Оценка реакций грунта на плужный рабочий орган с помощью машинного эксперимента

Размещено на http://www.allbest.ru/

ФГОУ ВПО МГУП, г. Москва, Россия

Оценка реакций грунта на плужный рабочий орган с помощью машинного эксперимента

Н.В. Венкова

Для нарезки сети мелких каналов широко применяют специальные мелиоративные орудия - плужные каналокопатели. Они просты в изготовлении и обслуживании, надежны в работе, имеют сравнительно малую удельную металлоемкость и большую производительность. Однако существенными недостатками этих орудий являются, низкое качество нарезаемого канала и большое тяговое сопротивление.

При большом тяговом сопротивлении орудия увеличивается степень его воздействия на стенки канала, возрастают внутренние напряжения в грунте. Это увеличивает деформацию грунта, приводит к появлению крупных глыб и трещин в откосах канала.

Улучшить качество работы и одновременно уменьшить тяговое сопротивление плужных каналокопателей можно, прежде всего, за счет совершенствования формы их рабочих лемешно-отвальных поверхностей. Изменяя соответствующим образом форму и параметры рабочей поверхности, можно обеспечить желаемое относительное движение почвенного пласта, при котором достигается улучшение технико-экономических показателей орудия [1].

Реакция грунта на плужный рабочий орган зависит от трех основных групп факторов: тип и состояние грунта, форма и размеры отрываемого канала, тип и параметры рабочего органа.

Основные размеры прокладываемого канала - это Н_к - его глубина, m - коэффициент заложения откосов и b_{д -} ширина канала по дну. Корпус плужного двухотвального каналокопателя состоит из двух частей, каждая из которых содержит лемех и отвал, работающих в различных условиях. В связи с этим задачу обоснования рациональных параметров корпуса каналокопателя можно подразделить на две: на обоснование параметров лемеха и обоснование формы и параметров отвала. Угол между лезвием лемеха и направлением движения (угол захвата) б_л и угол резания д_л определяются из условий незаклинивания пласта грунта между лемехом и откосами канала и отсутствия взаимного сталкивания левого и правого пластов. Форма и параметры подъемно-отвальных поверхностей полностью и однозначно определяется уравнениями направляющей кривой и кривой сферического отображения [2].

Используя теорию планирования эксперимента, на кафедре мелиоративных и строительных машин разработана математическая модель, связывающая исследуемый параметр (реакцию грунта на плужный рабочий орган R) с некоторыми, влияющими на него факторами (ширина канала по дну - b_д, коэффициент заложения откосов- m, параметры направляющей кривой - НК и кривой сферического отображения - КСО). Очевидно, что зависимость реакции грунта на плужный рабочий орган от глубины прокладываемого канала - прямо-пропорциональная. Исследование влияния остальных параметров на Ш представляет цель данного эксперимента.

Машинный эксперимент проводился для грунтов II категории при давлении массы грунта на плужный рабочий орган p₀ = 100 МПа.

Уравнение направляющей кривой имеет следующий вид

f₁ (z) = x = Az³ + Bz² + Cz + D,

где A, B, C, D - постоянные коэффициенты, определяемые по известным координатам начальной и конечной точек направляющей кривой, а также значениями производных в этих точках.

Уравнение кривой сферического отображения выглядит следующим образом

f₂ (д) = б = б₀ + б₁ д + б₂ д²,

где б₀, б₁, б₂ - постоянные коэффициенты, соответствующие заданным геометрическим условиям [2].

Определение коэффициентов направляющей кривой и кривой сферического отображения производится с помощью компьютера по программе расчета параметров для построения проекций плужного рабочего органа. Для того чтобы воспользоваться этой программой необходимо составить матрицы коэффициентов для направляющей кривой и кривой сферического отображения.

Матрица коэффициентов для направляющей кривой:

где zk, xk - координаты начальной точки направляющей кривой равные, соответственно, 0,125 , 0,34 м (для плужного каналокопателя МК-16), Н - полная высота рабочего органа, 1,1 м; L - горизонтальная проекция направляющей кривой, для верхнего уровня принятая равной 1,51м, для нижнего уровня - 1,815м.

Матрица коэффициентов для кривой сферического отображения:

,

где дл - для верхнего уровня принята равной 28^о, для нижнего 32^о;

бл - для верхнего уровня равна 46^о, для нижнего 50^о, д_отв = 90^о.

Если имеется n факторов и K уровней, то число комбинаций L = K⁴ Основные характеристики плана многофакторного эксперимента 2⁴ представлены в табл. 1.

Таблица 1

Так как в рассматриваемой сложной системе существует функциональная связь между параметрами рабочего органа и действующими силами, то в общем виде математическое описание процесса представляется зависимостью

Y = f(X₁ , X₂ , X₃ , …, X_n),

где Y- зависимая переменная или функция отклика (исследуемый параметр);

X₁, X₂, X₃, …, X_n - независимые переменные, влияющие на Y факторы [3].

Эту функцию можно представить для четырех факторов (b_д, m, КСО, НК) уравнением регрессии

Y = b₀ + b₁X₁ + b₂X₂ + b₃X₃ + b₄X₄,

где Y - оценка значений функции отклика; b₀, b₁, b₂, b₃, b₄ - оценки коэффициентов уравнения регрессии.

На кафедре мелиоративных и строительных машин создана программа, позволяющая определить реакцию грунта на плужный рабочий орган с учетом влияния основных факторов. С помощью этой программы был проведен полный факторный эксперимент. В эксперименте реализованы все возможные, различные комбинации уровней всех факторов.

План многофакторного эксперимента 2⁴ и результаты опытов приведены в табл. 2.

Таблица 2

Для оценки влияния различных факторов на реакцию грунта на плужный рабочий орган необходимо определить коэффициенты уравнений регрессии:

;

.

Так как программа позволяет определить вертикальные и горизонтальные составляющие реакции грунта на плужный рабочий орган в двух точках (рисунок), составлено четыре уравнения регрессии для этих составляющих и одно уравнение для суммарной реакции УR. Суммарная реакция определяется по формуле

.

Уравнения регрессии для горизонтальных составляющих реакций грунта:

.

Уравнения регрессии для вертикальных составляющих реакций грунта:

.

Для суммарной реакции грунта на плужный рабочий орган уравнение регрессии имеет следующий вид:

.

По результатам эксперимента, очевидно, что с увеличением ширины канала по дну и коэффициента заложения откосов, вертикальные и горизонтальные составляющие реакции грунта на плужный рабочий орган возрастают.

Впервые получены коэффициенты линейного уравнения регрессии, позволяющие оценить влияние направляющей кривой и кривой сферического отображения на реакцию грунта. Анализируя полученные данные, можно сделать вывод, что плужный рабочий орган, имеющий более пологую направляющую кривую (при вылете - L = 1,85м), позволяет существенно снизить горизонтальную R_г1 и вертикальную R_в1 составляющие реакции грунта в первой точке (рисунок). Однако во второй точке на том же рабочем органе, R_г2 и R_в2 несколько возрастают.

Библиографический список

плужный каналокопатель орудие отвальный

1. Листопад Г.Е., Шаршак В.К., Сконодобов В.В. Мелиоративные орудия для устройства временной оросительной сети. М., 1986.

2. Мер И.И. Мелиоративные машины. М., 1980.

3. Ревин Ю.Г. Практикум по мелиоративным машинам. М., 1995.

Размещено на Allbest.ru