтажа, звенья будут отклоняться от идеальных положений вследствие самоустанавливаемости механизма. Эти отклонения кинематически зависят от значения обобщенной координаты входного звена 1 и от первичных ошибок размеров.
В самоустанавливающемся механизме грохота ошибки расположения в звене элементов кинематических пар вызывают отклонения закона движения выходного звена от идеального. Ошибки положения решета грохота, измеряемые в продольном направлении движения решета, не влияют на рабочий процесс. Однако при поперечных колебательных движениях звена 3 появляются поперечные силы инерции, которые могут разрушить кинематическое соединение толкателя и решета. Это приведет к нарушению рабочего процесса и аварии. Для проверки прочности данного соединения надо оценить граничные значения возникающих сил инерции и смещения точек решета от идеальных положений. При постановке задачи исследования точности механизма не рассматривались первичные ошибки поверхностей элементов кинематических пар, а только отклонения расположений в звене элементов кинематических пар. Значения этих первичных ошибок принимаются детерминированными, так как серийное производство данных машин не рассматривалось, а определялись некоторые предельные случаи отклонения расположения кинематических пар. Решение данной задачи допустимо при помощи линейной теории точности, разработанной академиком Бруевичем Н.Г. [10, 13]. Было принято, что входное звено имеет идеальное движение, хотя для определения реального необходимо учитывать влияние сил, а значит, требуется использовать нелинейную теорию точности, которая позволяет находить точные значения ошибок скоростей и ускорений звеньев.
Анализ конструкции показывает, что наибольшее влияние на величину поперечных перемещений решета вдоль оси Ох будут оказывать ошибки монтажа рамы кулачка 1: поворот Ау оси вала кулачка О і вокруг вертикали и смещение АЛ: центра О/ параллельно оси Ох. Это объясняется тем, что кулачковый механизм имеет отдельную раму, которая устанавливается на раме машины. При сборке рама кулачка может быть смещена из идеального положения по отношению к шаровым шарнирам С,. Остальные размеры звеньев, определяющие взаимное расположение элементов кинематических пар, при существующих технологиях можно получить с достаточно высокой точностью, или их ошибки не влияют на поперечное движение решета.
Для установления связи между ошибками положения 5л:, точек решета и первичными ошибками Ау и Ах используем метод, изложенный в работах [10, 13]. Останавливаем исходный механизм, зафиксировав кулачок 1, а значит, и толкатель 2, и вводим дополнительно звено 5 с двумя кинематическими парами, рис. 2.14,а. Данное звено 5 вместе с толкателем 2 может поступательно перемещаться относительно стойки в направлении оси Ох, а сам толкатель 2 может поворачиваться вокруг вертикали относительно звена 5. Таким образом, получается условный преобразованный механизм, который имеет две степени свободы при заданном значении координаты S. В качестве обобщенных координат выступают первичные ошибки положения толкателя Ау и Ах. При смещении дополнительного звена 5 на Ах и Ау толкатель 2 займет новое положение. Будем считать, что точки Д? и В3, принадлежащие звеньям 2 и 3 соответственно, совпадают. Рассмотрим перемещения этих точек. Составляющие Ьхв и 6ув ошибок положения точек В2 и В3 одинаковы и легко определяются по схеме на рисунке 2.14,6. В произвольном положении идеального механизма, определяемом координатой толкателя S, аппликата точки В2 сохраняет начальное значение zB = Н.
Анализ результатов параметрического синтеза и выбор рациональных законов движения решета
Считаем, что компонент однороден и имеет форму, близкую к шарообразной. Подобное допущение основывается на том, что необходимо исследовать такой этап движения компонента, который не зависит от начальных условий. Если принять, что компоненты имеют форму, близкую к эллипсоиду, то в уравнения движения войдут параметры а, Ь, с- полуоси эллипсоида, которые будут оказывать влияние на уравнения, затрудняя выявление общих закономерностей.
Будем считать, что объект движется по параллельным подвижным направляющим (рис. 3.6), не имеющим поперечных элементов. Направляющие наклонены к горизонту под углом у и совершают поступательное движение так, что вертикальная плоскость Ezx подвижной системы отсчета Exyz, жестко связанной с направляющими, не изменяет своего положения в пространстве. Расстояние между направляющими d меньше диаметра компонента 2R. Е0, DO И Ei, D\ - границы дуг, описываемых, соответственно, точками Е и D направляющих при их колебательном движении по заданным траекториям.
Закон движения точек s = Е0Е = f(t) определен ранее. Данный закон удобно определять в виде подпрограммы, результаты расчетов которой будут использоваться в основной программе определения движения шара.
При составлении модели движения компонента подберем начальные условия таким образом, чтобы шар совершал плоскопараллельное движение вдоль направляющих. Геометрическое место точек касания К каждой направляющей со сферической поверхностью будет представлять собой окружность с радиусом г = R л/і - \d/2R J, рис. 3.6. Приложим к системе все действующие силы. Добавив к системе сил равнодействующую сил инерции в переносном движении Ф = -т аЕ (где т - масса компонента), запишем дифференциальные уравнения относительного движения: где хР, zP — текущие значения координат, определяющих положение центра масс в системе отсчетаExyz; Р - угол поворота шара; G = m-g — сила тяжести шара; N — нормальная реакция направляющей; F — сила трения между шаром и направляющей; а - угол между вектором полного ускорения точки Е и направляющей; 0 - угол между нормальной реакцией N и плоскостью Ezx (рис. 3.6); / - главный центральный момент инерции шара.
Таким образом, при любом виде относительного движения шара полу-чаем замкнутую систему, то есть разрешимую, и можем узнать закон движения компонента по направляющим. Для реализации указанного алгоритма решения удобно использовать готовые программы численного интегрирования, описанные в [29], применяя данные по расчетам законов движения решет. В процессе расчетов необходимо проверять условие безотрывного движения шара по направляющим: N 0. В момент отрыва определяется скорость центра масс, которая включается в число начальных условий при изучении свободного полета шара.
Анализ результатов параметрического синтеза и выбор рациональных законов движения решета Для выбора оптимального профиля кулачкового паза необходимо определить значения коэффициента оптимизации Копт при различных начальных условиях и входных параметрах. Кроме того, следует определить и зарегистрировать время схода Т. В качестве входных параметров выбраны угловая скорость кулачка со и угол наклона решета у к горизонту. Следует учесть, что компоненты по ступают на решето в различные фазы оборота кулачка. Для всей массы ком понентов эти данные должны обобщаться. Выходные параметры Т и Копт оп ределяются путем расчета по разработанной программе при различных фазах оборота кулачка. По этим данным находят средние значения времени схода Т и коэффициента Копт, на основании которых производят выбор наилучшего профиля. Кроме того, по результатам расчета А опт при различных значениях угловой скорости со кулачка и угла наклона решета у можно определить наи лучшие значения этих входных параметров, которые соответствуют макси мальному значению коэффициента Кот. На рисунках 3.7 - 3.11 показаны диа граммы ускорений толкателя и графики относительного перемещения S и ф, скорости V центра масс компонента при различных профилях кулачкового паза, но одинаковых начальных условиях. Так можно отметить, что в случае законов движения решет с несколькими переменами знаков ускорений компоненты рабочего тела проходят больший путь за четыре оборота кулачка при меньших изменениях скорости центра масс, чем в случае закона движения решет, обеспечиваемого кривошипно-шатунным механизмом. То есть, чтобы пройти тот же путь, в случае кривошипно-шатунного механизма привода решет, требуется сделать больше оборотов кривошипа и затратить, соответственно, больше времени. Эта тенденция сохраняется и в дальнейшем процессе движения, однако, в меньшей степени.
Критерий оптимизации. Выбор и обоснование факторов, приделы их варьирования
Многие авторы [7, 15, 22, 33, 43, 48, 54, 86, 89, 91, 100, 101, 105] подтверждают, что на коэффициент точности калибрования оказывает влияние фракционный состав картофельного вороха. Чтобы исключить воздействие данного фактора на результаты эксперимента, фракционный состав физических моделей исследований необходимо поддерживать постоянным.
Основываясь на результатах предыдущих теоретических и экспериментальных исследований [7, 15, 41, 43, 87, 88, 92], приняты следующие величины управляющих факторов.
Угловая скорость вращения кулачка со и ход толкателей Н связаны между собой. Профили кулачка S определяются по результатам расчета их на ЭВМ при задаваемой компоновке диаграммы ускорений. Пределы значений ускорений находят из условий направленного движения клубней по решету в сторону схода.
По экспериментальным данным оптимальный ход решет, а значит и ход толкателей должен лежать в пределах 60 ... 70 мм. При меньшем ходе получается режим вибросепарации, используемый при сепарации зерна, а увеличение хода применяется при режиме транспортирования. В расчетах профилей кулачков задаемся такой величиной угловой скорости вращения кулачка, чтобы ход толкателей лежал указанных выше переделах.
Углы наклона решета к горизонту в сторону схода выставляли путем изменения точек крепления подвесов. Пределы изменения угла приняты от 4 до 10 градусов.
После проведения серии однофакторных экспериментов, результаты которых обрабатываются методом математической статистики, строим графики функциональных зависимостей коэффициента точности калибрования от оптимизируемых факторов К = /(со); К = /(у).
Кулачковый механизм ране не использовался в качестве привода решет грохота для обеспечения оптимальных законов движения решет. В связи с этим изучение кулачкового механизма и определение основных параметров машины включены в программу исследований.
Экспериментальные исследования проводились на базе ФГОУ В ПО Ижевская ГСХА. Для проведения опытов была взята выборка физических моделей клубней картофеля, определялась их размерно-массовая характеристика и составлялась корреляционная таблица. По данным таблицы устанавливался теоретический коэффициент точности сортирования. Данные размерно-массовых характеристик клубней позволяют установить размеры отверстий калибрующей поверхности.
Границы и интервалы варьирования факторами устанавливаются на основе априорной информации и проведения поисковых опытов. Численные значения принимаются близкими к предельно возможным. Задаемся числом скачков ускорений толкателей кулачкового механизма от 6 до 10, при этом соответствующим образом распределяем их по циклу вращения кулачка.
Поисковые эксперименты позволяют уменьшить величину интервалов варьирования факторов и проанализировать характер протекания процесса калибрования. Затем составляется план проведения основных экспериментальных исследований. Основные закономерности процесса выделения фракций устанавливаются при помощи физических моделей клубней, что обеспечивает постоянство фракционного состава и ускоряет обработку полученных данных.
Для проведения опытов составляется матрица планирования полного факторного эксперимента ПФЭ на трех уровнях изменения каждого фактора (таблица 4.1).
По опытам с моделями можно судить об области расположения рациональных режимов. Эксперимент ставится в узком диапазоне изменения факторов и проводится по плану многофакторного эксперимента при решении экстремальных задач (применяется план Бокса-Бенкина) [28, 59, 71].
Коэффициенты регрессии вычисляются на ЭВМ. Математическая модель анализируется по программе множественного регрессионного анализа. Графическое изображение области факторного пространства выполняется на ЭВМ. Ворох равномерно подается на калибрующую поверхность. Подача регулируется визуально так, чтобы поверхность рабочего органа была загружена в один слой без заметных пропусков. Каждая фракция на сходе с решета поступает на брезентовое полотно.
Данные математической обработки результатов позволяет решить следующие основные задачи: установить необходимое число опытов и количество их поворотов; обеспечить точность измерений и исключить ошибки в измерениях; определить доверительные границы для параметров измерений. Обработку экспериментальных данных проводят методом математической статистики в соответствии с указаниями, приведенными в [23, 28, 59, 71].
Одним из основных проблем при подготовке эксперимента является обеспечение точности измерений параметров, определение числа повторностей опытов для достоверного определения измеряемой величины. Для вычисления достаточного количества повторностей измерений требуется задать надежности результатов опытов а и допустимую ошибку є. Величина а позволяет установить доверительный интервал значений измеряемой величины. Показатель надежности а иначе называют доверительной вероятностью, то есть вероятностью того, что значения измеряемой величины X не выйдут за доверительные пределы ±АХ, определяемой доверительной вероятностью.
При исследованиях в технике достаточна доверительная вероятность Р=0,95, значения предельной допустимой ошибки [23] не должны превышать ±3ст, где а- среднеквадратичное отклонение результатов опыта. По таблицам [23] определяем необходимое число повторностей.
