CC BY
22
УДК 63G.317
ДИСПЕРСИОННЫМ АНАЛИЗ ФАКТОРОВ ВЛИЯЮЩИХ НА ЭНЕРГОЕМКОСТЬ ПРОЦЕССА РЕЗАНИЯ ЛЕСНЫХ ПОЧВ РОТОРНЫМИ РАБОЧИМИ ОРГАНАМИ
А.И. Карнаухов, С.Н. Орловский
ГОУ ВПО «Сибирский государственный технологический университет»
660049 Красноярск, пр. Мира, 82; e-mail: [email protected]
В статье рассмотрены факторы, влияющие на процесс резания лесных почв роторными рабочими органами типа торцовых фрез. Проведен дисперсионный анализ, показывающий значимость влияния параметров данных факторов.
Ключевые слова дисперсионный анализ, резание лесных почв, торцовая фреза, энергоемкость
In this article factors which have some impact on the process of cutting forest soils by rotary working parts with edge cutters are considered. Dispersive analysis which indicates the importance of these factors impact has been done.
Key words: dispersive analysis, forest soil cutting, edge cutter and capacity
ВВЕДЕНИЕ
Разработка высокомобильных лесопожарных орудий и агрегатов для тушения лесных пожаров связана с разработкой малоэнергоёмких ротационных рабочих органов для прокладки минерализованных опорных полос в лесных почвах. Перспективным является применение для этой цели агрегатов с активными рабочими органами типа торцовых фрез, имеющих ось вращения, параллельную продольной оси трактора.
ЦЕЛЬ ИССЛЕДОВАНИЙ
Целью исследований, представленных в данной работе, является теоретический анализ значимости подлежащих исследованию параметров и режимов работы торцовых фрез с целью их последующей оптимизации при изучении процесса резания лесных почв с подстилкой и живым напочвенным покровом. Статистическое изучение процессов, происходящих при резании лесных почв роторными рабочими органами типа торцовых фрез, можно представить как компактную форму обобщенной информации о структуре связей между наблюдаемыми признаками изучаемого объекта, на основе выделения некоторых непосредственно не наблюдаемых факторов. Этот подход основан на представлении о комплексном характере изучаемого явления, выражающемся, в частности, во взаимосвязях и взаимообусловленности отдельных признаков. Акцент в факторном анализе делается на исследовании формирования качественно однородных статистических совокупностей, внутренних причин, формирующих специфику изучаемого явления, а также на выявлении обобщенных факторов, которые стоят за соответствующими конкретными показателями. При переходе от оценок количественной однородности к изменению количественной неоднородности включаются в рассмотрение такие показатели неоднородности в системе, как дисперсия. Сущность дисперсионного анализа заключается в расчленении общей совокупности варьирующихся данных и сравнении частных (групповых) дисперсий,
его цель - определение критериев значимости факторов, влияющих на энергоёмкость технологического процесса. Последние применяются для решения вопроса о том, будут ли некоторые статистики, то есть средние значения и их среднеквадратичные отклонения, определённые для двух или более частотных совокупностей, отличаться друг от друга более, чем можно было бы ожидать в связи со случайными вариациями внутри частных совокупностей. Для сравнения дисперсий применяется критерий Фишера Б.
Теоретическая часть. Можно выделить следующие факторы, влияющие на энергоёмкость процесса резания лесных почв рабочими органами типа торцовых фрезы:
1. Геометрические параметры рабочего органа:
- угол резания в, град;
- угол наклона режущей кромки ножа относительно радиуса диска торцовой фрезы а, град;
- радиус фрезы по концам ножей Яф, м;
- число ножей на диске фрезы г, шТ.
2. Физико-механические параметры разрабатываемой среды:
- плотность разрабатываемого материала у,
кг/м3;
- предельное напряжение сдвига разрабатываемого материала в, Па;
- степень пнистости разрабатываемой среды в процентах £
3. Параметры зависящие от выбора технологии процесса резания лесных почв:
- скорость движения ¥д&, м-с1;
- скорость резания Урез, м-с1;
- вес базовой машины Отр, Н.
Преобладающими на покрытых лесом территориях России являются зоны подзолистого типа почвообразования. Содержание физической глины в почвенных горизонтах А1 - А2, при глубине залегания 0 - 20 см составляет от 20,8 до 38,6 % (Зайцев, 1965). Такое относительное содержание в почве фракций физической глины классифицируется Н. А. Качинским по гранулометрическому составу как почвы лёгкого и среднего суглинка (Мамонтов, Панов, 2006). П. У. Бахтин в своих работах указывает интервал сопротив-
ления сдвигу таких типов почв от 0,3 до 0,8 кг/см2 (30
- 80 кПа) (Клецкин, 1967). Плотность же почв составляет от 1,3 до 1,9 г/см3 (1300 - 1900 кг/м3) (Кауричев, 1975). Основываясь на вышесказанном, принимаем интервал фактора в (усилие сопротивления сдвигу) от 23 до 83 кПа, а фактора у от 13 до 19 кН/м3. Радиус фрезы по концам ножей Яф принимаем равным от 200 до 450 мм по аналогии с подобными орудиями (Матвеев, 1993). Минимальное значение угла резания в, град, принимаем равным углу его заострения - 20° (Коршун, 2003), за максимальное значение в принимаем 75° как логически допустимое. Минимальное значение угла наклона режущей кромки ножа относительно радиуса фрезерного диска а принимаем 0° при установке ножа по радиусу фрезы, максимальное значение угла а принимаем 60° как конструктивно допустимое. Минимальное значение скорости резания Урез, 8 м-с1 принимаем по технической характеристике фрезы лесной навесной ФЛН - 0,8 (Клецкин, 1967), максимальное значение Урез.35 мс " 1 - по аналогии с агрегатом лесопожарным АЛП - 0,2 на базе трактора Т.02.03 конструкции ВНИИПОМЛесхоза (Марты-щенков, Протасов, Романович 1988). Из анализа конструкций фрезерных рабочих органов минимальное
значение числа ножей фрезы z принимаем равным 3, максимальное значение - 10.
Расчетная часть. Поскольку нами проводится учёт влияния сразу нескольких факторов на рассматриваемый результативный признак, мы используем двухфакторный дисперсионный анализ (Чурляева, Яхимович 1994). Здесь же надо отметить, что факторы, учитывающиеся попарно, являются независимыми.
Обозначим фактор в как А и выделим для него р уровней, а в - В (q уровней), имеем pq возможных уравнений состояний или ячеек. Для каждой из pq ячеек проводится n наблюдений, то есть общее число наблюдений составит N = n • p • q. Расчет выполнялся в программе «Excel» с применением ранее разработанной авторами методики аналитического определения энергоемкости процесса резания лесной почвы роторными рабочими органами типа торцовых фрез (Орловский, Карнаухов, 2007). Последовательно результаты расчётов сведены в таблицу 1.
Определение существенности влияния факторов представлено в таблице 2.
Таблица 1 - Последовательность дисперсионного расчета влияния заднего угла и усилия сопротивления сдвигу разрабатываемого материала на энергоёмкость процесса. Фактор А - в, фактор В - в____________________________
i=1,...,p
1
2
З
4
J=1,...,q
q=3
p=3
Энергоёмкость (Е) МДж/м3"
Фактор А (в) град.
M XiJk
p n pn
MMXjk (MXjk)2
Уровни фактора В (0) кПа
А < 3Q 3Q - 45 А >45 > < 3 О 3Q - 45 А > 45 i=1 k=1 ik
В^ 1,Q9 Q,77 Q,56 Q,51 Q,45 Q,42 Q,41 Q,4Q Q,39 2,42 1,4Q 1,21 5,Q3 25,32
4Q-8Q 1,Q9 Q,78 Q,56 Q,52 Q,46 Q,43 Q,41 Q,41 Q,4Q 2,44 1,41 1,23 5,Q9 25,98
B>8Q
1,12 Q,8Q Q,59 Q,54 Q,48 Q,45 Q,44 Q,43 Q,43 2,52 1,49 1,3Q
5,31
28,2Q
k=1
Продолжение таблицы І
5 6 7 8 9
\p=3 q=3 N. ( MXju )2 p n 2 M (My)2 XJk Mx V k=1 p n 2 M Mx^ijk i=I k=I
k=1 i=1 k=1 А < 3Q 3Q - 45 A > 45 > A 3 О 3Q - 45 A > 45
В<4Q 5,87 1,95 1,46 9,29 1,18 Q,59 Q,31 Q,26 Q,21 Q,18 Q,17 Q,16 Q,16 2,Q9 Q,65 Q,49 3,24
4Q - 8Q 5,97 2,Q1 1,52 9,51 1,19 Q,6Q Q,32 Q,27 Q,22 Q,18 Q,17 Q,17 Q,16 2,13 Q,67 Q,51 3,31
В^ 6,32 2,21 1,7Q 1Q,25 1,25 Q,64 Q,35 Q,29 Q,23 Q,21 Q,2Q Q,19 Q,18 2,25 Q,74 Q,57 3,56
Продолжение таблицы І
\ 1Q 11 12 13 14 15 16
\q=3 p=3 N. qn M MXjk i=I k=I pqn M Xjk ijk q f pn Л2 M M Xjk j У ik у fpqn Л 2 M Xjk У ij у pq M j ' n Л M X,„ v k у pqn M Xjk ijk qn 2 qn M X» Уjk у
А < 3Q 7,38 54,51
3Q-45 4,31 15,44 79,51 238,41 29,Q6 1Q,12 18,54
A > 45 3,75 14,Q76
Окончание таблицы І
17 18 19 2Q 21
p f яп M M Xjk i У Jk Л2 1 p - M у щ i ( \2 qn M X,,k Уjk у 1 q f pn Л2 - M M Xjk np j У ik J у pq f n N M M Xjk ij У k у f pqn M Xjk У iJk 12 / /N J
87,13 9,68 8,83 9,69 8,83
Таблица 2 - Определение существенности влияния факторов. Фактор А - в, фактор В - в
Влияние Сумма квадратов Степени свободы Средние г Отношение квадраты Вывод по критерию
1 2 3 4 5 6
1_
щт
(
®і -—2 X хук
V ік у
Л
2
Фактор А
\_
N
(
у
2 х *
V '1к у
Р - 1
2 ®1 82і= --------1-
Р - 1
§2
51
Ртабл < Ррасч
Влияние
существенно
0,85 2 0,42 17,72 3,16 < 17,7
Фактор В 1 2 ®2 2 пр и - 1 N : [2 х V ік ' Л 2 хик Уіік У I2 ік у -2 я - 1 2 522= ° ч -1 52 §42 Ртабл > Ррасч Влияние несущественно
0,005 2 0,002 0,098 3,16 > 0,098
Фактор А*В 03 - п 2(2 Хк п и V к ) - (Р-1) х х(я-1) 523= ФЪ 5э2 5 Ртабл > Ррасч Влияние
- -12 (2 х„) рч і V ік У (р - 1)(ч -1) несущественно
Окончание таблицы 2
1 2 3 4 5 6
Фактор А*В - - 2 пр і 1 N 2 х ік V ік ( л 2 хк V ак У л2 У 2
1,77636х10-15 4 4,44089х10"16 1,85045х10-14 2,93 > 1,85x10 -14
Внутри ячеек ®4 - 2 Хі -ІІк -12 (? х,к Ї N - ря 824= N - рч
0,431981276
Сумма
® - 2 Хік -
Цк (
у
2 Хк
V іік у
1,287270508
Сумма
о - о + со2 +щ +а4 1,287270508
18
0,02399896
N - 1
26
РЕЗУЛЬТАТЫ
Из приведённых в таблице 2 данных, следует вывод о существенности влияния в и о несущественности влияния в на энергоёмкость исследуемого процесса. Повторяя анализ для других перечисленных выше факторов, можно сделать вывод, что су-
щественно на энергоёмкость резания лесных почв торцовыми фрезами влияют следующие факторы:
- угол резания в;
- угол наклона режущей кромки ножа относительно радиуса фрезерного диска торцовой фрезы а;
- радиус фрезы по концам ножей Яф;
- число ножей на диске фрезы г;
- скорость движения агрегата Удв;
- скорость резания ¥рез.
Влияние плотности у и предельного напряжения сдвига в разрабатываемого грунта и лесной подстилки, а также степени их пнистости и веса базовой машины на энергоёмкость резания лесных почв несущественно.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Выполненный дисперсионный анализ позволил произвести выбор подлежащих исследованию параметров и режимов работы ротационных рабочих органов типа торцовых фрез с целью их оптимизации по критерию минимума энергоёмкости процесса резания лесных почв.
БИБЛИОГРАФИЧСКИЙ СПИСОК
Зайцев, Б. Д. Почвоведение [Текст] / Б. Д. Зайцев. - М. : Лесная промышленность, 1965. - 367 с.
Кауричев И. С. Почвоведение [Текст] / И. С. Кауричев, Л.
Н. Александрова [и др.]. - М.: Колос, 1975. - 496 с. Коршун, В. Н. Роторные рабочие органы лесохозяйственных машин: Концепция конструирования. [Текст] / В. Н. Коршун - Красноярск: СибГТУ, 2003. - 228 с.
Мамонтов, В. Г. Общее почвоведение [Текст] / В. Г. Мамонтов, Н. П. Панов [и др.]. - М.: Колос, 2006. -456 с.
Мартыщенков, В. В. Экспериментальные исследования работы лесопожарного агрегата АЛК - 25 [Текст] / В. В. Мартыщенков, А. В. Протасов, К. В. Романович // Сб. науч. тр. Лесные пожары и борьба с ними. М.: ВНИИЛМ, - 1988. - С. 65-71.2.
Матвеев, А. М. Способы и средства тушения лесных пожаров [Текст]: учебное пособие / А. М. Матвеев. Дивногорск.: Огни Енисея, 1993. - 143 с.
Орловский, С. Н. Теоретическое и экспериментальное исследование резания лесных почв фрезерными рабочими органами [Текст] / С. Н. Орловский, А. И. Карнаухов // Вестник КрасГАУ. - № 16 Красноярск. КрасГАУ, 2007 - с. 215 - 222.
Справочник конструктора сельскохозяйственных машин. Том 1. [Текст]; отв. ред. инж. М. И. Клецкин. - М.: Машиностроение, 1967. - 723 с.
Справочник конструктора сельскохозяйственных машин. Том 2. [Текст]; отв. ред. инж. М. И. Клецкин. - М.: Машиностроение, 1967. - 830 с.
Чурляева, Н.П. Дисперсионный и энтропийный анализ в машиностроении [Текст] / Н. П. Чурляева, С. И. Яхимович. - Красноярск: Сибирская аэрокосмическая академия, - 1994. - 39 с.
Поступила в редакцию 15 ноября 2009 г. Принята к печати 13 октября 2010 г.
