Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса и задачи исследования повышения производительности и тягово-сцепных свойств тяговых машинно-тракторных агрегатов 9
1.1. Пути повышения производительности тяговых машинно-тракторных агрегатов (МТА) 9
1.2. Повышение тягово-сцспных качеств тракторов 15
1.3. Вовлечение прицепных машин в процесс создания силы тяги машинно-тракторного агрегата через ВОМ трактора 22
1.4. Анализ конструкций отечественных и зарубежных машин 26
1.5. Цель и задачи исследований 37
Глава 2. Обоснование активного колеса-рыхлителя 39
2.1. Контактные зоны жесткого колеса с почво, 41
2.2. Определение геометрических параметров профиля кулачка в активном колесе-рыхлителе 53
2.3. Определение параметров дискового ножа 57
2.4. Анализ движения активного колеса-рыхлителя 59
2.5. Тяговый баланс культиватори ого агрегата с активными колесами-рыхлителями 74
2.6. Мощностной баланс культиваторного агрегата с активными колесами-рыхлителями 77
Глава 3. Программа и методика экспериментальных исследований 81
3.3. Планирование эксперимента 81
3.4. Экспериментальная установка 85
3.5. Методика обработки экспериментальных данных. 99
Глава 4. Результаты экспериментально-теоретических исследований 105
4.1. Реализация многофакторного эксперимента 105
4.2. Влияние выбранных факторов на удельные затраты мощности 109
4.3. Влияние факторов на формирование движущей силы...111
4.4. Зависимость энергетических показателей и движущей силы от окружной скорости активного колеса-рыхлителя 114
4.5. Зависимость энергетических и силовых показателей активного колеса-рыхлителя от угла установки кулачка 117
4.6. Зависимость энергетических и силовых показателей активного колеса-рыхлителя от тягового сопротивления І 20
4.7. Влияние глубины обработки и режима работы (скорости движения) активных колес-рыхлителей на энергетические параметры экспериментальной установки 123
4.8. Влияние крюкового усилия на тяговые и топливно-экономические показатели культиваторного агрегата 127
4.9. Сравнительная оценка работы культиваторного агрегата с активными колесами-рыхлителями и навесного культиватора-окучника КОН-2,8Б „133
4.10. Результаты сравнительных испытаний агрегатов 136
4.11. Сравнительная агротехническая оценка качества работы культиваторов-окучников КОН-2,8К и КОН-2,8Б 138
4.12. Производственные испытания культиваторного агрегата с активными колесами-рыхлителями 141
4.13. Выводы по результатам экспериментов и их анализу 142
Глава 5. Оценка экономической эффективности результатов исследований 143
Выводы и предложения 149
Библиографический список 150
Приложения
- Пути повышения производительности тяговых машинно-тракторных агрегатов (МТА)
- Определение геометрических параметров профиля кулачка в активном колесе-рыхлителе
- Планирование эксперимента
- Реализация многофакторного эксперимента
Введение к работе
Развитие сельскохозяйственного производства неразрывно связано с увеличением энергонасыщенности производства. Выполнение технологических процессов сельскохозяйственного производства в основном осуществляется перемещением сельскохозяйственных машин по полю посредством тягача или движителей, которыми снабжается мобильная машина (комбайны, тракторы, автомобили и т.д.). В основу положен принцип тяги: трактор - сельскохозяйственное орудие (плуг, культиватор и т.д.). Энергия двигателя передается движителям, посредствам которых осуществляется передвижение мобильной машины по почве. Поэтому для выполнения тягового мобильного технологического процесса необходимо наличие определенных соотношений между мощностью двигателя, массой и скоростью движения. Нарушение этих соотношений приводит к значительному недоиспользованию мощности двигателя при недостаточной массе трактора или излишней его массе при ограниченных возможностях двигателя.
Повышение производительности агрегатов при классическом способе передачи энергии «ведущие колеса трактора - почва» возможно только за счет увеличения скорости движения, которая должна обеспечиваться соответствующим ростом мощности двигателя при сохранении массы трактора. Однако при увеличении скорости движения сопротивление почвы почвообрабатывающим орудиям возрастает не пропорционально этой скорости, а быстрее. При расчетной номинальной скорости движения сопротивление почвообрабатывающих орудий оказывается больше номинальной силы тяги трактора, вследствие чего увеличивается буксование ведущих колес, снижается рентабельность работ.
Существует множество способов снижения тягового сопротивления орудий, которые можно подразделить на три группы:
Первая группа - усовершенствование пассивных рабочих органов (покрытие поверхности отвала полимерами, вибрация корпуса, замена крыла отвала роликом или сферическим диском и т.п.).
Вторая группа - установка дополнительных активных роторов (вертикальный ротор вместо крыла отвала, фрезерная секция вместо предплужника и т.п.). Другими словами, вторая группа характеризуется созданием комбинированных рабочих органов.
Третья группа характеризуется созданием орудий с активными рабочими органами, а также машины с рабочими органами - движителями.
Технологическое сопротивление движению рабочих органов-движителей способствует снижению суммарного тягового сопротивления почвообрабатывающей машины. Следует отметить, что энергонасыщенный трактор в агрегате с рабочими органами-движителями не будет иметь ограничений по сцепление движителей с почвой. Горизонтальная составлявшая реакции почвы будет направлена на улучшение тяговых скоростей тракторов, особенно колесных. Это создает условия и рационального использования мощности двигателя и способствует увеличение производительности машинного афегата. При этом рост производительности может осуществляться за счет повышения рабочих скоростей и увеличения ширины захвата почвообрабатывающих афегатов.
Анализ различных конструкций орудий с рабочими органами-движителями показал, что наиболее эффективным применением органов-движителей является использование их вместо опорных колес почвообрабатывающих афегатов.
Актуальность темы. Использование активных колес-рыхлителей вместо опорных колес почвообрабатывающих машин, особенно в составе энергонасыщенных тракторов, открывает широкие перспективы по совмещению технологических операций по обработке почвы, снижению буксования колее, повышению производительности, уменьшению погектарного расхода топлива, открывает возможность полной зафузки двигателя и дальнейшего энергонасыщения тракторов. В связи с этим разработка куль- тиваторного агрегата с активными колесами-рыхлителями, обоснопавше его параметров и режимов работы является актуальной задачей. Актуальность данной работы подтверждается также тем, что она выполнялась в соответствии с темой НИР Самарской ГСХА «Разработать и внедрить усовершенствованные технологические процессы, новые усовершенствованные движители, обеспечивающие допустимое воздействие на почву» на 1998 ... 2005 г. (ГР № 01.980001758) и сводным планом НИР Самарской ГСХА.
Цель работы. Повышение эффективности культиваторного агрегата с трактором класса 0,6 применением активных колес-рыхлителей.
Объект исследовании - технологический процесс работы культиваторного агрегата с активными колесами-рыхлителями.
Предмет исследования - культиваторный агрегат в составе трактора Т-25А и культиватора-окучника КОН-2,8Б
Научная новизна. Научная новизна работы состоит в разработке аналитических зависимостей и графических методов определения геометрических и кинематических параметров активного колеса-рыхлителя; показателей оценки работы культиваторного агрегата с активными колесами-рыхлителями и эффективности применения активных колес-рыхлителей СХМ; аналитических зависимостей влияния кинематических, силовых и мощностных параметров культиваторного агрегата с активными колесами-рыхлителями на его технико-экономические показатели.
Практическая значимость работы. Использование разработанного культиваторного агрегата с активными колесами-рыхлителями вместо серийного культиваторного агрегата, за счет повышения качества процесса окучивания и снижения технологического сопротивления, позволило повысить его производительность на 0,4 га/ч и уменьшить погектарный расход топлива на 0,8 кг/ч.
Достоверность результатов. Достоверность результатов подтверждается с помощью современного оборудования, приборов и контрольно— измерительной аппаратурой, планированием многофакторного эксперимента с обработкой экспериментальных данных на ПЭВМ. Контрольно-измерительные приборы прошли проверку и тарировку, что позволило обеспечить требуемую погрешность измерений изучаемых параметров. Использование результатов исследований подтверждено актами о внедрении.
Реализация результатов исследований. Разработанный культиваторы ый агрегат с активными колесами-рыхлителями прошел опытно производственную проверку в условиях сельскохозяйственного производственного кооператива «Прогресс» и закрытого акционерного общества «Смышляевский» Волжского района Самарской области (см. приложения 17, 18).
Апробация работы и публикации. Основные положения и результаты работы были доложены, обсуждены и одобрены на Поволжской межвузовской конференции «Актуальные агроинженерные проблемы АПК» Самарской ГСХА (2001 г.), Межгосударственном научно — техническом семинаре «Проблемы экономичности и эксплуатации двигателей внутреннего сгорания в АПК СНГ» Саратовского ГАУ имени Н. И. Вавилова (2002 г.), Поволжской межвузовской конференции «Совершенствование маши-ноиспользования и технологических процессов в АПК» Самарской ГСХА (2002 г.), научно - практической конференции, посвященной 50 — летию инженерного факультета Пензенской ГСХА «Проблемы развития машинных технологий и технических средств производства сельскохозяйственной продукции» (2002 г.), итоговой выставке Самарского областного ежегодного конкурса «ЭкоЛидср - 2002» (2003 г.).
По результатам выполненных исследований опубликовано 12 научных статей, в том числе 1 научная статья без соавторов, и получено положительное решение о выдачи патента на изобретение.
Научные положения и результаты исследований, выносимые на защиту: технологическая схема культиваторного агрегата с активными колесами-рыхлителями; теоретическое обоснование конструктивных и рабочих параметров активного колеса-рыхлителя; процесс работы культиваторного агрегата с активными колесами-рыхлителями; результаты экспериментальных исследований по повышению эффективности культиваторного афегата с трактором класса 0,6 применением активных колес-рыхлителей.
Пути повышения производительности тяговых машинно-тракторных агрегатов (МТА)
Важнейшей задачей научно-технического прогресса в области использования сельскохозяйственной техники является повышение производительности машинно-тракторных агрегатов. Производительность МТА принято выражать величиной обработанной площади в единицу времени: W = cBrVpTy га/ч (1.1) где с - коэффициент размерности; Вр рабочая ширина захвата агрегата, м; V - рабочая скорость движения агрегата, км/ч; г- коэффициент использования времени, или W = cMiL, (1.2) К где Л -эффективная мощность двигателя, кВт; rjT- тяговый КПД трактора; kv- коэффициент удельного сопротивления сельхозмашины, кН/м. Нужно заметить, что влияние коэффициента использования времени велико, зависит от многих факторов, поэтому при его определении возникает ряд трудностей. В связи с этим в дальнейшем будем использовать понятие "технической производительности", то есть производительности в единицу чистого времени [90, 106, 195, 194, 196]. С учетом выше изложенного, часовая техническая производительность МТА может быть выражена как WT Q,36BrVpJ га/ч (1.3) или о,збл г = о,зб;у,,, га/ч (L4) К К где N К1 - тяговая мощность трактора, кВт. Удельная производительность агрегата, техническая производительность, отнесенная к единице массы тягового средства, определяется = Э5 ,га/т.ч (1.5) где ш,- масса тягового средства, т; Э- энергонасыщенность тягового средства. Энергонасыщенность тягового средства определяется по формуле Э = —, кВт/т. /Иг Анализ уравнений (1.3) и (1.4) показывает, что для увеличения производительности МТА необходимо либо увеличить тяговую мощность агрегата, либо уменьшить удельное тяговое сопротивление агрегатируемой сельхозмашины, либо делать все это одновременно (см. рис. 1.1). В реальной эксплуатации машинно-тракторных агрегатов, удельное тяговое сопротивление сельхозмашины изменяется в сравнительно малом диапазоне, поэтому повышение производительности МТА в несколько раз возможно только за счет увеличения тяговой мощности [ЮЗ]. Численное значение г)г
не может быть больше единицы, поэтому за счет его повышения увеличить тяговую мощность МТА в целое число раз невозможно. Увеличение же мощности двигателя трактора теоретически беспредельно, а практически может быть увеличено в несколько раз [103]. Поэтому одной из тенденций развития сельскохозяйственного тракторостроения является непрерывное повышение мощности двигателя, без значительного увеличения массы трактора - повышение энергонасыщенности трактора. При этом расчет делается на то, что соответственно должна повыситься и скорость движения МТА. Однако этого не происходит. Так, увеличение рабочей скорости машинно-тракторного агрегата, путем увеличения энергоиасыщенпости трак тора, приводит к снижению максимального значения КПД ходовой системы трактора с одновременным снижением оптимального значения тягового усилия. Например, для трактора типа МТЗ при увеличении мощности двигателя с 27 до 80 кВт, в случае использования ее только через тяговую мощность, максимальное значение КПД ходовой системы уменьшается до 20% , а оптимальное тяговое усилие - до 40% при работе на агрофоне -стерня. Это является одной из причин снижения темпа увеличения производительности МТА по отношению к темпу увеличения мощности его двигателя с одновременным увеличением энергозатрат на единицу обработанной площади поля [103, 105, 107]. При замене тракторов ДТ-54 на тракторы ДТ-75 мощность двигателя увеличилась на 36%, а производительность только на 13%. При обработке почвы плоскорезами в зоне Казахстана тракторами Т-150, Т-150М, Т-150К и Т-150КМ, при увеличении мощности двигателя трактора Т-150М по отношению к трактору Т-150 на 26,5%, производительность возросла на 19%, для тракторов Т-150К и Т-150КМ соответственно-на 27 и 24% [103, 152, 161].
У агрегатов с тракторами МТЗ-80 в сравнении с тракторами МТЗ-50 на выполнении большинства работ повышение производительности получено всего на 4...5%, а с тракторами Т-150К в сравнении с Т-74 - только на 25...35% против ожидаемых 70...80% . Другой пример. Несмотря на то, что мощность тракторов T-I50K и К-701 в сравнении с трактором Т-74 повысилась соответственно в 2,2 и 4 раза, их удельная производительность на единицу мощности не возросла, а снизилась соответственно на 15 и 25 % при одновременном увеличении погектарного расхода топлива на 10... 15 %. Это свидетельствует о существенном недоиспользовании потенциальных возможностей энергонасыщенной техники и возникших объективных противоречиях в согласованности параметров тракторов и агрегатируемых с ними машин обычного типа [147].
Добавим, ухудшение эффективности использования МТЛ объясняется еще и непрерывными колебаниями тягового сопротивления сель скохозяйствснной машины, приводящими к колебаниям режима загрузки установленного на тракторе двигателя. Колебания загрузки двигателя приводят к изменению процессов в системе автоматического регулирования подачи топлива и воздуха, вызывая ухудшение процесса сгорания 149. С ростом поступательной скорости движения агрегата происходит увеличение коэффициента удельного сопротивления сельскохозяйственной маши-нм[90, 103], что неизбежно вызывает увеличение колебаний загрузки двигателя. Доказано, что снижение мощности двигателя тем больше, чем больше динамичность изменения момента сопротивления на валу двигателя, при этом снижение может достигать 20.,.30% от номинальной мощности двигателя [103, 150].
Кроме того, рост энергонасыщенности тракторов привел к значительному недоиспользованию мощности их двигателей. Статистические исследования показателей использования тракторов в сельском хозяйстве свидетельствуют о том, что средняя загрузка по мощности двигателей энергонасыщенных тракторов составляет 50...65% [200]. Недоиспользование мощности приводит к соответствующему снижению реальной производительности машинно-тракторного агрегата, увеличению удельного расхода топлива и удельной материалоемкости агрегатов, ухудшению их экономической эффективности (рис. 1.2, 1.3) [19, 103, 102, 147, 153].
Таким образом, рост энергонасыщенности тракторов сельскохозяйственного назначения в значительной мере превосходит рост производительности составленных на их базе агрегатов, вследствие непропорционального роста рабочей скорости и увеличения динамических нагрузок. В то же время тяговые свойства тракторов в каждом тяговом классе при повышении энергонасыщенности остается практически неизменными. В результате появляется «избыточная» мощность двигателя, которая не может быть использована ни для повышения скорости, ни для увеличения ширины захвата и грузоподъемности существующих агрегатов.
Определение геометрических параметров профиля кулачка в активном колесе-рыхлителе
Повышение тягово-сцепных свойств колеса можно добиться уменыпениСхМ буксования. Для этого необходимо повысить сцепление колеса с почвой с помощью рыхлителей, которые будут взаимодействовать с почвой в зоне буксования яг, (см. рис. 2.2), создавая силы препятствующие пробуксовке колеса. Для выполнения данного процесса взаимодействия рыхлителя с почвой наиболее рациональным будет использование в конструкции колеса - кулачка, с помощью которого можно обеспечить перемещение рыхлителя по необходимому закону движения. Наибольшее применение нашли кулачки, обеспечивающие плавную и безразрывную кривую ускорения.
Для уменьшения бокового усилия FLI) , сдвигающие колесный ход в
сторону и нарезки опережающей трещины перед окучником, в конструкции активного колеса-рыхлителя использовали дисковый нож, геометрические параметры которого рассмотрим в следующей главе. 2,3. Определение параметров дискового ножа
Боковые усилия Ft,, сдвигающие колесный ход в сторону, передаются почве боковыми площадками дискового ножа, погруженными в почву. Эти площадки, если дисковый нож погружается в почву на полную свою высоту Лд, представляются в виде сегментов аЪс (рис. 2,12) и должны по своему размеру быть достаточными, чтобы реакция почвы целиком уравновесила сдвигающую силу/\,. Это возможно в том случае, когда напряжение смятия почвы не превышает допустимого. Пусть допускаемое напряжение смятия - к кгісм2, а площадь опорного сегмента S.
В таком случае сдвигающее усилие Fit будет уравновешено сопротивлением почвы смятию ke„Fiit и силой трения, возникающей между опорной частью поверхности дискового ножа и почвой. Эта сила пропорциональна вертикальной нагрузке (7, приходящейся на колесо, т.е. равна /G; таким образом F. JG + k S. (2.19)
Рассмотрим работу активного колеса-рыхлителя с жестким ободом 1, выдвижными рыхлителями 2 и плоским дисковым ножом 3 движущегося по почве (см. рис. 2.13).
При движении колеса на него действуют следующие силы и моменты: ведущий момент Мя приложенный к его оси; реактивная сила FT, представляющая собой сопротивление, оказываемое остовом машины толкающему ее колесу; вертикальная нагрузка на колесо G; реактивные силы, действующие со стороны почвы на колесо, представлены равнодействующей R\, которая приложена в точке Л опорной поверхности колеса; силы сопротивления, действующие со стороны почвы на плоский дисковый нож, представлены равнодействующей У?2, которая приложена примерно в середине рабочей дуги лезвия ножа [87]; касательная сила тяги колеса, необходимая для преодоления сдвига почвы FKva; касательная сила тяги колеса, возникающая при срезе почвенных кирпичей боковыми сторонами рыхлителей F .
Определим касательную силу тяги активного колеса-рыхлителя (рис. 2.13 и 2.14). При установившемся режиме касательная сила FK тяги колеса-рыхлителя равна сумме тангенциальных реакций почвы, направленных в сторону движения (рис. 2.13).
В этом случае процесс взаимодействия такого колеса с почвой отличается от качения ведущего жесткого колеса. При взаимодействии ведущего колеса с почвой действуют силы трения между опорной поверхностью обода, дискового ножа и почвой; силы, возникающие при упоре рыхлителей в почву; силы, возникающие при срезе почвенного кирпича боковыми сторонами рыхлителей и дисковым ножом.
При движении активного колеса-рыхлителя, его рыхлители начнут постепенно выдвигаться, достигнув угла or, (см. рис. 2.13), а также сдвигать и срезать почву в направлении, обратном движению. В свою очередь дисковый нож будет резать пласт почвы в вертикальном направлении, также сдвигая почву в обратном направлении движению. Упор дискового ножа и рыхлителей в почву, сдвиг и срез почвенных кирпичей, зажатых между рыхлителями, возможны только при полном использовании сил трения, т. с. когда имеется пробуксовка колеса.
Теоретически передача ведущего момента обязательно должна сопровождаться буксованием, в результате чего ось колеса как бы перемещается па соответствующее расстояние назад. В этом главным образом заключается физическая сущность буксования ведущих колес на деформируемой поверхности и причина снижения их поступательной скорости [181, 148].
Из сказанного выше следует, что сцепление опорной поверхности активного колеса-рыхлителя с почвой происходит за счет сил трения, возникающих между ободом, дисковым ножом и почвой, и силы сдвига дисковым ножом, а также сдвига и среза рыхлителями почвенных кирпичей.
Планирование эксперимента
Целью экспериментального исследования являлось изучение влияния различных факторов на энергетические и силовые показатели культи-ваторного агрегата с активными колесами-рыхлителями и установление функциональных зависимостей их от доминирующих факторов. Планирование многофакторного эксперимента позволило выявить силу влияния каждого из факторов на развитие явления, оценить роль возможных взаимодействий между ними и отыскать оптимальное сочетание действующих факторов.
При проведении опытов использовалась общая методика экспериментальных исследований [128, 122]. Из классической теории ошибок измерений известно, что количество измерений зависит от надежности (вероятности получения) результатов опыта, определяющий доверительный интервал значений измеряемой величины, и допустимой ошибки вычисления повторностей, выраженной в долях среднеквадратического отклонения т, для нахождения функциональных зависимостей в технических измерениях по данным Г.В. Ведепяпина [39] доверительная вероятность достаточна //=0,90 (10%-ый уровень вероятности) и предельная ошибка An = 2сг.
Основной задачей планирования эксперимента явилось статическое описание степени удельных затрат мощности опорно-рыхлящими колесами и формирование ими движущей силы уравнениями регрессии первой степени. Общий ход построения и последующего использования таких моделей сводилось к следующему: - проводилось предварительное изучение объекта исследования; - выбиралась зависимая переменная (критерий оптимизации), выявлялись действующие на него факторы и по результатам строгого эксперимента строились линейные модели факторов; - производилась проверка адекватности моделей (способности достаточно хорошо описывать геометрическую поверхность отклика) и её интерпретация; - математические модели использовались в ходе разработки рекомендаций по оптимизации процесса обработки почвообрабатывающим агрегатом с активным приводом на опорно-рыхлящие колеса от ВОМ трактора, т.е. обосновались скоростные и технологические режимы работы, конструктивные параметры опорно-рыхлящих колес. В качестве критериев оптимизации принимались: У{ =— - удельная мощность, кПт-ч1мг\ У2 -движущая сила, кН. Эти зависимые переменные связывали факторы в математическую модель. Так, переменная )\ совокупно увязывает энергозатраты па единицу обработанной почвы с результатом работы почвообрабатывающего агрегата с активным приводом на опорно-рыхлящие колеса от ВОМ трактора - степенью измельчения почвы (суммарной площадью среза объема почвы). Поэтому любые режимы работы данного агрегата оказываются сравниваемыми, несмотря на различную степень измельчения почвы в том или ином режиме.
После этого на основании предварительного и тщательного анализа литературных данных по теме исследования выбирались действующие факторы, изучалась степень влияния каждого из них на переменные У и У2. Во время эксперимента соблюдались условия коррелированности и совместимости факторов, они рассматривались как управляемые параметры процесса обработки почвы: 1. Для лабораторных исследований: - X,- относительная скорость активного колеса-рыхлителя, м/с; - Х2- количество рыхлителей, шт; - Л ,- догрузка на активное колесо-рыхлитель, кН; - A j- тяговое сопротивление, кН; - Хъ- установочный угол кулачка, град. 2. Для полевых исследований: - Хх- скорость движения, км/ч; - Хг- глубина обработки, см. Варьирование факторами осуществлялось на двух уровнях (см. табл. 3.1). Переход от количественных факторов к кодированным на верхнем уровне (аналогично и на нижнем) производился по формуле X, — л п х. - АХ, (3-D где X,- натуральное значение фактора; Х0- натуральное зігачепие на нулевом уровне; АХ,- натуральное значение интервала варьирования фактора. Таблица 3. Значения и уровни варьирования факторов Урошш варьирования Значения факторов х, х2 Хз X, Х5 Лабораторных испытаний Основной 0,31 30 0,3 0,6 10 Интервал варьирования АХ, 0,11 10 0,2 0,3 5 Верхний (+) 0,42 40 0,5 0,9 15 Нижний (-) 0,2 20 0,1 0.3 Полевых испытаний Основной 8,75 9 - - Интервал варьирования ЛЛ , 0,65 3 - - Верхний (+) 9,4 12 - - Нижний (-) 8,1 6 - - Для анализа результатов эксперимента и других расчетов полученные уравнения математической модели раскодировались по этому соотношению [129]. План-матрицы экспериментов и их реализация приведены в табл. 4.1. С целью сокращения опытов при незначительной потере информации о влиянии ряда взаимодействий и выделения наиболее сильно влияющих факторов нами использована, при проведении лабораторных испытаний, полуреплика типа 25"1 с определяющим контрастом I = х,х2х}х4х5[\29]. Для отыскания оптимального сочетания выделенных факторов, дающих минимальную величину удельной мощности }\ и максимальное значение движущей силы Ij, был проведен лабораторный эксперимент, включавший 16 основных опытов. Кроме этого, для установления характера зависимости критериев оптимизации от доминирующих факторов проведена серия дополнительных опытов. Эксперименты проводились с трехкратной повтор-иостыо. Основная серия опытов по времени проведения разбивалась на четыре блока по четыре комбинации условий в каждом, т.е. получили план с рандомизированными блоками (см. табл. 3.2) [190].
Матрица пригодна, когда соблюдается симметричное расположение факторов относительно центра эксперимента, равенство сумм квадратов элементов для всех столбцов и когда скалярное произведение всех векторов равно нулю. Эти свойства позволяют вычислять коэффициенты регрессии математической модели по простым формулам независимо друг от друга.
Для осуществления программы исследований и проверки теоретических предпосылок, изложенных во 2 разделе, нами были разработаны и изготовлены лабораторная и полевая экспериментальные установки.
Лабораторная установка (см. рис. ЗЛ-3.6) включала почвенный канал, активное колесо-рыхлитель, установленное на тензометрической тележке, тормозной механизм и тензометрическую станцию. Тензометриче-ская тележка (см. рис. 3.1-3.4) представляет собой раму 1, опирающуюся на четыре колеса 2, совершающих движение по рельсам 3. На тележке шарнирно, а также с возможностью поперечного перемещения, закреплена консольная рама 4, на которой соосно, с помощью соединительных муфт 5, соединены электродвигатель 6, коробка передач 7 (от автомобиля ГАЗ-51) и червячный редуктор 8, на выходной вал которого крепится активное колесо-рыхлитель 9.
Реализация многофакторного эксперимента
Показатели работы культиваторного агрегата с активными колесами рыхлителями на различных режимах, определяются выбранными скоростными и технологическими параметрами. Они во многом зависят от конструктивных параметров активного колеса-рыхлителя.
В соответствии с целью и задачами эксперимента лабораторными исследованиями определены условия наиболее эффективного использования активных колес-рыхлителей при окучивании картофеля. При этом процесс окучивания оценивался не одним, а двумя сопоставимыми для различных режимов работы зависимыми переменными: минимальной удельной мощностью и максимальным значением движущей силы. Реализация многофакторного лабораторного эксперимента типа 25"1 приведена в табл. 4.1.
Исследования проводились при твердости почвы 124 Н/см и влаж-ности 13,6% с отклонениями соответственно ±15 Н/см и ±1,3%.
Из результатов, полученных в отдельных опытах, следует, что удельные затраты мощности и движущая сила изменяются в широких пределах - от 1,10 до 3,96 кВт (№10 и №13) и от 0,211 до 1,039 кН (опыты №9 и №11), так как первый и второй параметры оптимизации варьируют достаточно широко. Для удобства анализа и вычислений критериев оптимизации средние из результатов трех измерений приведены в отдельных столбцах матрицы.
После реализации матрицы эксперимента по формулам (3.5) и (3.6) определялись коэффициенты регрессии с учетом знаков соответствующих факторов. Абсолютные значения коэффициентов регрессии математической модели обоих параметров активного колеса-рыхлителя приведены в табл. 4.2.
Из табл. 4.2 видно, что на удельные затраты мощности и движущую силу оказывают влияние как скоростные, так и технологические и конструктивные параметры активных колес-рыхлителей. После сравнения абсолютных значений коэффициентов регрессии приходим к выводу, что определенное влияние на показатели -, и доказывают не только линейные эффекты, по и большинство их взаимодействий. На показатель у, особенно влияют взаимодействия факторов JC,XS, х и J2.Y,, в значительной мере связанные с окружной скоростью активных колес-рыхлителей. Показатель скоростного режима (фактор -,) в большей степени влияет на удельные затраты мощности, а менее заметное влияние оказывает на движущую силу. С повышением его энергозатраты возрастают, а движущая сила уменьшается. При равных условиях на верхнем уровне фактора .v, критерий оптимизации -, достигает максимального значения, а на нижнем уровне его значение заметно отличается по абсолютной величине. Такое варьирование скоростного фактора вызывает относительно меньшее колебание второго критерия.
Из технологических параметров на изменение энергозатрат активных колес-рыхлителей и движущей силы наибольшее влияние оказывают (Л 4) (глубина обработки), угол установки кулачка (-Vs), а также количество рыхлителей (-V2). Например, увеличение тягового сопротивления (глубины обработки почвы) вызывает соответствующее повышение затрат мощности и движущей силы, создаваемой активными колесами-рыхлителями. По сравнению с другими факторами количество рыхлителей Лг2 оказывает большее влияние на изменение энергозатрат обработки почвы. Вместе с тем область оптимального сочетания факторов но выбранным критериям оптимизации в значительной мере определяется уровнями расположения фактора скоростного режима и количества рыхлителей. В результате многофакторного эксперимента и математической обработки данных исследования получена линейная модель факторов, влияющих на удельные затраты мощности. Эмпирическое выражение интересующей нас зависимости согласно табл. 4.2 запишется у1 = 2,601 + 0,710 , - 0,062 -, + 0,238 3 + 0,129 4 - 0,523 5 --0,028. ,+0,064 + 0,048 , , -0,222 5+0,061 + (4.1) + 0,027x2;c4 - 0,009 jX4 - 0,05 з 5 0,038 4 5 С целью отыскания оптимального сочетания факторов в исследовательском процессе после получения математической модели (4.1) производился сё анализ на экстремум. Для более глубокого исследования влияния отдельных факторов и их взаимодействий на выбранные параметры оптимизации результаты опытов были обработаны методом множественного регрессионного анализа [112]. После такого статистического анализа уравнение регрессии (4.1) в окончательном виде запишется у\ = 2,601 + 0,71 , - 0,062 2 + 0,238 з + М 29ХА -0,523 + 0,064 -0,222 5 + 0,061 3 Из уравнения (4.2) следует, что все выбранные факторы оказывают влияние на затраты мощности. Это подтверждает правильность выбора действующих факторов и достоверность результатов исследования, проведенных в этом направлении однофакторным экспериментом. Например, увеличение окружной скорости колес-рыхлителей (X,), также как и догрузки на колесо-рыхлитель (Ху), вызывают заметные изменения энергозатрат. Значительная мощность требуется при установочном угле кулач 109 ка (Хь) p im =15, чем при piim S. Только увеличение количества рыхлителей (Л :) и установке кулачка на ,„=5 вызывают соответствующее уменьшение затрат потребной мощности. Из парных взаимодействий наиболее существенное влияние на удельные затраты мощности оказывают сочетание факторов, связанных с окружной скоростью колес-рыхлителей и догрузки на колесо-рыхлитель. Сочетание факторов с тяговым сопротивлением (Л 4) (глубина обработки) также оказывает значимое воздействие на затраты мощности. Выбранные факторы не в равной степени влияют на изменение потребной мощности. Более других выделяются факторы Xs и Ху, характеризующие кинематику движения рыхлителей в почве. Для количественной оценки эффектов факторов удобна диаграмма, приведенная на рис. 4.1. Она дает наглядное представление о степени влияния каждого из факторов и их взаимодействий, позволяет выделить наиболее значимые эффекты. При взаимодействии активных колес-рыхлителей с почвой, как видно из рис. 4.1, наиболее заметное изменение потребной мощности происходит от действия двух факторов: относительной скорости колеса-рыхлителя и количества рыхлителей, а также от взаимодействия этих факторов. Оказалось, что изменение угла установки кулачка на затраты мощности незначительно, эффекты взаимодействий ее с другими факторами по сравнению с главными эффектами малы.
