Оптимизация углов установки дисковых рабочих органов универсального почвообрабатывающего орудия
Определение оптимальных углов установки дисковых рабочих органов на основе математической модели функционирования универсального почвообрабатывающего орудия. Аналитическая аппроксимации результатов имитационного моделирования и анализ карт оптимизации.
| Рубрика | Сельское, лесное хозяйство и землепользование |
| Вид | статья |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 14.05.2017 |
| Размер файла | 3,6 M |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
|
УДК 630*.232.216 |
UDC 630*.232.216 |
|
|
ОПТИМИЗАЦИЯ УГЛОВ УСТАНОВКИ ДИСКОВЫХ РАБОЧИХ ОРГАНОВ УНИВЕРСАЛЬНОГО ПОЧВООБРАБАТЫВАЮЩЕГО ОРУДИЯ |
OPTIMIZATION OF DISK TOOLS ORIENTATION ANGLES OF THE UNIVERSAL SOIL-PROCESSING INSTRUMENT |
|
|
Попов Игорь Владимирович аспирант |
Popov Igor Vladimirovich postgraduate student |
|
|
ФГБОУ ВПО "Воронежская государственная лесотехническая академия", Воронеж, Россия |
Voronezh State Academy of Forestry Engeneering, Voronezh, Russia |
|
|
На основе математической модели функционирования универсального почвообрабатывающего орудия найдены оптимальные углы установки дисковых рабочих органов. Решение задачи оптимизации базируется на аналитической аппроксимации результатов имитационного моделирования и анализе карт оптимизации |
The optimal angles of spatial orientation of disk tools are found basing on the mathematical model of the universal soil-processing instrument. The optimization problem has solved basing on analytical approximation of imitational modeling results and optimization map analysis |
|
|
Ключевые слова: оптимизация, моделирование, дисковый рабочий орган, почвообрабатывающее орудие, посадка сеянцев |
Keywords: optimization, modeling, disk tool, soil-processing instrument, planting seedlings |
Исторически наблюдается постепенный переход машин от непрерывных к прерывистым (точечным) методам обработки почвы. Происходит это в основном из-за проблем, вызванных препятствиями на местности. Для их решения нами предложена конструкция универсального почвообрабатывающего орудия (УПО), предназначенного для образования микроповышений заданных размеров в условиях временно переувлажняемых почв и площадок с удаленным верхним слоем на дренированных почвах с одновременным образованием лунок под посадку лесных культур (рис. 1, а). Рабочий орган орудия выполнен в виде трёх сферических дисков, закрепленных на вертикальном валу при помощи обоймы и поводков, обеспечивающих поворот их в положение работы «всвал» (образование микроповышений) или «вразвал» (образование углубления - площадки на дренированных почвах), причем сферические диски размещены по окружности на своих осях с возможностью индивидуального свободного вращения, сохраняя свойства почвообрабатывающего орудия, а углы между смежными сферическими дисками равны 120°. В поводках выполнены продольные пазы, позволяющие перемещать диски в радиальном направлении и фиксировать их в установленном положении. Обойма выполнена с возможностью перемещения и фиксирования в определенном положении на валу.
В процессе работы орудия трактор подъезжает к предполагаемому посадочному месту, останавливается, орудие опускается на землю, после чего включается независимый привод вала отбора мощности (ВОМ) трактора. Сферические диски заглубляются в почву, вращаются вокруг вертикальной оси орудия и собственной оси вращения. В зависимости от угла установки дисков может образовываться как микроповышение, так и микропонижение в виде горизонтальной площадки. При достижении требуемой глубины лунки привод ВОМ отключается, машина выглубляется, затем трактор переезжает к следующему месту работы.
Углы установки дисковых рабочих органов (б и в на рис. 1, а), среди всех конструктивных параметров УПО, оказывают наиболее непрогнозируемое заранее влияние на его эффективность. Поэтому целью данной работы был поиск оптимальных углов установки дисков, при которых орудие наиболее эффективно в плане обеспечения качества формирования микроповышения и энергозатрат.
Оптимизация производится на основе разработанной ранее математической модели функционирования агрегата. В рамках модели имитируется обработка почвы, как фрагментируемой среды, тремя рабочими поверхностями в форме сферических дисков (рис. 1, б). Моделирование почвы производится в рамках SPH-подхода: почва представляется совокупностью 7000 шарообразных элементов диаметром 5 см, способных взаимодействовать вязко-упругими силами как между собой, так и с рабочими поверхностями орудия [1]. Рабочие поверхности УПО представляются в модели совокупностью элементарных треугольников.
1 - рама орудия; 2 - редуктор; 3 - выходной вал редуктора; 4 - сферические диски; 5 - поводки; 6 - обойма; 7 - бур; 8 - ось диска; 9 - резцы
Рисунок 1. Универсальное почвообрабатывающее орудие: а - принципиальная схема; б - представление в модели
Среди большого количества конструктивных параметров УПО углы б и в установки дисков наиболее непредсказуемым и существенным образом влияют на эффективность орудия. Для определения оптимальных углов б и в необходимо решить задачу оптимизации данных параметров.
В качестве критериев оптимизации обычно выбирают показатели производительности, качества и экономической целесообразности [2]. В данном случае в качестве критериев выбраны показатели, определяющие качество формируемого конуса микроповышения и затраты мощности:
- высота формируемого конуса от среднего уровня поверхности;
- неравномерность высоты формируемого конуса вдоль окружности;
- потребляемая УПО мощность.
В процессе оптимизации необходимо найти такие значения параметров б и в при которых высота формируемого конуса будет как можно больше, неравномерность высоты конуса вдоль окружности будет как можно меньше, потребляемая орудием мощность будет как можно меньше. Поэтому задача оптимизации может быть записана следующим образом.
(1)
Для установления взаимосвязи между критериями и факторами проведена серия из 16 компьютерных экспериментов по формированию микроповышения орудием с ориентацией дисков вовнутрь (таблица 1). Фактор б изменяли от 0О до 30О с шагом 10О, а фактор в изменяли от 0О до 30О с шагом 10О. Компьютерные эксперименты проводили в трехкратной повторности, с последующим усреднением результатов.
Таблица 1. Влияние углов установки дисков б и в на показатели эффективности УПО в режиме образования микроповышений
|
Номер комп. экспер. |
б, градусы |
в, градусы |
hК, см |
ДhН, см |
N, кВт |
|
|
1 |
0 |
0 |
0,0 |
0,5 |
8,44 |
|
|
2 |
0 |
10 |
0,9 |
0,3 |
8,55 |
|
|
3 |
0 |
20 |
3,8 |
0,9 |
9,23 |
|
|
4 |
0 |
30 |
6,8 |
1,1 |
9,63 |
|
|
5 |
10 |
0 |
2,8 |
3,8 |
6,97 |
|
|
6 |
10 |
10 |
4,0 |
5,3 |
7,40 |
|
|
7 |
10 |
20 |
7,7 |
4,2 |
8,25 |
|
|
8 |
10 |
30 |
8,7 |
4,3 |
8,56 |
|
|
9 |
20 |
0 |
6,0 |
7,4 |
7,05 |
|
|
10 |
20 |
10 |
7,4 |
7,4 |
7,69 |
|
|
11 |
20 |
20 |
9,8 |
7,4 |
7,72 |
|
|
12 |
20 |
30 |
12,6 |
5,5 |
8,27 |
|
|
13 |
30 |
0 |
7,2 |
9,8 |
7,38 |
|
|
14 |
30 |
10 |
9,4 |
11,5 |
7,28 |
|
|
15 |
30 |
20 |
11,9 |
10,6 |
7,88 |
|
|
16 |
30 |
30 |
15,1 |
15,7 |
8,56 |
Для визуальной оценки качества формируемого микроповышения приведены поперечные (рис. 2) и окружные профили (рис. 3).
Для выявления аналитической заномерности в полученной совокупности данных компьютерных экспериментов выполнена аппроксимация функций hК(б, в), ДhК(б, в), N(б, в) полиномами второго порядка. Такие полиномы имеют в данном случае вид:
(2)
где P - рассчитываемый показатель (hК, ДhН или N);
k1 ... k6 - коэффициенты многочлена [3].
Рисунок 2. Поперечные профили области обработки при некоторых углах установки б и в дисков
Для определения коэффициентов зависимостей P(б, в) будем использовать методом наименьших квадратов [3,4]. Метод заключается в решении обратной задачи для определения таких коэффициентов k1 ... k6, при которых суммарное квадратичное отклонение аналитической зависимости от данных компьютерного эксперимента будет минимальным:
(3)
где i - номер компьютерного эксперимента;
NКЭ - общее количество компьютерных экспериментов;
Pаналит. - аналитическая зависимость показателя P от факторов;
PiКЭ. - табличные значения показателя P для i-го компьютерного эксперимента.
Рисунок 3. Профиль вдоль окружности конуса при некоторых углах установки б и в дисков
оптимальный угол дисковый почвообрабатывающий
В результате аппроксимации получены следующие аналитические выражения:
(4)
где hК и ДhН измеряются в сантиметрах,
N - в килоВаттах,
б, в - в градусах.
Статистическая значимость коэффициентов полученных полиномов оценивалась с помощью критерия Фишера.
Полученные аналитические формулы hК(б, в), ДhН(б, в), N(б, в) могут использоваться для предварительной оценки эффективности УПО в зависимости от углов установки дисков. Формулы могут быть рекомендованы конструкторам при организации серийного производства УПО, а также в лесных хозяйствах для настройки орудий в зависимости от решаемых задач.
Для удобства количественного анализа каждая из поверхностей отклика представлена с помощью линий уровня (рис. 4) Факторное пространство (б, в) можно условно разделить на две области: благоприятную (затемнена на рисунке), в которой данный критерий оптимизации принимает искомое максимальное или минимальное значение, и неблагоприятную. Для обоснования граничного уровня критерия, который задает границу между областями, можно руководствоваться следующими правилами: благоприятная область должна занимать значительную долю факторного пространства (10-30 %), по возможности не включать области резкого изменения функции, либо привязана к каким-либо нормативным значениям каждого из критериев [5,6]. В данном случае, в качестве границ между благоприятной и неблагоприятной областями выбраны следующие изолинии: для функции hК(б, в) изолиния 10 см; для ДhН(б, в) изолиния 10 см; для N(б, в) изолиния 8 кВт.
Рисунок 4. Поверхности отклика к оптимизации углов б и в установки дисков универсального почвообрабатывающего орудия
Полученные карты оптимизации позволяют конструктору быстро визуально выбрать углы установки дисков б и в, чтобы достигались оптимальные значения каждого из показателей эффективности.
При наложении друг на друга благоприятных областей для трех критериев получаем общую оптимальную область сложной формы (рис. 5, внизу справа). Анализ расположения и формы оптимальной области показывает, что угол б должен лежать в диапазоне 19...26О, угол в - в диапазоне 18...24О.
Рисунок 5. Карты оптимизации углов б и в установки дисков универсального почвообрабатывающего орудия
Таким образом, задача оптимизации позволила сформулировать рекомендации по выбору углов установки дисков орудия. В режиме формирования микроповышений оптимальные диапазоны составляют б = 19...26О, в = 18...24О. При этом орудие обеспечивает формирование конуса высотой более 10 см, неравномерность уровня почвы вдоль окружности не более 10 см, потребляемую мощность менее 8 кВт.
Список литературы
1. Premoze S., Tasdizen T., Bigler J. et al. Particle Based Simulation of Fluids // Eurographics, 2003. - Vol. 22. - N 3. - P. 103-113.
2. Дегтярев Ю.И. Методы оптимизации [Текст]: учеб. пособие для вузов / Ю.И.Дегтярев. - М.: Сов. радио, 1980. - 272 с.
3. Адлер, Ю. П. Планирование эксперимента при поиске оптимальных решений [Текст]: учеб. пособие / Ю. П. Адлер, Е. В. Маркова, Ю. В. Грановский - М. : Наука, 1976. - 279 с.
4. Федоров В.В. Теория оптимального эксперимента [Текст] / В.В.Федоров. - М.: ГРФМЛ изд-ва Наука, 1971. - 312 с.
5. Финни Д. Введение в теорию планирования экспериментов [Текст] / Д.Финни: Пер. с англ. - М.: ГРФМЛ изд-ва Наука, 1970. - 287 с.
6. Кузьмичев, Д. А. Автоматизация экспериментальных исследований [Текст] : учеб. пособие / Д. А. Кузьмичев, И. А. Радкевич - М. : Наука. Главн. ред. физико-мат. литер., 1983. - 392 с.
References
1. Premoze S., Tasdizen T., Bigler J. et al. Particle Based Simulation of Fluids // Euro-graphics, 2003. - Vol. 22. - N 3. - P. 103-113.
2. Degtjarev Ju.I. Metody optimizacii [Tekst]: ucheb. posobie dlja vuzov / Ju.I.Degtjarev. - M.: Sov. radio, 1980. - 272 s.
3. Adler, Ju. P. Planirovanie jeksperimenta pri poiske optimal'nyh reshenij [Tekst]: ucheb. posobie / Ju. P. Adler, E. V. Markova, Ju. V. Granovskij - M. : Nauka
4. Fedorov V.V. Teorija optimal'nogo jeksperimenta [Tekst] / V.V.Fedorov. - M.: GRFML izd-va Nauka, 1971. - 312 s.
5. Finni D. Vvedenie v teoriju planirovanija jeksperimentov [Tekst] / D.Finni: Per. s angl. - M.: GRFML izd-va Nauka, 1970. - 287 s.
6. Kuz'michev, D. A. Avtomatizacija jeksperimental'nyh issledovanij [Tekst] : ucheb. posobie / D. A. Kuz'michev, I. A. Radkevich - M. : Nauka. Glavn. red. fiziko-mat. liter., 1983. - 392 s. Размещено на Allbest.ru
...Подобные документы
Общие сведения о дисковых плугах, лущильниках и боронах. Работа дискового орудия, расчет геометрических параметров дискового рабочего органа. Тяговое сопротивление и силовые характеристики дисковых рабочих органов сельскохозяйственных машин и механизмов.
курсовая работа [45,7 K], добавлен 22.10.2008Обзор приемов механического воздействия на верхний слой почвы с целью регулирования влажности, рыхления, выравнивания поверхности, уничтожения сорняков. Описания рабочих органов и особенностей применения дискового и лемешного лущильника, дисковых орудий.
статья [442,7 K], добавлен 10.03.2013Эрозия почвы - разрушение почвы водой и ветром, перемещение продуктов разрушения и их переотложение. Применение комбинированных агрегатов с приводом рабочих органов от тяги трактора. Показатели, характеризующие аэродинамическую стойкость почв к дефляции.
реферат [26,7 K], добавлен 26.01.2012Расчёт основных рабочих органов зерноуборочного комбайна, разработка схем работы его элементов: мотовила, режущего аппарата, соломотряса. Анализ факторов влияющих на работу основных рабочих органов зерноуборочного комбайна и оценка их работоспособности.
курсовая работа [73,0 K], добавлен 28.04.2011Устройство рабочих органов плуга и правила установки при подготовке плуга к работе. Машины для внесения удобрений. Установка опыливателя или аэрозольного генератора на заданный расход ядохимиката. Дождевальная машина, косилка или кормоуборочный комбайн.
контрольная работа [23,2 K], добавлен 04.05.2009Основные агротребования к предпосевной обработке. Рабочие органы Системы-Компактор для предпосевной обработки почвы. Подготовительные работы на тракторе. Навешивание и демонтаж комбинированного орудия для предпосевной обработки почвы Система-Компактор.
курсовая работа [3,7 M], добавлен 06.06.2010Агротехнические требования, предъявляемые к зерноуборочным машинам. Оптимизация энергозатрат процесса измельчения зернового сырья путем совершенствования конструкций рабочих органов. Технические характеристики модернизированной конструкции комбайна.
дипломная работа [4,4 M], добавлен 11.07.2016Зерноуборочный комбайн КЗС–1218, назначение, регулировка и область применения. Особенности устройства бункера. Оптимизация энергозатрат процесса измельчения зернового сырья путём совершенствования конструкции рабочих органов ножей и кормодробилки.
дипломная работа [3,1 M], добавлен 13.06.2016Сравнение экономико-математической модели оптимальных рационов кормления скота (птицы) с позиции разных авторов. Исходная информация, необходимая для ее составления. Группы ограничений по экономическому содержанию и характеру формализации в модели.
курсовая работа [89,4 K], добавлен 31.05.2013Принцип действия, конструкции, технологическая эффективность, техническая характеристика цилиндрических и дисковых триеров. Расчет шнека триера одинарного действия. Определение размеров триерного цилиндра, высоты полета зерна по горизонтали и вертикали.
курсовая работа [1,4 M], добавлен 28.12.2013Канатные установки для трелевки и транспортировки леса. Самоходная лебедка канатной установки МЛ-43А-1 для освоения горных лесов и принцип ее работы. Преимущество канатных установок при освоении горных лесосек по сравнению с тракторной трелевкой.
реферат [731,6 K], добавлен 18.04.2016Анализ природно-климатических условий Беларуси. Краткие сведения об агротехнике возделывания. Подготовка почвообрабатывающей техники к работе. Достоинства и недостатки конструкции бороны игольчатой. Расчёт дисков рабочих органов и полуоси на прочность.
курсовая работа [1,1 M], добавлен 23.10.2013Обзор технологий, способов, машин, рабочих органов для измельчения зерновых кормов. Проектирование и определение технологической мощности малогабаритного измельчителя зерновых кормов, рассчитанного на содержание поголовья скота с численностью до 50 голов.
дипломная работа [457,5 K], добавлен 08.07.2011Показатели, характеризующие схемы плуга, его параметры. Характеристика навесных плугов общего назначения, оборудованных гидравлической системой управления. Этапы настройки плуга на работу: проверка сборки, вспомогательных узлов, установка рабочих органов.
курсовая работа [74,6 K], добавлен 15.08.2011Проектирование электродвигательного устройства. Технологическая характеристика рабочей машины. Описание рабочих органов. Расчет и построение механической характеристики и нагрузочной диаграммы рабочей машины. Переходные процессы в электроприводе.
курсовая работа [121,1 K], добавлен 01.10.2010Лесотехнические требования к посадке, способы ее осуществления. Классификация и устройство лесопосадочных машин. Характеристика рабочих и вспомогательных органов лесопосадочных машин. Категории площадей, на которых производится посадка лесных культур.
презентация [2,4 M], добавлен 22.08.2013Расчет урожайности и определение технологических свойств рабочих участков и полей. Экономический анализ пашни в хозяйстве: исчисление затрат на возделывание и выращивание сельскохозяйственных культур. Использование результатов экономической оценки земель.
курсовая работа [74,1 K], добавлен 24.07.2011Состояние производства картофеля в России, технологии его возделывания, схема подготовки почвы под посадку. Характеристика культиватора КВС-3, разработка рабочего органа. Процесс резания почвы лезвием. Кинематика вертикально-роторных рабочих органов.
курсовая работа [648,7 K], добавлен 22.07.2011Назначение и краткое техническое описание бороны, способы и средства регулирования, принцип ее действия. Обоснование целесообразности применения предлагаемой конструкции рабочих органов. Расчет геометрических параметров дискового рабочего органа.
курсовая работа [3,4 M], добавлен 24.12.2014Влияние способа посева (посадки) на урожайность, расход посевного материала, величину затрат труда и себестоимость продукции. Классификация сеялок и виды дисковых высевающих аппаратов. Особенности строения и применения кукурузных и овощных сеялок.
реферат [466,7 K], добавлен 30.05.2010
