Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние вопроса и задачи исследований 10
2 Теоретические исследования обоснования параметров, режимов работы и алгоритма контрольно-регистрирующего устройства 56
3 Алгоритм оперативного контроля высева семян сеялки и его аппаратурная реализация 83
4 Программа и методика экспериментальных исследовании контрольно-регистрирующего устройства 99
5 Результаты лабораторно-полсвых исследований контрольно-регистрирующего устройства сеялки 111
5.1 Результаты лабораторных исследований 1 11
5.1.1 Основные характеристики посевного материала (желудей) 111
5.1.2 Определение точности и чувствительности ИК-счетчика семян и проверка работоспособности блока индикации и сигнализации контрольно-регистрируюхцегоустройства сеялки 112
5.2 Результаты полевых исследований 113
5.2.1 Характерист ика участков для полев ых исследований 113
5.2.2 Точность и чувствительность ИК-сенсора семян 1 14
5.2.3 Результаты определения длины контрольного участка 1 16
5.2.4 Результаты эффективности функг(ионирования сеячки на участках контроля 120
5.2.5 Результаты определения часовой производительности агрегата с системой оперативного контроля и без нее 134
6 Расчет экономической эффективности 135
Общие выводы 144
Список использованной литературы.*. 146
Приложения
- Теоретические исследования обоснования параметров, режимов работы и алгоритма контрольно-регистрирующего устройства
- Алгоритм оперативного контроля высева семян сеялки и его аппаратурная реализация
- Программа и методика экспериментальных исследовании контрольно-регистрирующего устройства
- Определение точности и чувствительности ИК-счетчика семян и проверка работоспособности блока индикации и сигнализации контрольно-регистрируюхцегоустройства сеялки
Введение к работе
В Концепции развития лесного хозяйства Российской Федерации на 2003-2010 годы указывается, что одной из целей развития лесного хозяйства является «...своевременное и качественное воспроизводство лесов, ... » [1]. Достижение указанной цели должно осуществляться на основе внедрения достижений науки и техники, из которых приоритетными направлениями в рассматриваемый период являются «... разработка технологий и технических средств, обеспечивающих повышение устойчивости и продуктивности лесов; ... разработка специальных машин и механизмов для работы в лесу, удовлетворяющих лесоводственным, экологическим и социально-экономическим требованиям; ...» [1].
Актуальность темы. Одной из основных лесообразующих пород на европейской части Российской Федерации (в основном леса 1-ой и П-ой групп) является дуб черешчатый (Quercus robur L.) - 3,52 млн. га (общий запас древесины 487,17 млн. м3), при этом площадь дубрав лесостепной, степной и сухостепной зон составляет 2,06 млн. га (258, 05 млн. м ) [2], Дубравы Саратовской области занимают 225,7 тыс. га, или 50% покрытых лесом земель области [3].
В настоящее время лесоводами стоит задача быстрейшего перевода порослевых дубовых насаждений в семенные, как наиболее продуктивные и устойчивые [4].
К 2010 году в целях улучшения качества лесного фонда предусматривается осуществить лесовосстановление на площади 6900 тыс. га [I].
Основным способом создания семенных дубрав является посев желудей на свежих нераскорчеванных вырубках. Для механизированного посева семян, в таких условиях, наиболее эффективно применение комбинированных посевных машин, которые позволяют в сжатые сроки произвести обработку почвы с одновременным высевом семян. Однако, контроль качества технологического процесса (ТП) на подобных агрегатах усложняется тем, что они выполняют сразу несколько технологических операций (подготовка почвы, посев, внесение удобрений). Решить проблему контроля качества ТП и облегчить управление комбинированным агрегатом на све-
жей нераскорчеванной вырубке возможно путем контроля высева семян коитроль-но-регистрирющим устройством (устройством оперативного контроля). Однако, из-за отсутствия подобных устройств и опыта их применения на лесных сеялках, они требуют обоснования параметров и режимов работы.
Последнее возможно осуществить на примере сеялки фрезерной лесной комбинированной (СФК-І), включенной в «Система технологий машин для комплексной механизации лесного хозяйства в условиях рыночных отношений на 2001...2005 годы» [5] и применяемой для механизированного посева желудей на лесокультурных площадях, в том числе на не раскорчеванных вырубках с количеством пней до 600 піт/га.
Несмотря на высокую производительность, маневренность и малую материалоемкость технологического процесса, данная сеялка не оснащена системой автоматизированного контроля, регулирования и управления, что, в свою очередь, не позволяет полностью использовать энергетические возможности машинно-тракторного агрегата и сократить сроки посева. Проведение посева в сжатые агротехнические сроки в лесокультурном деле является залогом дальнейшего успешного роста и развития растений.
СФК-1 обслуживается одним механизатором (трактористом). При посеве семян на вырубках в почве, нередко, встречаются различные включения (пни, корни, остатки древесины, камни и др.), поэтому сошник и семяпровод могут засоряться и забиваться. При этом желуди не попадают в почву. Забивание сошника остатками сорняков и почвой происходит так же и во время поворота агрегата.
Качество высева контролируется механизатором визуально. Ему приходится не только устранять любые нарушения в работе сеялки, но и принимать решения о необходимой настройке на заданный режим работы. Данный метод контроля снижает производительность и не эффективен вследствие того, что посев проводится в сжатые агротехнические сроки. К тому же при работе на вырубках механизатору трудно, а подчас и невозможно обеспечивать оптимальное управление комбинированным агрегатом и высококачественное выполнение ТП.
В таких условиях, наиболее перспективным путем поддержания показателей нормы высева (расхода) в заданных допусках и установления вероятностно-статистических показателей (дисперсии, среднеквадратического отклонения, коэффициента вариации, среднего значения) работы сеялки, можно считать оборудование её автоматизированным устройством контроля расхода семян на базе микропроцессора [6... 12].
Автоматизацией производства называется процесс в развитии машинного производства, при котором функции контроля и управления, ранее выполняемые человеком, передаются приборам и автоматическим устройствам. Автоматизация лесо-хозяйственного производства это основа развития современного хозяйства, генеральное развитие технического прогресса.
В настоящее время наибольшее развитие автоматизация производственных процессов получила в лесной промышленности при переработке древесины, в то время как автоматизация лесного хозяйства, практически, отсутствует.
В первую очередь, назрела необходимость контроля процесса посева семян.
Контролем называется процесс получения и обработки информации о состоянии объекта управления. В результате автоматизации функции контроля расхода должна быть создана такая система автоматизированного контроля, которая обеспечивала бы анализ большого количества контролируемых параметров ТП. Основными задачами системы автоматизированного контроля являются: измерение параметров объекта; сравнение текущих значений с допустимыми; регистрация значений параметров и их текущих отклонений от задания; сигнализация аварийных и ненормальных ситуаций.
Абсолютное большинство работ посвящено оперативному контролю сельскохозяйственных сеялок. Отсутствуют измерители расхода в лесных сеялках. Отсюда возникает необходимость определения и обоснования параметров контроля расхода семян сеялки в условиях вырубок, достоверного с точки зрения информативности времени (пути) контроля, а так же создания работоспособного измерительного преобразователя (ИП) контролируемого процесса на вырубке.
Цель и задачи исследований. Целью данной диссертационной работы является повышение качества посева желудей на нераскорчеванных вырубках путем применения контрольно-регистрирующего устройства сеялки.
Для достижения цели были поставлены следующие задачи:
Теоретически обосновать процесс контроля высева желудей и определить его параметры.
Разработать алгоритм, принципиальную и функциональную схемы устройства оперативного контроля расхода и измерительного преобразователя расхода желудей, определить их основные характеристики.
Экспериментально исследовать режимы работы устройства оперативного контроля и измерителя расхода желудей.
4. Оценить технико-экономическую эффективность устройства оперативного
контроля сеялки.
Объекты исследований. Контрольно-регистрирующее устройство сеялки, семеня дуба черешчатого (желуди).
Методика исследований. Теоретические исследования базировались на статистической динамике посевных агрегатов, теории эффективности функционирования посевных агрегатов и их систем управления, а так же на принципе допускового контроля расхода семян, разработанного академиком Лурье Л.Б.
Научная новизна. Обоснованы параметры и режимы работы контрольно-регистрирующего устройства сеялки. Получены значения допускаемых отклонений на колебания расхода желудей СФК-1, а так же минимальной длины контролируемого участка, позволяющие осуществлять оперативный контроль расхода семян по фактической вероятности сохранения абсолютного двустороннего допуска на колебание расхода.
Получены аналитические зависимости вероятности сохранения абсолютного двустороннего допуска от расхода чистых и стратифицированных желудей, от работы фрезерного барабана и частоты вращения высевающей катушки.
Подтверждена экономическая целесообразность использования контрольно-регистрирующего устройства налесной комбинированной сеялке.
На защиту выносятся. На защиту выносятся следующие положения:
теоретические исследования по обоснованию параметров, режимов работы и алгоритма оперативного контроля высева семян;
контрольно-регистрирующее устройство сеялки, измерительный преобразователь (ИК-сенсор) расхода желудей;
результаты экспериментальных исследований контрольно-регистрирующего устройства;
результаты экономической эффективности разработанного контрольно-регистрирующего устройства сеялки.
Обоснованность результатов исследований. Выводы диссертационной работы базируются на результатах фактического материала, полученного при проведении лабораторных и полевых исследований. Данные обрабатывались методами математической статистики с использованием стандартного пакета программ Microsoft Office 2000 для персонального компьютера и профессионального пакета для обработка и анализа статистической информации Statistica 6.0.
Практическая ценность. Создан макетный образец контрольно-регистрирующего устройства сеялки и обоснованы его основные параметры и режимы работы. Устройство позволяет повысить контроль за качеством посева семян дуба на свежих пераскорчеванных вырубках. Разработан измерительный преобразователь (ИП) контроля семян, работающий в инфракрасном (ИК) спектре излучения. Основные полученные результаты рекомендуются научным работникам, конструкторам, аспирантам и студентам для практического применения.
Апробация работы и публикации. Диссертационная работа выполнена на кафедре «Ландшафтное строительство и механизация лесного хозяйства» ФГОУ ВПО «Саратовский ГАУ» в 2000...2003 г.г.
Основные положения диссертационной работы докладывались, обсуждались и получили одобрение на заседаниях кафедры, научных конференциях профессорско-преподавательского состава и аспирантов ФГОУ ВПО «Саратовский ГАУ» (2000...2004 г.г.), на Международной научной конференции (Саратовский государственный политехнический университет, 2002 г.), на Всероссийской научно-
практической конференции с международным участием (Воронежская государственная лесотехническая академия, 2002 г.), на Всероссийской научно-технической конференции (Вологодский государственный технический университет, 2002 г.), на Ш-й Международной конференции молодых ученых (Санкт-Петербургская лесотехническая академия (г.Санкт-Петербург, 2003 г.), на заседании кафедры «Механизация лесного хозяйства и проектирования машин» (Воронежская государственная лесотехническая академия, 2004 г.).
По материалам диссертации опубликовано восемь работ.
Объем и структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, общих выводов и рекомендаций, списка использованной литературы и приложений. Общий объем работы составляет 233 страницы, из них 164 основного текста и 69 страниц приложений. Работа включает 70 рисунков, 35 таблиц и 195 наименований использованных источников, втом числе 9 иностранных
Теоретические исследования обоснования параметров, режимов работы и алгоритма контрольно-регистрирующего устройства
Контроль качества высева семян посевными машинами осуществляется различными методами и средствами. Существуют три основных вида контроля высева семян (рисунок 1.1): дооперационный (подготовительный или полуактивный), операционный (активный), послеоперационный (пассивный) [13]. Дооперационный контроль осуществляется перед выполнением технологического процесса (ТП) и предусматривает наладку посевной машины, т.е. установку высевающего аппарата на норму высева (расход) и проведение других технических регулировок. Активный контроль проводится в процессе выполнения технологической операции методом прямого визуального наблюдения (основной в настоящее время) или косвенно, посредством различных средств автоматики. Послеоперационный контроль (путем раскапывания рядков или по всходам) применяется при приемки работы и проверки качества высева семян. Известны так же способы контроля работы высевающих аппаратов сеялок с использованием приборов, в которых для регистрации семян применяются источники электромагнитного поля [14], чувствительные элементы [15], счетно-заиоминагашие устройства [16] и др. В нашей стране основоположником автоматизации сельскохозяйственных агрегатов является академик А.Б. Лурье. Оп внес огромный вклад в теорию эффективности функционирования посевных агрегатов и их систем управления, разработал принципы и алгоритмы контроля [17...28]. Под его руководством, оперативным контролем высева семян различными посевными машинами занимались: Абдукари-мов С.А. [29], Ампилогов СБ. [30], Смелик В.А. [31], Устимец В.А. [32], Щеткин Б.Н. [33].
Над вопросами контроля качества высева семян сельскохозяйственными сеялками работали и продолжают работать: Иофинов С.А, [34], Еникеев В.Г., Теплинский И.З., Абелев Е.А. [35..,37], Цырин А.А. [38, 39], Карпов Н.В. [40], Бурков Л.Н. [41], Судаченко [42, 43], Бузенков Г.М. [44], Гельфенбейн СП. [13, 45], В.К, Хорошенков [46], МЛ. Тамиров [47], Тюрин А.Н. [48], Телегин В.М. [49], Давидсон И.Е. [50], Полияков МИ. и Ключников А. [51, 52], Демидов В.Г. [53], Лобачевский и Бертов А.А. [54], Логин В.В. [55...58], Кашурко А.С и Федоров Ю.И. [59], Сысолин В.П. [14], Фролков Н.Ф. [60], Комаристов В.Е. [61].
В условиях Поволжья подобные исследования проводили Истомин B.C. [62, 63], Ибрагимов Х.Н. [64]. Известны работы и публикации зарубежных авторов: Сиднея Кокса [65] и Джорджа Генри Фатауэра (США) [66], Коллара Л, [54, 67, 68] и Оберлендера П. (Германия) [69, 70] и др. [60, 71...74]. В лесном хозяйстве контроль за качеством работы сеялок не нашел широкого применения и незаслуженно находится на стадии первичных разработок. Одними из первых, кто начал заниматься вопросами изучения высевающих аппаратов (ВА) лесных сеялок с помощью устройств автоматического контроля, являются ученые Воронежской государственной лесотехнической академии: Пошарников Ф.В., Мартов П.С, Полупарнеев Ю.И., Алехин А.И. [75...78]. /.У./, Устройства и установки для исследования работы высевающих аппаратов в лабораторных условиях
Для научных исследований высевающих аппаратов и дозирующих систем посевных машин в лабораторных условиях применяют метод «клейкой ленты» [24, 43, 52, 79, 80], специальные стенды (установки) [24, 81...83] и отдельные регистрирующие приборов и устройства [43, 51, 84...87]. На рисунках 1.2 и 1.3 показаны приборы для регистрации подачи семян из высевающих аппаратов [88] и определения неравномерности высева семян в лабораторных условиях [89].
Самым распространенным методом, применяемым в лабораторных [51, 52, 79, 80] (а иногда и в полевых [29, 30, 39]) условиях для оценки равномерности зерновых потоков, создаваемых высевающими аппаратами (ВА), является метод «клейкой ленты», предложенный немецким ученым Фишером. По этому методу поток семян, выбрасываемый рабочим элементом ВА, попадает на разграфленную движущуюся ленту (в том случае, если движется ВА, лента закрепляется на земле под ним), покрытую не засыхающим клеем и прилипает к ней. Оценка равномерности высева семян производится по распределению зерен на 5-сантиметровых участках ленты в соответствии с нормой высева. Данный метод имеет недостатки, на которые указывают академик Лурье А.Б. и Березин В.В: «а) громоздкость лабораторной установки с движущей лентой; б) зависимость распределения семян на ленте не только от конструкции высевающего аппарата, но и от расположения аппарата (по высоте) относительно движущейся ленты; в) невозможность использования для оценки равномерности высева отдельным аппаратом в полевых условиях; г) отсутствие четких и объективных статистических оценок равномерного зернового потока; д) отсутствие ограничений (допусков) на равномерность зернового потока, создаваемого высевающим аппаратом; е) существенные расхождения между распределением семян на «клейкой лейте» и в реальных условиях функционирования высевающего аппарата» [24]. Так же при данном способе замеров возможны смещения зерен, а в случае повторных опытов на ленту нужно снова наносить клейкое вещество, что затрудняет проведение опытов [51].
Оценка равномерности потока, создаваемого высевающими аппаратами (катушечными, мотыльковыми, ннутренне-реберчатыми, дисковыми и т. п.) по объему (или массе) семян, выбрасываемых ВА за один оборот (либо долю оборота) рабочего элемента (катушки, кольца, диска и др.), исключает вышеперечисленные недостатки [24]. В качестве статистических оценок равномерности предлагается использовать числовые характеристики рабочего объема U (или массы М) аппарата, как случайного процесса: среднее значение тццмь дисперсию DC(M , среднеквадрати-ческое отклонение Ощм,, коэффициент вариации V M). длительность Рдщм) сохранения заданного допуска на отклонения рабочего объема (или массы) от среднего значения и количество Пщм) превышения допуска в единицу времени. Для реализации указанного метода разработана лабораторная установка (рисунок 1.4.)
В установке (рисунок 1.5), разработанной Устимцем В.Л., для оценки распределения рабочей массы ВЛ с ротационными рабочими элементами (катушкой, диском, кольцом и др.) вместо приемного устройства и датчика массы высеянных семян используется пластина, с закрепленным на ней пьезокристаллом (пьезодатчик), а информация записывается в коде на перфоленте [81].
В.Н. Судаченко для тех же целей предлагает использовать в лабораторных установках фотоэлементы в виде электролюминесцеитных конденсаторов (ЭЛК) [42, 43, 87]. По его мнению, несмотря на то, что фотоэлементы не могут регистрировать семена, одновременно пересекающие луч света, они наиболее просты в эксплуатации и имеют большой срок службы. Блок-схема лабораторной установки приведена на рисунке 1.6 [87]. В качестве осветителя в ней использован ЭЛК с маской, а регистрирующий прибор выполнен в виде фотоумножителя ФЭУ-17 с ограниченным полем зрения.
Алгоритм оперативного контроля высева семян сеялки и его аппаратурная реализация
Приведенный в подразделе 2.3, алгоритм контроля за выполнением ТП для СФК-1, основанный па трудах [19, 21, 25, 28, 34, 37, 109], возможно реализовать методом создания локальной конструктивно завершенной автоматизированной системы оперативного контроля [36]. Оперативность обеспечивается алгоритмом [19], предусматривающим получение основных числовых характеристик качества работы сеялки (среднего значения тч выходного процесса q(„ дисперсии Dq, среднеквадра-тического отклонения oq, коэффициента вариации Vq) и текущих значений вероятности Рд()„ ,ак сохранения заданного допуска +Дф на участках контроля длинной 1_к, м.
В разработанной автоматизированной системе оперативного контроля качества высева семян дуба черешчатого, как отмечалось в подразделе 2.3., п качестве параметра контроля был принят фактический расход семян на единицу длинны рядка -Яф(0, шт,/м. В приведенной табли це Sr iL=NK,r де N к- общее число вариант (объем ряда), кото рое соответствует количеству интервалов Д1 на участке LK. После прохождения агрегатом первого участка контроля LK, алгоритмом контроля предусматривается последовательное вычисление
Таким образом, алгоритм процесса контроля ТП расхода семян СФК-1 включает в себя два этапа. Первый этап - «настройка», второй - «работа». «Настройка» осуществляется на первых участках контроля, па которых проверяется точность настройки высевающего аппарата на заданный расход q„. «Работа» это последующий, непрерывный этап контроля качества ТП, который продолжается до тех пор, пока контролируемый расход не выйдет за поле допуска и не нарушится условие (3.2).
Для аппаратурной реализации выражений (2.37) - (2.39), (2.41) - (2.45), (3.1) -(3.2) и характеристик входящих в таблицы 3.1 и 3.2 разработаны алгоритм программы и устройство оперативного контроля на базе двух микропроцессоров [7, 8].
Автоматизированное устройство контроля качества высева (рисунок 3.2, 3.3) содержит: инфракрасный (ИК) счетчик (ИК-сенсор) количества семян 1 и блок дополнительных датчиков 2 (пути, уровней семян и удобрений и др.), подключенных через усилитель 3 к блоку микропроцессора датчиков 4. Последний через последовательный канал (RX, ТХ) соединен с блоком индикации и сигнализации 5. Электрические схемы блока индикации и сигнализации (пульта), блока датчиков, ИК-датчика семян, разводки печатной платы пульта и размещения на нем компонентов представлены в приложении К.
Специально для устройства контроля качества высева был разработан инфракрасный счетчик или ИК-сенсор количества семян (рисунок 3.9), монтируемый в разрезы семяпровода ( рисунки 3.10, 3.11). Он состоит из линейки 10 (рисунок 3.2). Линейка, содержит семь дискретных (раздельных) светодиодных инфракрасных (ИК) излучателей 1 1, подающих тонкие (1...1,5 мм) ИК-лучи 12 на такое же количество противостоящих дискретных фотоприемников (фотодатчиков) 13 [134]. Входы ИК-излучателей 11 линейки 10 соединены с выходами драйверов 14 излучателей. Входы драйверов 14 излучателей подключены к выходам блока регистрации желудей, представляющим собой микропроцессор датчиков 4. Фотодатчики 13, соединены с формирователями 15 импульсов, выходы которых подключены к входам блока микропроцессора датчиков 4. Между дискретными ИК-излучателями 11 и фотодатчиками 13 линейки 10 находится контролируемая плоскость 16.
Линейка 10 устанавливается в разрезы семяпровода. Блок микропроцессора датчиков 4 оснащен двумя портами для одновременного подключения двух линеек 10. В этом случае семена регистрируются линейками 10 независимо друг от друга, затем результаты усредняются микропроцессором датчиков 4 и передаются в блок индикации и сигнализации 5 по последовательному каналу (RX, ТХ). При этом точность можно повысить, если линейки 10 дискретных излучателей и фотодатчиков располагать во взаимно-перпендикулярных направлениях.
При данном условии линейки не будут фиксировать посторонние частицы (песок, остатки опилок и др.), встречающиеся в стратифицированных желудях и раздробленные семена, размер которых менее расстояния между двумя соседними ИК-лучами 12.
Устройство регистрации количества желудей в семяпроводе - ИК-сенсор работает следующем образом. Тактовые сигналы, вырабатываемые микропроцессором датчиков 4 (рисунок 3.2), поступают на драйверы излучателей 14 линейки 10. Драйверы излучателей 14 усиливают поступившие сигналы и сканируют их с высокой частотой через дискретные светодиодные ИК-излучатели 11, в виде тонких инфракрасных лучей, на противостоящие фотоприемники 13. Таким образом, в семяпроводе образуется контролируемая плоскость 16, образованная линейкой 10. Желуди, пролетая через плоскости контроля 16, пересекают ИК-лучи 12 улавливаемые фотоприемниками 13. При этом на выходах фотоприемников 13 образуются импульсы, поступающие на входы формирователей 15. Далее сформированные импульсы передаются в микропроцессор 4, который по каждой линейке отбирает импульсы, поступившие одновременно от смежных фотоприемников. Импульсы образованные одним фотоприемником 13 линейки 10 не учитываются, так как в этом случае луч перекрывается объектом, размер которого менее Sll(], (формула 3.3).
Количество желудей, пролетевших через семяпровод СФК-1, определяется мик ропроцессором датчиков 4 по импульсам вызванных перекрыванием лучей. Для этого в память микропроцессора 4 заложена специальный алгоритм программы (приложение Б). Суть данного алгоритма заключается в следующем. Если число смежных перекрытых лучей N Nmjn - семя не регистрируется, если Nmn N Ntna4 -фиксируется одно семя, при N Nmax — два семени.
Оригинальность ИК-сенсора количества желудей в семяпроводе заключается в том, что он имеет собственный микропроцессор, снабженный последовательным каналом для подключения к блоку индикации и сигнализации. А заложенная в микропроцессор программа по учету импульсов и расположение ИК-излучателей и фотодатчиков позволяет регистрировать точное количество желудей, проходящих через область контроля в семяпроводе, без учета раздробленных и раздавленных желудей (в нашем случае размером менее 7...8 мм). Кроме того, ИК-лучи используемые в вышеописанном сенсоре не реагируют на дневной свет.
Основные технические характеристики автоматизированного устройства оперативного контроля качества высева желудей и допустимые условия эксплуатации: микропроцессоры (датчиков и центральный) PIC 16F877-20I с корпусом DIP-40 (40 ног, из них вводов-выводов 33) и тактовой частотой 20 мГц (время исполнения 1 команды 200 наносекунд); память команд 8Кх14; оперативная память 368 кбайт; внешняя память К573РУ10 (2кбайт); дисплей DV 16210 (16 символьный, 2-х строчный); инфракрасные излучатели АЛ 160; приемники (фотодатчики) ФД320; питание 12В (0,5А). Масса не более 1,5 кг.
ИК-счетчик количества семян способен фиксировать от І до 3 желудей (максимальное количество ограничено размерами семяпровода сеялки), пролетающих одновременно через плоскость семяпровода. В предлагаемом устройстве параметром контроля качества ТП принят q(f, (шт./м) -фактический расход семян (желудей) на единицу длины рядка. В качестве основного оценочного показателя работы принята РДф1 (%) - вероятность сохранения заданного абсолютного допуска +Дф (шт./м) на отклонение фактического расхода q,, от настроечного q„ (шт./м). В основу работы устройства заложен метод допускового контроля [19], позволяющий получить оценку вероятности сохранения контролируемого параметра за определенное время (интервал) LK (м) контроля в заданном допуске. Причем ЬК Д1 N, где Д1 - интервал измерений контролируемого процесса (м), N -общее число измерений.
Программа и методика экспериментальных исследовании контрольно-регистрирующего устройства
Задачами лабораторных исследований являлись: определение точности и чувствительности ИК-сеисора количества семян, испытание контрольно-регистрирующего устройства сеялки.
Программа лабораторных исследований включала: определение параметров и основных характеристик желудей; определение точности и чувствительности ИК-счетчика семян; проверку работоспособности блока индикации и сигнализации устройства оперативного контроля высева. Кроме того, по результатам лабораторных исследований предусматривалось определение относительной погрешности измерений ИК-счетчика семян в зависимости от расхода семян, числа оборотов катушки и чистоты фракций.
Целью полевого эксперимента являлась проверка работоспособности контрольно-регистрирующего устройства СФК-1 в зависимости от режимов работы сеялки.
В программу полевого эксперимента входило определение характеристик вырубки, проверка точности и чувствительности ИК-счетчика количества семян, определение длины контрольного участка, получение числовых значений mq, о\, Vq, PAqi, др. на различных настроечных расходах q„ и частотах вращения шкат. катушки при включеным и выключеным фрезбарабане, а так же определение часовой производительности W., агрегата с системой оперативного контроля и без него.
Для решения задач, поставленных программой, использовались методики экспериментальных исследований на основе известных методов планирования эксперимента и обработки опытных данных Доспехова Б.А. [172], Веденяпина Г.В. [173], Смирнова Б.М. [174], Свиридова Л.Т. [175] и других [29,..33, 167], а так же ОСТ 70.16.4-86 [176]. Методика проведения лабораторных и полевых экспериментальных исследований предусматривала получение первичной информации пригодной для последующей обработки на ПЭВМ с помощью офисных приложений MS Excel 97 и программы статистической обработки данных Statistica 6.0 [177, 178, 179].
Объектом лабораторных исследовании служили семена дуба черсшчатого (желуди), действующий образец СФК-1 (рисунок 2.1), контрольно-регистрирующее устройство с ИК-счетчиком (ИК-сесором) количества семян. Исследования проводились с использованием желудей, высеваемых в лесных хозяйствах Саратовской области.
Перед проведением исследований определяли основные параметры желудей. Измерение размеров чистых и стратифицированных семян производилось штапгин циркулем с точностью до 0,1 мм. Было измерено 500 желудей в 3-х кратной повторносте. Вес 1 тыс. шт. измерялся на весах в 10-ти кратной повторности.
Лабораторная установка представляла собой действующую СФК-1, оборудованную системой контроля, состоящей из измерительной цепи и регистрирующей аппаратуры (рисунок 4.1). Измерительная цепь представлена датчиком пути магнитного типа (герконом) и ИК-счетчиком семян. Датчик пути был установлен на звездочке ВА (рисунок 4.2), ИК-счетчик - в основании семяпровода над сошником (рисунок 4.3),
В качестве регистрирующей аппаратуры использовался блок индикации и сигнализации устройства оперативного контроля высева семян. Эта система позволяет сразу получить информацию, поступающую отдатчика пути и ИК-счетчика семян, в цифровом виде. Описание датчика пути, ИК-счетчика и блока индикации и сигнализации приведены в разделе 3.
Точность подсчета желудей ИК-счетчиком проверялась в лабораторных условиях на различных настроечных расходах семян qH равных 5, 10, 15, 20 шт/м при частоте вращения оока высевающей катушки 0,37 и 0,55 с" .
Исследования проводились следующим образом. В бункер засыпались желуди. Под сошником устанавливался пробоотборник. Вал ВА, с помощью ручки прикрепленной к нему приводился в движение. На заданном расходе и установившейся частоте вращения катушки включалось контрольно-регистрирующее устройство. При этом ИК-счетчик, вмонтированный в основание семяпровода над сошником (рисунок 4.3) подсчитывал количество «высеваемых» желудей. Регистрация производилась на 4-х оборотах ВА, что соответствует 12-ти метровым интервалам. После этого пробоотборник отставлялся из под сошника и в нем подсчитывал ось количество желудей. Затем вычислялось среднее число семян на 1 пог.м. Результаты по пробоотборнику сравнивались с показаниями прибора и заносились в журнал лабораторных исследований (приложение В).
Полевые опыты предусматривали: проверку точности и чувствительности ИК-счетчика семян при различных расходах и скоростях движения агрегата; определение длинны участка контроля LK; получение оценок эффективности функционирования СФК-І, после прохождения очередного LK, а так же определение часовой производительности W., агрегата с системой оперативного контроля и без нее. Кроме таких характеристик процесса расхода семян как mq, Dq и Vq, для более эффективно 103
го контроля фиксировались; ДРЛф) - относительное отклонение mt) от q„, АеЛч„ - разность относительных длительностей пребывания q,j, ниже нижней -Дф и выше верхней +ДФ границ поля допуска, 8 - общую вероятность выбросов за q„, Рдчм - фактическую вероятность сохранения допуска +Дф1.
Опыты проводились в осенний (рисунки 4.4, 4.5) и в весенний (рисунок 4.6) периоды. Перед началом опытов проводилось определение характеристики участка (вырубки). Для исследований в учебно-опытном лесном хозяйстве были подобраны свежие вырубки в кварталах №42 (3,0 га), №47 (3,2) - весеннего посева, в кварталах №61 (площадь 2,4 га), №55 (2,7 га)-для осеннего посева,
Участки для полевых исследований были разбиты на зачетные гоны длинной по 300 м с 6-ти метровыми междурядьями. Зона для разворотов агрегата была принята 20 м. Пни, мешающие проходу агрегата, понижались бензомоторной пилой вровень с поверхностью почвы.
Перед каждым экспериментом производилась тарировка датчика пути. Для этого сеялка, с установленным датчиком, прокатывалась трижды по участку длинной 100 м. Показания прибора сравнивались с фактическим расстоянием и определялся коэффициент буксования Кд (по результатам опытов не превышал 4...6%). С помощью отладчика значение Кб заносилось в листинг работы датчика пути.
Далее сеялка настраивалась по общепринятой методике (ОСТ 70.5.1.-74) на заданную норму высева с использованием контрольно-регистрирующего устройства (ИК-счетчика и блока индикации и сигнализации) и без него. Время, затраченное на данную операцию фиксировалось в журнал наблюдений. Разница во времени на настройку сеялки с применением устройства оперативного контроля высева и без него составила в среднем 24 минуты.
Определение точности и чувствительности ИК-счетчика семян и проверка работоспособности блока индикации и сигнализации контрольно-регистрируюхцегоустройства сеялки
При лабораторных и полевых исследованиях использовались чистые и стратифицированные семена дуба черешчатого (желуди) 1-го класса качества, высеваемые в лесных хозяйствах Саратовской области. Данные приведенные в таблицах 5.3 и 5.4 показывают, что погрешность измерений ИК-сенсора количества семян находится в пределах 1,64...2,58%. Следует заметить, что точность снижается с увеличением и увеличением числа оборотов высевающей катушки. Заметно незначительное снижение чувствительности ИК-датчика к стратифицированным семенам, по отношению к чистым. Проведенный анализ результатов исследований позволяет сделать вывод о том, что ИК-сенсор количества семян обладает высокой точностью подсчета желудей и одинаково чувствителен как к чистым, так и стратифицированным желудям. Полевые исследования проводились на свежих вырубках в кварталах №61 и №55 учебно-опытного лесного хозяйства "Вязовское" агрегатом, состоящим из трактора МТЗ-80+СФК-1 (осенний посев) и МТЗ-82+СФК-1 (весенний посев). Точность и чувствительность ИК-датчика счета количества семян определялась абсолютными и относительными погрешностями измерений (таблицы 5.7...5.10, приложение Г).
Данные приведенные в этих таблицах показывают, что погрешности измерений ИК-счетчика желудей с выключенной фрезой меньше, чем с включенной и находятся в пределах от 1,82% (частота вращения высевающей катушки а от=0,37 с 1, фреза выключена) до 3,50% (шКі11=0,55 с"1, фреза включена). Погрешности измерений в полевых условиях несколько выше, чем в лабораторных. Так же заметна незначительная чувствительность ИК-сенсора к фракциям семян.
Анализ таблиц 5.7...5.10 позволяет сделать вывод о том, что ИК-счетчик количества желудей пригоден для использования в системах оперативного контроля расхода желудей. Зависимости средних значений среднеквадратического отклонения оч, шт/м расхода желудей от длины контрольного участка LK., м при частотах вращения aw высевающей катушки 0,37 с" и настроечном расходе q„=5 шт/м цированпых желудей от длины контрольного участка LK, м при частотах вращения шкат высевающей катушки 0,37 и 0,55 с"1 и q„ от 5 до 20 шт/м. Графики показывают, что при увеличении длины участка среднее значение оч сначала резко уменьшается, а при LK около 30 м несколько стабилизируется и при дальнейшем увеличении контрольного участка изменяется не значительно. При этом во всех опытах значения с,,, не зависимо от фракции семян, при включенном фрез-барабане несколько ниже, чем при выключенном. Следовательно, РД,[ ШК при работе фрезы будет выше (соотношение 2.57). При контроле высева по фактическому расходу q,j, (шт/м) необходимо выбирать такую длину участка контроля, которая с точки зрения оперативности контроля была бы достаточно малой, а с точки зрения точности получаемых при контроле вероятностных оценок (mq, Vq, Рд,, 1 и т.д.) -такой, чтобы дисперсия или срсднеквадра-тическое отклонение о\, расхода была наименьшей [39]. Из графиков видно, что длина зачетного участка LH при контроле фактического расхода q(j, желудей должна быть больше 30 м. Из таблиц видно, что Рдф1 к сохранения абсолютного двустороннего допуска +Дф„ шт/м колеблется в пределах 0,69...0,82. При этом следует отметить, что во всех случаях Рдф ак достигает значений 0,7...0,8 при относительном допуске па настроечный расход +рф соответствующем 20% qM, т.е. при абсолютном допуске +Аф,=1...4 (таблица 5.17). Кроме того, значения Рдч„ при работающей фрезе выше па 1,25 (при сокат=0,37 с"1)...5,26% (wKaT=0,55 с 1), чем при выключенной не зависимо от стратификации желудей (таблица 5.17, рисунок 5.2).
С целью выявить влияние факторов (число оборотов высевающей сокаг катушки, фракции семян, работы фрезы, настроечный расход qIL семян) на фактическую вероятность Рйф, 1 3 сохранения допуска нами проведен дисперсионный анализ.
Сущность дисперсионного анализа заключается в разложении общей изменчивости признака па составные части: с одной стороны на вариацию, определяемую действием изучаемого конкретного фактора, а сдругой стороны - вариацию, вызываемую случайными, неконтролируемыми в данном опыте факторами [177]. Значимость действия и взаимодействия изучаемых факторов (проверка нулевой гипотезы) оценивается по F-критсрию (критерия Фишера). Несмотря на то, что влияние фактора доказано, это не означает, что каждый вариант опыта существенно отличается от всех других. Поэтому следует установить существенность частных различий, т.е. сравнить средние значения Рдфі Ііак по вариантам опыта. Для этого сравним групповые средние при помощи LSD-теста плановых сравнений (наименьшая существенная разница НСР) в таблицах 5.22...5.25.
