Целью лабораторных исследований является определение скорости всасывающего воздушного потока очесывающего устройства.

Лабораторные исследования проводились согласно разработанных методик . Программа лабораторных исследований предусматривала решение задачи по определение диапазона изменения скорости воздушного потока в зависимости от высоты расположения соцветий и площади входного окна;

3.1. Экспериментальная установка и измерительная аппаратура для проведения лабораторных исследований

Для проведения исследований была разработана и изготовлена лабораторная установка, изображенная на (рис. 3.1, 3.2). За основу установки взята двух барабанная модификация очесывающего устройства.

Лабораторная установка (рис. 3.2) состояла из очесывающего устройства 1, транспортера-питателя 2, привода очесывающего устройства 3, привода транспортера-питателя 4, пульта управления лабораторной установкой 5.

Рис. 3.1. Лабораторная установка.

Рис. 3.2. Схема лабораторной установки: 1 – очесывающее устройство; 2 – транспортер-питатель; 3 – привод очесывающего устройства; 4 – привод транспортера-питателя; 5 – пульт управления; 6 – очесывающий барабан; 7 – гребенки очесывающего барабана; 8 – битер-отражатель; 9 – гребенки (лопасти) битера-отражателя; 10 – верхний кожух; 11 – материалосборник; 12 – кассета; 13 – сборник потерь.

Очесывающее устройство 1 состояло из очесывающего барабана 6 с гребенками 7, битера-отражателя 8 с гребенками (лопастями) 9, отражающего кожуха 10, сборника очесанного вороха 11.

Транспортер-питатель 2, состоял из несущей рамы и цепочно-планчатого транспортера с кассетами 12 для закрепления растений. К опорам транспортера под очесывающим устройством закреплен лоток для сбора потерь зерна осыпью 13.

Привод очесывающего устройства 3 состоял из электродвигателя, двух редукторов, цепной и клиноременной передач. Привод транспортера-питателя также осуществлялся от электродвигателя через редуктор и цепную передачу.

При проведении исследований использовался сменный модуль битера-отражателя (рис. 3.3) состояли из рамки 1, которая крепилась к раме очесывающего устройства болтовыми соединениями 2 и 3. На рамке были установлены подшипники 4 битера-отражателя 5. К битеру-отражателю болтами 6 крепились гребенки или лопасти 7, на рамке устанавливался кожух битера-отражателя 8, который соединялся с кожухом очесывающего устройства удлинителем 9. Для привода битера-отражателя был установлен шкив 10 клиноременной передачи.

Рис. 3.3. Схема модуля битера-отражателя: 1 – рамка; 2, 3 – болтовые соединения; 4 – подшипник; 5 – битер-отражатель; 6 – болты; 7 – гребенки (лопасти); 8 – кожух; 9 – удлинитель; 10 – шкив.

При проведении эксперимента перед началом каждого опыта проводилась подготовка лабораторной установки к работе.

При работающем очесывающем устройстве производились контрольные замеры скорости вращения очесывающего барабана (nоч. б.= 450 мин-1) и битера-отражателя (nб. от.= 700 мин-1) Измерение скорости вращения производили тахометром Т 410-Р.

Электрический измеритель скорости воздушного потока.

При проведении исследований измерения скорости воздушного потока использовался специальный электрический измеритель скорости воздушного потока, общий вид которого показан на рис. 3.4.

При работе датчик 1 устанавливают в место измерения скорости, закрепляя его стационарно. Включают прибор в сеть 14В и из шкалы микроамперметра считывают значение скорости потока в месте измерения. Перед использованием прибор тарировался с помощью анемометра рис.3.

При измерениях оптико-механический датчик под действием воздушного потока начинает вращаться, поэтому пропорционально к частоте вращения лопастей дистанционного датчика (на рис. 3.5.) его ось периодически закрывает фотодиод 2 от лучей лампы 1, производя при этом электрические импульсы прямоугольной формы. После усиления величины напряжения импульсов усилителем на транзисторах VT1 и VT2, пропорционально к их количеству отклоняется стрелка микроамперметру М1, согласно электрической принципиальной схемы на рис. 3.6.

.

Рис. 3.4. Общий вид электрического измерителя скоростей

Для измерения скорости потока был изготовлен специальный оптико-механический датчик уменьшенного сопротивления, общий вид которого подан на рис. 3.5 и рис. 3.6. Для получения минимального трения ось вращения винта датчика вращается в рубиновых подшипниках 1, взятых в комплекте с осью маятнику от механических часов. Для счета частоты вращения винта датчика на пересечении вращения лопастей датчика установлен оптический пар лампа 4 – фотоэлемент 3, за схемой на рис. 3.7.

Рис.3.5. Конструкция дистанционного датчика электрического измерителя скорости воздушного потока.

Рис. 3.6. Электрическая принципиальная схема измерителя скорости потока

3.7. Общий вид измерителя скорости потока с датчиком

Рис. 3.8. Общий вид датчика для измерения скорости потока

Рис. 3.9. Схема устройства датчика для измерения скорости потока

3.2 . Методика лабораторных исследований

Лабораторные исследования очёсывающего устройства планируются и проводятся по методике многофакторного эксперимента, поскольку на процесс транспортировки очесанного вороха из зоны очеса в сборник жатки оказывают влияние одновременно несколько факторов.

Многофакторные эксперименты проводятся в следующей последовательности:

1. определение цели исследования и на основании этого выбор количественной характеристики цели – параметра оптимизации, а также факторов, влияющих на объект исследования;

2. сбор и анализ априорной информации об исследуемом объекте;

3. выбор математической модели;

4. составление матрицы планирования, числа опытов и порядка их проведения;

5. проведение эксперимента;

6. обработка результатов эксперимента с использованием статистических методов и регрессионного анализа;

7. проверка адекватности математической модели.

Кибернетическую модель технологического процесса обмолота на корню зерновых культур представим в виде «чёрного ящика».

Из независимых факторов составляется ранжированный ряд в порядке убывания значимости влияния факторов на исследуемый процесс. Несущественные факторы отсеиваются.

На основе анализа априорной информации, полученной из литературных источников, предыдущих исследований, мнений специалистов и поисковых экспериментов устанавливаются наиболее существенные факторы, влияющие на процесс. Наибольшее влияние на скорость всасывающего воздушного потока оказывают 2 фактора: высоты расположения соцветий и площадь входного окна.

Так как механизм протекания процесса в чёрном ящике неизвестен, то невозможно получить аналитическое выражение функции отклика. Поэтому для её описания используется уравнение регрессии вида:

, (3.1)

где y – функция отклика;

xi и xj – значения факторов;

b0 – свободный член, равный выходу при xi = 0;

bi – коэффициент регрессии соответствующих факторов на изучаемый объект;

bij - коэффициент регрессии соответствующих факторов двойного взаимодействия.

Для случая с двумя факторами х1 и х2 уравнение регрессии будет иметь вид:

y = b0 + b1x1 + b2x2 + b1,2x1x2 (3.2)

Коэффициенты уравнения регрессии рассчитываются по результатам эксперимента. Величина коэффициентов и их знак характеризуют данный фактор и его влияние на параметр оптимизации.

При реализации полного факторного эксперимента определяется значение параметра оптимизации при всех возможных сочетаниях уровней варьирования факторов. Для осуществления полного факторного эксперимента с k факторами, каждый из которых устанавливается на q уровнях, необходимо произвести n=qk опытов.

Планирование, проведение и обработка результатов ПФЭ состоит из следующих обязательных этапов:

1. кодирование факторов;

2. составление плана-матрицы эксперимента;

3. рандомизация опытов;

4. реализация плана эксперимента;

5. проверка воспроизводимости опытов;

6. проверка адекватности линейной модели;

7. оценка значимости коэффициентов уравнения регрессии.

При планировании опытов используем метод полного факторного эксперимента с двумя уровнями варьирования факторов.

Таблица 3.1 – Матрица планирования двухфакторного эксперимента вида N=2п

Номер опыта	x0	x1	x2	x1x2	Вектор выхода y
Повторности	Ср. значение
y1	y2	y3	yu(yср)
1	+	-	-	+	y11	y12	y13	yср1
2	+	+	-	-	y21	y22	y23	yср2
3	+	-	+	-	y31	y32	y33	yср3
4	+	+	+	+	y41	y42	y34	yср4

Нижний уровень варьирования факторов обозначим х= -1, верхний х= +1, а нулевой уровень х=0. Комбинация условий эксперимента при двух уровнях факторов определяется показательной функцией N=2n, где п – число факторов. При числе факторов п=2 количество опытов N=22=4. Комбинации условий опыта можно представить в виде таблицы сочетаний разных уровней факторов, упорядоченных по столбцам, – матрицы планирования (см табл. 3.1). Строки матрицы соответствуют различным опытам, а столбцы – значениям факторов.

Такой план называют ортогональным планом первого порядка. Основным его преимуществом является независимая оценка коэффициентов уравнения регрессии.

Согласно составленной рабочей матрице (с учётом рандомизации опытов) проводят эксперименты в трёхкратной повторности. Значения параметра оптимизации, полученные в каждом опыте, записывают в рабочую матрицу.

Расчёт коэффициентов математической модели осуществляется по формулам:

, (3.3)

, (3.4)

Для данной математической модели определяются следующие коэффициенты: b0, b1, b2 и b12. Полученные значения коэффициентов регрессии подставляются в уравнение (3.2).

Проверка воспроизводимости опытов осуществляется по критерию Кохрена:

, (3.5)

где σР – расчётное значение коэффициента Кохрена;

σТ – табличное значение коэффициента Кохрена;

– наибольшее значение дисперсии;

Sи – числа параллельных дисперсий.

0,05 – 5% уровень значимости;

fn=n – число независимых оценок опытов (количество опытов);

fu=m-1 – число степеней свободы;

m – число повторностей,

, (3.6)

Процесс воспроизводим, если выполняется неравенство по критерию Кохрена (3.5).

Оценка значимости коэффициентов регрессии производится с помощью критерия Стьюдента:

, (3.7)

, (3.8)

где t(0,05;f) – нормированная величина отклонений;

Sy – дисперсия воспроизводимости (ошибка опыта).

Полученные по расчёту коэффициенты регрессии значимы, если выполняется условие по критерию Стьюдента (3.6).

Проверка адекватности линейной модели выполняется с помощью критерия Фишера:

, (3.9)

где fад - число степеней свободы дисперсии адекватности;

fy - число степеней свободы дисперсии воспроизводимости;

F(0,05) - критерий Фишера при 5-% уровне значимости;

Sад2 - дисперсия адекватности:

, (3.10)

где уиррас – расчётное значение отклика в и-м опыте;

d – число определяемых коэффициентов модели.

Модель адекватна, если выполняется условие по критерию Фишера (3.9).

Лабораторные экспериментальные исследования были поставлены на базе математического планирования эксперимента, основанного на статистических методах обработки опытных данных. Обработка результатов экспериментальных данных проводилась на основе стандартных методик с использованием специально разработанных программ на ПЭВМ.

Выводы:

1. Лабораторные экспериментальные исследования ориентированы на изучение процесса транспортировки очесанного зерна из зоны очёса.

2. При проведении экспериментов применялись общепринятые методики, и стандарты по испытанию сельскохозяйственных машин.

3. Испытания проводились по методике планирования двухфакторного эксперимента для определения скорости всасывающего воздушного потока очесывающего устройства с использованием методов математического планирования с последующей обработкой полученных результатов.