CC BY
14
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
УДК 631.331.52+635.25/26
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВИБРАЦИОННО-ПНЕВМАТИЧЕСКОГО ВЫСАЖИВАЮЩЕГО АППАРАТА НА ПОСАДКЕ ЛУКОВИЦ ЛУКА-СЕВКА
П. А. Емельянов, доктор техн. наук, профессор; А. Г. Аксенов, аспирант
ФГБОУ ВПО «Пензенская ГСХА», т. 8 (412) 628-522
Представлены результаты экспериментальных исследований вибрационно-пневматического высаживающего аппарата для ориентированной посадки лука-севка. Описана методика экспериментальных исследований, приведены схема и конструкция лабораторной установки для определения параметров высаживающего аппарата и полученные уравнения регрессии, описывающие зависимость качества ориентирования луковиц от выбранных факторов.
Ключевые слова: эксперимент, исследование, вибрационно-пневматический высаживающий аппарат, лук-севок, посадка.
В общем объеме производства овощей важное место занимает лук, его доля составляет более 10 %. Наиболее распространенным способом производства лука-репки является выращивание его из севка. Этот способ имеет ряд преимуществ перед способом выращивания из семян: в период вегетации такой лук менее подвержен болезням, более устойчив к засухе, луковицы лучше хранятся и др. Однако существующие технические средства не позволяют высаживать луковицы севка с требуемой равномерностью и ориентированными донцем вниз, что влечет за собой снижение урожайности репчатого лука в 1,5...2 раза.
В связи с этим целью наших исследований является экспериментальное определение оптимальных конструктивных и режимных параметров разработанного ви-брационно-пневматического высаживающего аппарата.
Качество работы вибрационно-пневма-тического высаживающего аппарата зависит от многих факторов. В связи с этим лабораторные исследования проводились с применением методики планирования многофакторного эксперимента согласно ОСТ 70.5.1-82 [1].
В качестве параметра оптимизации нами принят показатель качества ориентирования луковиц - количество правильно высаженных луковиц вертикально донцем вниз (с возможным отклонением от вертикали до 45°).
На основании априорной информации и результатов исследований физико-механических свойств лука-севка, результатов поисковых опытов по обоснованию конструкции высаживающего аппарата, а также исходя из задач исследования были выявлены наиболее существенные факторы, влияющие на качество работы вибра-ционно-пневматического высаживающего аппарата [2, 3, 4, 5, 6]:
- форма желоба в поперечном сечении;
- форма присасывающих отверстий в пневматическом аппарате;
- частота вращения пневматического барабана (п, мин-1);
- скорость движения высаживающего аппарата (иМ, м/с);
- высота установки высаживающего аппарата относительно поверхности почвы (дна борозды), (Н, мм).
Форма желоба и форма отверстий в пневматическом аппарате были приняты по результатам поисковых опытов и в ла-
бораторных исследованиях оставались постоянными. Форма желоба принята исходя из наилучшего распределения луковиц по одной по его длине, а форма присасывающего отверстия - прямоугольная по дуге окружности барабана исходя из лучшего присасывания луковиц пневматическим аппаратом.
Для выбора области исследования была проанализирована информация, связанная с реальными границами значений факторов. Для каждого фактора выбраны два уровня - нижний и верхний, в пределах которых фактор будет изменяться в эксперименте. После этого был определен основной - нулевой уровень, вокруг которого симметрично располагаются экспериментальные точки. Затем был установлен интервал варьирования факторов [8, 9, 10].
Для отыскания оптимума (почти стационарной области) нами был использован метод крутого восхождения по поверхности отклика.
Для дальнейшего, более тщательного изучения области оптимума строили план второго порядка. Для реализации нами принят некомпозиционный план второго порядка Бокса-Бенкина [11, 12].
При получении адекватной математической модели второго порядка необходимо определить координаты оптимума и изучить свойства поверхности в окрестностях оптимума. Для этого производили каноническое преобразование полученных математических моделей. Для анализа и систематизации уравнения второго порядка приводили к канонической форме [13, 14].
¥ - = В11+ В22Х2 , (1)
где У - значение критерия оптимизации;
У5 - значение критерия оптимизации в оптимальной точке;
X1, X2 - новые оси координат;
11 22
В , В - коэффициенты регрессии в канонической форме.
При каноническом преобразовании уравнений производили перенос начала координат в новую точку Б и поворот старых осей на некоторый угол а в факторном пространстве, в результате чего исчезают линейные члены и изменяется значение свободного члена.
Для проведения лабораторных экспериментальных исследований в условиях ФГОУ ВПО «Пензенская ГСХА» была изготовлена экспериментальная лабораторная установка. Схема и общий вид некоторых узлов установки представлены на рисунках 1, 2, 3, 4.
Экспериментальная лабораторная установка состоит (рис. 2) из почвенного канала 1 и устанавливаемой на нем тележки 2. Тележка 2 приводится в движение с помощью мотор-редуктора 3, цепной передачи 4 и системы полиспастов 5.
Рис. 1. Экспериментальная лабораторная установка (общий вид)
Привод позволяет изменить скорость перемещения тележки 2 в исследуемом интервале. К тележке 2 крепится вибраци-онно-пневматический высаживающий аппарат 6 посредством рамы 7. Рама 7 имеет возможность перемещения по вертикали, что позволяет регулировать высоту установки высаживающего аппарата относительно поверхности почвы. На раме 7 также установлен электродвигатель 8, который позволяет изменять частоту вращения пневматического барабана в заданном интервале. Вибрационно-пневматический высаживающий аппарат (рис. 3, 4) для ориентированной посадки лука-севка состоит из вибрационного желоба 2 и пневматического барабана 3. Вибрационный желоб 2 шарнирно закреплен на днище бункера 1 под углом к горизонту на 5...10° больше, чем угол трения скольжения луковиц по листовому металлу, причем верхний конец вибрационного желоба расположен под выгрузным окном бункера 1, а нижний над -канавкой пневматического барабана 3.
Вибрационный желоб 2 предназначен для поштучной подачи луковиц, ориентированных вешкой вниз, от бункера к пнев-
Нива Поволжья № 3 (20) август 2011 57
Рис. 2. Схема экспериментальной лабораторной установки: 1 - почвенный канал, 2 - тележка, 3 - мотор-редуктор, 4 цепная передача, 5 - полиспаст, 6 - высаживающий аппарат, 7 - рама, 8 - электродвигатель
матическому барабану 3. Он представляет собой открытый желоб с наклоненными стенками и с криволинейной поверхностью дна. Вибрационный желоб 2 совершает колебания под действием эксцентрикового механизма 4.
Пневматический барабан 3 предназначен для транспортирования луковиц от вибрационного желоба 2 к месту посадки и укладки их в борозду донцем вниз, а также заделки луковиц в борозде в сориентированном донцем вниз положении. Он состоит из корпуса 5 и крышки 6, образующих пустотелый барабан, в котором создается разряжение, для чего к нему подведена трубка 7 с отверстиями, на которой крепится экран 8, предназначенный для разделения зон разряжения и атмосферного давления. Снаружи обода пневматического барабана 3 выполнена канавка 10 шириной, несколько большей диаметра луковицы, имеющая в поперечном сечении форму боковой поверхности луковиц севка (полуокружность). По всей окружности дна канавки 10 выполнены сквозные щели 11 прямоугольной формы, через которые разряжение, создаваемое внутри пневматического барабана, поступает в канавку 10. Такое расположение щелей 11 позволяет фиксировать сходящие с вибрационного желоба луковицы по всей окружности канавки 10. На краях обода имеются реборды 9, внутренняя боковая поверхность которых в поперечном сечении наклонена под углом, большем нуля и меньше девяносто градусов к вертикали. Реборды 9 предназначены для заделки луковиц в борозде в сориентированном донцем вниз положении.
Вибрационно-пневматический высаживающий аппарат работает следующим образом. Луковицы, попадая из бункера 1 на вибрационный желоб 2 в произвольном положении, за счет конструкции вибрационного желоба 2, сил инерции и тяжести, а также физико-механических свойств лука-севка выстраиваются по одной луковице и транспортируются к сходу вибрационного желоба 2 в устойчивом положении с опорой на вешку (точка 1) и тело (точка 2). Сходя с желоба, луковицы попадают на пневматический барабан 3 в зону разряжения поверхности канавки 10. Так как плотность вешки намного меньше плотности тела луковицы, то вешка сразу притягивается через щели 11 к поверхности канавки 10 и транспортируется к месту посадки, где экран 8 высаживающего барабана отсекает вакуум и луковица донцем вниз укладывается в борозду. Пневматический барабан катится по поверхности поля, опираясь на реборды 9, которые заделывают борозду одновременно с укладкой луковиц в борозду, что не позволяет луковицам потерять полученную ориентацию.
Методика проведения эксперимента заключается в следующем. В бункер засыпается посадочный материал, подбираем заданную высоту установки высаживающего аппарата Н, поступательную рабочую скорость им и частоту вращения пневматического барабана п. Затем с пульта управления 9 приводим в движение тележку 2. После прохода высаживающего аппарата замеряем линейкой расстояние между высаженными луковицами и угломером -угол наклона вешки относительно почвы.
*— Движение не ориентированных лукодиц >~ Движение ориентированных луковиц — Движение воздушного потока
Рис. 3. Схема посадки луковиц вибрационно-пневматическим высаживающим аппаратом
Фактическую (рабочую) скорость движения высаживающего аппарата определяли по формуле
5
и=
I
(2)
где им - скорость движения высаживающего аппарата, м/с;
5 - путь, пройденный высаживающим аппаратом (замеряли рулеткой), м;
t - время прохождения пути высаживающим аппаратом (определяли при помощи секундомера), с.
Качество работы экспериментального вибрационно-пневматического высаживающего аппарата оценивали по показателю качества ориентирования луковиц К, который можно определить по формуле
Обработка результатов эксперимента проводилась на ПЭВМ с использованием прикладных программ «Ехе1», «Ма№са&>.
В результате крутого восхождения по поверхности отклика была достигнута область оптимума и определены ориентировочные границы почти стационарной зоны: Х1 = 10.20 мм; Х2 = 25.31 мин -1; Х3 = 0,8.1,2 м/с.
К = х 100
(3)
где ^0±45 - количество луковиц высаженных под углом 90±45°, шт.;
ЫЛ - общее количество высаженных луковиц, шт.
Рис. 4. Схема конструкции высаживающего пневматического барабана
Нива Поволжья № 3 (20) август 2011 59
Задачей следующего этапа является детальное изучение этой части поверхности отклика с целью получения адекватной модели.
В результате проведенных лабораторных исследований были получены значения функций отклика качества ориентирования луковиц при варьировании независимых факторов в соответствии с некомпозиционным планом второго порядка Бокса-Бенкина.
После обработки результатов многофакторного эксперимента на персональной ЭВМ получено уравнение регрессии второго порядка, описывающее зависимость качества ориентирования луковиц от выбранных факторов АК = / (Н ,п, им) в закодированном виде:
у = 52,3-1,592x1- 0,275х2+0,308х3--1,821х 2 -7,3х 2 -4,671х 32 -2,242х1х2+ +0,492х2х3-0,042х1х3. (4)
С целью проверки гипотезы об адекватности модели второго порядка проводим статистический анализ уравнения регрессии [13, 14, 15].
Адекватность модели второго порядка проверяем с помощью критерия Фишера Р.
Табличное значение критерия Фишера РТ при 5 %-ном уровне значимости для полученного уравнения при степенях свободы числителя у1 = N - (к + 1) = 11 и знаменателя у2 = N (т - 1) = 30 равно 2,1. Расчетное значение критерия Фишера ^ = 0,21. Так как ^ Т = 2,1 > ^ = 0,21, то полученная математическая модель адекватна.
Значимость коэффициентов регрессии рассчитывается по ¿-критерию, путем нахождения доверительного интервала для каждого коэффициента регрессии по формуле
АЬ=± Ж ■ (5)
Расчет показал, что все коэффициенты уравнения можно считать значимыми с 95 %-ной вероятностью.
Для использования уравнения (4) в качестве расчетной формулы и интерпретации результатов опытов необходимо его раскодировать.
Раскодированное уравнение регрессии (4) примет вид:
у =-185,374+6,094-Н+4,681п+258,68- им --0,073-Н2 -0,031-п2 -116,775 ■ им 2 -
Расчет показал, что все коэффициенты уравнения, кроме Ь2, можно считать значимыми с 95 %-ной вероятностью.
Для определения значения факторов, обеспечивающих оптимальное значение показателя качества ориентирования луковиц, решали систему уравнений
= -1,592 - 3,642х1 - 2,242х2 - 0,042х3 = 0,
dxl
= -0,275 -14,6х2 -2,242х1 -0,492х3 = 0, (7)
dy dx2
= 0,308-9,342х3 -0,492х2 -0,042х = 0.
1 ' '3'2'1
dx,
Оптимальные значения параметров ви-брационно-пневматического высаживающего аппарата, при которых показатель качества ориентирования луковиц составляет 52 %, занесены в таблицу 1.
Таблица 1
Результаты определения оптимальных значений факторов
Оптимальное
е и значение фактора
Фактор н е т а н со о б о Код В закодированном виде В раскодированном виде
Высота установки, мм Н X1 -0,471 12,36
Частота вращения барабана, мин-1 п X2 0,055 28,17
Скорость движения, м/с им X3 0,038 1,01
-0,149Нп-0,82п им -0,042Н им
(6)
После получения значений факторов необходимо изучить поверхности отклика в зоне оптимальных значений факторов с помощью способа двумерных сечений. Для этого приравняли к нулю фактор х1 и подставили его в уравнение (4):
у =52,3 - 0,275х2+ 0,308х 3 -7,3х 2 -
-4,671х 2 +0,492х 2 х 3. (8)
После расчета коэффициентов уравнения регрессии в канонической форме оказалось, что в11 =-4,649, В22 = -7,322, а а = -5,8
Тогда уравнение регрессии [14] в канонической форме запишется как
(9)
Изучение поверхности отклика проводили с помощью двумерных сечений. Для этого строили линии равного выхода путем подстановки в уравнение (9) различных значений, получая уравнения соответству-
Г - 52,29 = -4,649х22 - 7,322х32
ющих контурных кривых. Результаты расчета представлены на рис. 5.
Видно, что максимальное значение показателя качества ориентирования луковиц в рассматриваемом сечении поверхности отклика равно 52 % и имеет место при скорости движения высаживающего аппарата 0,9 м/с и частоте вращения барабана 28 мин-1.
Аналогично приравнивая к нулю фактор х 2 и подставляя его в уравнение (10), получим
у = 52,3-1,592х1 + 0,308х 3 -1,821х 2 -
-4,671х3- 0,042х1х3.
(10)
Рис. 5. Двумерное сечение поверхности отклика, характеризующее зависимость равномерности посадки луковиц от скорости движения высаживающего аппарата (м/с)
и частоты вращения барабана (мин-1)
Рис. 6. Двумерное сечение поверхности отклика, характеризующее зависимость равномерности посадки луковиц от частоты вращения пневматического барабана (мин-1) и высоты его установки над уровнем почвы (мм)
Нива Поволжья № 3 (20) август 2011 61
Рис. 7. Двумерное сечение поверхности отклика, характеризующее зависимость равномерности посадки луковиц от скорости движения высаживающего аппарата (м/с) и высоты его установки над уровнем почвы (мм)
После расчета коэффициентов уравнения регрессии в канонической форме оказалось, что в11 =-1,821, В22 = -4,672 , а
а = -0,43 °.
Тогда уравнение регрессии (10) в канонической форме запишется как
У - 52,65 =-1,821x2 - 4,672х32.
(11)
На основании полученных данных построено двумерное сечение контурных кривых, равных показателю качества ориентирования (рис. 6).
Анализируя рисунок 6, видим, что максимальное значение показателя качества ориентирования луковиц в сечении области оптимума относительно скорости движения и высоты установки высаживающего аппарата равно 52 %.
Аналогично приравнивая к нулю фактор х3 и подставляя его в уравнение (10), получим
у = 52,3-1,592x1 - 0,275X2 -
(12)
-1,821х2 -7,3х2 -2,242х 1X2.
После расчета коэффициентов уравнения регрессии в канонической форме оказалось, что в11 = -1,601, В22 = -7,521 и
а = -11,1 °.
Тогда уравнение регрессии (12) в канонической форме запишется как
У - 52,63 = -1,601x2 - 7,521х22.
(13)
После подстановки в уравнение (13) различных значений критерия оптимизации получили уравнения второй степени в стандартной форме, с помощью которых построена система контурных кривых, равных показателю качества ориентирования, являющихся эллипсами (рис. 7).
Рассмотрение данного двумерного сечения показывает, что совместное взаимодействие факторов х 1 и х 2 в области эксперимента имеет экстремум по показателю качества ориентирования в точке ЛК = 52,63 % при значении фактора частоты вращения барабана 28,16 мин-1 и фактора высоты его установки относительно дна борозды 12,35 мм.
Таким образом, оптимальные значения исследуемых факторов находятся в интервалах: высота установки высаживающего аппарата Н = 10.15 мм, частота вращения барабана 27.29 мин-1, скорость движения высаживающего аппарата им =0,95.1,05 м/с, при этом параметр оптимизации количества ориентированных луковиц составляет ЛК = 51.52 %.
Литература
1. ОСТ 70.5.1. - 82 Испытания сельскохозяйственной техники. Машины посевные. Программа и методика испытаний. - Взамен ОСТ 70.5.1. - 74; введ. с 18.02.82. - М.: Изд-во стандартов, 1982. - 179 с.
2. Аксенов, А. Г. Автоматическое ориентирование луковиц севка при посадке / А. Г. Аксенов // Проблемы автоматизации и управления в технических системах: труды Международной научно-технической конференции. - Пенза: Изд-во ПГУ, 2009. -С. 13-16.
3. Аксенов, А. Г. Вибрационный питатель / А. Г. Аксенов // Вклад молодых ученых в инновационное развитие АПК России: сборник материалов всероссийской научно-практической конференции молодых ученых. - Пенза: РИО ПГСХА, 2009. - С. 49.
4. Емельянов, П. А. Исследование физико-механических свойств лука-севка сорта Бессоновский местный / П. А. Емельянов, А. Г. Аксенов // Нива Поволжья. -2009. - № 1. - С. 55-61.
5. Емельянов, П. А. Классификация средств механизации посадки лука-севка / П. А. Емельянов, А. Г. Аксенов // Тракторы и сельхозмашины. - 2009. - № 2. - С. 29-30.
6. Емельянов, П. А. Прибор для определения усилия на разрыв листьев луковиц / П. А. Емельянов, А. Г. Аксенов // Сельский механизатор. - 2009. - № 5. - С. 14.
7. Емельянов, П. А. Прибор для определения усилия на разрыв листьев луковиц / П. А. Емельянов, В. П. Никульшин, А. Г. Аксенов // Образование, наука, практика, инновационный аспект: материалы МНПК, посвящённой памяти профессора А. Ф. Бли-нохватова. - Пенза, 2008. - С. 194.
8. Емельянов, П. А. Введение в теорию ориентирования тел техническими сред-
ствами в сельскохозяйственных технологических процессах / П. А. Емельянов, Н. М. Ибрагимов. - Пенза: РИО ПГСХА, 2007. - 128 с., ил.: 46.
9. Емельянов, П. А. Высевающий аппарат для ориентированного посева лука-севка / П. А Емельянов, А. Г. Аксенов // Аграрная наука - сельскому хозяйству: сборник трудов. - Самара: РИЦ СГСХА, 2010. -С. 152-156.
10. Мельников, С. В. Планирование эксперимента в исследованиях сельскохозяйственных процессов / С. В. Мельников, В. Р. Алешкин, П. М. Рощин. - Л.: Колос, Ленингр. отд-ние, 1980. - 168 с.
11. Мустафин, А. А. Некоторые особенности методики проведения экспериментальных исследований вакуумного насоса / А. А. Мустафин // Вестник Казанского государственного аграрного университета. -2010. - № 2. - С. 114-115.
12. Коновалов, В. В. Практикум по обработке результатов научных исследований с помощью ПЭВМ: учебное пособие. -Пенза: ПГСХА, 2003. - 176 с.
13. Евдокимов, Ю. А. Планирование и анализ экспериментов при решении задач трения и износа / Ю. А. Евдокимов, В. И. Колесников, А. И. Тетерин. - М.: Наука, 1980. - 228 с.
14. Спиридонов, А. А. Планирование эксперимента при исследованиях технологических процессов. М.: Машиностроение, 1981. - 184 с.
УДК 631.363.7
ОБОСНОВАНИЕ ОПТИМАЛЬНЫХ КОНСТРУКТИВНО-РЕЖИМНЫХ ПАРАМЕТРОВ СМЕСИТЕЛЯ НЕПРЕРЫВНОГО ДЕЙСТВИЯ
В. В. Коновалов, доктор техн. наук., профессор; А. С. Калиганов, аспирант; В. П. Терюшков, канд. техн. наук, доцент; А. В. Чупшев, канд. техн. наук
ФГБОУ ВПО «Пензенская ГСХА», т. 8(412) 628-272, e-mail: pgsha-penza. net
Даются описание и схема смесителя концентрированных кормов непрерывного принципа действия, результаты исследований по влиянию частоты вращения мешалки смесителя и количества ярусов лопастей мешалки на неравномерность приготавливаемой смеси и энергоемкость процесса перемешивания. Приводятся графики сходимости опытных и расчетных данных.
Ключевые слова: смеситель, мешалка, неравномерность смешивания, энергоемкость процесса.
Для обеспечения животных необходимыми питательными веществами компоненты кормосмесей подлежат дозированию с последующим смешиванием. Под сме-
шиванием понимают процесс равномерного распределения частиц компонентов конкретного корма в общем объеме, в результате чего получается однородная кормовая
Нива Поволжья № 3 (20) август 2011 63
