Электронный научный журнал
Современные проблемы науки и образования
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,791

РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ КОРНЕПОДРЕЗЧИКА С АКТИВНЫМИ РАБОЧИМИ ОРГАНАМИ

Платонова М.А. 1
1 Воронежская государственная лесотехническая академия
Приведены результаты экспериментальных исследований корнеподрезчика с активными рабочими органами, позволяющего выращивать укрупнённые сеянцы лесных культур. Перед экспериментальными исследованиями была составлена программа и методика их проведения, включающая в себя определение тягового сопротивления в зависимости от ряда входных факторов. Обработка статистических описательных характеристик полученных опытных данных позволила установить, что в подавляющем большинстве случаев варьирование экспериментальных значений тягового сопротивления является малым. Анализ экспериментальных значений тягового сопротивления, проведённый при помощи критерия Колмогорова-Смирнова и критерия хи-квадрат, выявил, что данные распределения соответствуют закону нормального распределения. Проведённым анализом совокупности теоретических и экспериментальных зависимостей было установлено, что отличие экспериментальных результатов от теоретических вычислений составляет в среднем 10%. В целом проведенные лабораторные эксперимен-тальные исследования подтвердили работоспособность и эффективность разработанного корнеподрезчика с активными рабочими органами.
корнеподрезчик
тяговое сопротивление
эксперимент. статистика
корреляция.
1. Боровиков В. П. STATISTICA // Искусство анализа данных на компьютере для про-фессионалов.– СПб.: Питер, 2008. – 688 с.
2. Драпалюк М. В. Влияние подрезки корневой системы на морфологические характеристики сеянцев сосны обыкновенной (PINUS SYLVESTRIS) //Известия высших учебных заведений. Северо-Кавказский регион. Серия: Технические науки.– 2006. – № 3. – С. 115-117.
3. Драпалюк М. В., Снятков Е. В., Платонова М. А. Способ выращивания посадочного материала // Патент России № 2438296. 2012. Бюл. № 1.
4. Драпалюк М. В., Снятков Е. В., Платонова М. А., Платонов А. А. Корнеподрезчик //Патент Росии № 2446654. 2012. Бюл. № 10.
5. Мешалкина Ю. Л. Математическая статистика в почвоведении // Практикум.– М.: МАКС Пресс, 2008.– 84 с.
6. Платонова М. А. Математическая модель управления вибрационным процессом под-резания корней саженцев лесных культур [Электронный ресурс] // Научный журнал КубГАУ Научный журнал КубГАУ.– 2011. – № 74 (10): сайт. – URL: http://ej.kubagro.ru/2011/10/pdf/24.pdf (дата обращения 11.04.2011).
7. Попиков П. И., Юдин Р. В., Платонова М. А., Платонов А. А. Гидравлический вибра-тор // Патент России № 2433001. 2011. Бюл. № 31.
Введение

При проведении лесовосстановительных работ современной  эколого- и ресурсосберегающей технологией предусмотрена посадка саженцев или укрупнённых сеянцев лесных культур, при этом наиболее перспективным направлением производства укрупнённого посадочного материала является более длительное (до 4 лет) его выращивание в посевном отделении без перешколивания при условии выполнения определённых агроприёмов и условий.

Для формирования у сеянцев и саженцев компактной и при этом мочковатой корневой системы, хорошо сохраняющейся при выкопке, в технологии выращивания посадочного материала предусматривают специальный способ выращивания сеянцев или саженцев лесных культур - с открытой корневой системой. Такой способ формирования мочковатой корневой системы остаётся в настоящее время в Российской Федерации весьма актуальным, при этом наиболее перспективными техническими средствами, применяемыми для подрезки корней, являются корнеподрезчики с активными рабочими органами, т.к. они обеспечивают более высокое качество подрезки корней.

Цель исследования

На основании исследований [1, 2, 3] в Воронежской государственной лесотехнической академии (ВГЛТА) был изготовлен опытный экземпляр корнеподрезчика для вибрационной подрезки корней.  Для проверки адекватности основных положений математической модели, описывающей технологический процесс вибрационной подрезки корней, в почвенном канале ВГЛТА были проведены экспериментальные исследования опытного экземпляра корнеподрезчика.

Материал и методы исследования

Перед экспериментальными исследованиями была составлена программа и методика их проведения [4, 5], включающая в себя определение тягового сопротивления в зависимости от следующих входных факторов: частоты вертикальных колебаний подрезающих ножей, Гц; амплитуды колебания лезвий ножей, мм; начальной глубины резания ножей, мм; влажности почвы, %; диаметра перерезаемых корней, мм. Уровни и интервалы варьирования входных факторов приведены в таблице 1.

Таблица 1. Уровни и интервалы варьирования входных факторов

Факторы

Интервал варьирования

Уровни

варьирования

нижний

основной

верхний

X1 - частота вертикальных колебаний подрезающих ножей, Гц

4,15

16,7

21,7

25

X2 - амплитуда колебания лезвий ножей, мм

2,5

10

12,5

15

X3 - начальная глубина резания ножей, мм

40

80

120

160

X4 - влажность почвы, %

7,5

8

15,5

23

X5 - диаметр перерезаемых корней, мм

4,5

1

5,5

10

Для уменьшения влияния случайных погрешностей измерения каждый опыт при проведении эксперимента повторялся 5 раз. По окончании экспериментальных исследований по полученным данным были построены предварительные графические зависимости тягового сопротивления корнеподрезчика  (как функции времени). Пример данных графиков приведён на рисунке 1.

 а)          б)

Рисунок 1. Зависимости тягового сопротивления  от частоты вертикальных колебаний  (Гц) при амплитуде подрезания корней = 5 мм

Данные экспериментальные графики построены для нижнего (n =16 Гц) и верхнего (n =25 Гц) уровней варьирования входного фактора - частоты вертикальных колебаний n.

Первичный анализ построенных графиков позволил установить следующее. На каждом экспериментальном графике присутствует начальный участок кривой, значения тягового сопротивления на котором близки к нулю. Данный участок соответствует вступительному этапу работы корнеподрезчика, на котором вибрация рабочих органов (подрезающих ножей) уже включена, а поступательное движение тракторной тележки ещё отсутствует. Другим характерным участком, присутствующим на каждом экспериментальном графике, является участок резкого возрастания значений тягового сопротивления с нулевых (или близких к нулевым) до максимальных (или близких к максимальным) значений. Данный участок соответствует разгону тракторной тележки и началу рабочего хода корнеподрезчика. Третьим характерным участком является участок рабочего хода корнеподрезчика, значения тягового сопротивления на котором изменяются в определённом интервале в зависимости от условий подрезки корней.

Для статистической обработки экспериментальных данных наиболее важными являются данные, соответствующие рабочему ходу корнеподрезчика.

Руководствуясь стандартной методикой обработки экспериментальных данных, при помощи компьютерной программы STATISTICA 6 определялись статистические описательные характеристики полученных опытных данных [6, 7], пример которых приведён в таблице 2.

Таблица 2.  Статистические описательные характеристики зависимости тягового сопротивления РТ (Н) от частоты вертикальных колебаний n (Гц) при амплитуде подрезания корней: а) Sн = 5 мм; б) Sн = 10 мм; в) Sн = 15 мм; г) Sн = 20 мм

 

Входные факторы

Объём выборки

Среднее

Медиана

Минимум

Максимум

Дисперсия

Стандартное отклонение

Асимметрия

Эксцесс

а)

« - »

49

797,2

809,71

670,72

883,22

3264,8

57,139

-0,465

-0,587

« 0 »

134

792,64

788,85

652,81

954,60

3067,2

55,382

0,338

0,166

« + »

99

786,31

778,97

500,05

910,77

2880,2

53,667

-1,036

7,549

б)

« - »

66

800,96

801,96

677,57

930,24

3246,7

56,980

0,240

-0,531

« 0 »

52

770,84

785,12

542,66

883,42

4574,4

67,634

-1,124

1,958

« + »

66

755,28

754,77

610,66

879,33

4443,9

66,663

-0,052

-0,927

в)

« - »

56

802,50

784,66

669,08

1003,44

5785,1

76,059

0,478

-0,373

« 0 »

71

785,55

792,94

687,04

867,30

2453,5

49,533

-0,203

-0,964

« + »

71

744,20

743,34

682,44

820,70

877,1

29,616

0,356

-0,129

г)

« - »

71

819,30

816,03

754,19

889,47

904,5

30,075

0,505

-0,082

« 0 »

66

764,69

761,71

702,91

832,79

1094,5

33,084

0,205

-0,543

« + »

76

707,81

711,79

637,48

781,09

1324,4

36,393

-0,078

-0,934

Для оценки варьирования значений тягового сопротивления в относительных единицах был определён коэффициент вариации V, позволяющий сравнивать вариацию одного и того же признака у разных групп объектов. Анализ расчёта коэффициентов вариации тягового сопротивления показал, что в подавляющем большинстве случаев варьирование можно считать малым (коэффициент  V < 10%). В тоже время для некоторых распределений (в основном, для зависимости тягового сопротивления от влажности) варьирование тягового сопротивления является средним (значения  находятся в интервале 10 ≤ V < 30 %).

Далее для предварительной оценки нормальности эмпирического распределения были построены гистограммы распределения значений тягового сопротивления. Для большей наглядности на гистограммы были наложены ожидаемые кривые нормального распределения, имеющие то же среднее и дисперсию, что и изучаемые переменные при соответствующих уровнях и интервалах варьирования входных факторов. Пример данных гистограмм приведён на рисунке 2.

   

Рисунок 2. Гистограммы зависимости  РТ = f(n) при амплитуде подрезания Sн = 10 мм

Предварительный анализ распределения экспериментальных значений тягового сопротивления выявил, что полученные опытные данные соответствуют нормальному закону распределения. Для более точной проверки гипотезы о нормальном распределении случайной величины был использован критерий Колмогорова-Смирнова и критерий хи-квадрат. Пример расчётных значений критериев Колмогорова-Смирнова и хи-квадрат приведён в таблице 3.

Таблица 3.  Расчётные значения критерия Колмогорова-Смирнова (К-С) и хи-квадрат для зависимости РТ = f(n)  при амплитуде подрезания корней Sн = 5 мм

 

Обозначение распределений

Гр.1Sн5-1

Гр.1Sн5-2

Гр.1Sн5-3

Гр.1Sн10-1

Гр.1Sн10-2

Гр.1Sн10-3

Гр.1Sн15-1

Гр.1Sн15-2

Гр.1Sн15-3

Гр.1Sн20-1

Гр.1Sн20-2

Критерий К-С

0,0814

0,0717

0,0957

0,0730

0,1096

0,0950

0,1105

0,0856

0,0640

0,1176

0,0662

Критерий хи-квадрат

10,405

9,923

14,049

7,388

5,694

7,098

1,108

3,358

1,686

10,613

4,774

Уровень значи-мости р

0,2154

0,2704

0,2817

0,2933

0,2580

0,3118

0,5745

0,6451

0,9461

0,2296

0,5730

Результат проверки гипотезы о нормальном распределении значений тягового сопротивления при помощи критерия хи-квадрат показал, что практически для всех распределений расчётные величины критерия хи-квадрат получены при значениях критического уровня значимости р > [р] = 0,2. Исключением (также как и при расчёте по критерию Колмогорова-Смирнова) является распределение значений тягового сопротивления Гр.4Но80-3, для которого расчётное значение уровня значимости р < [р]. Поэтому данное распределение нельзя признать соответствующим нормальному закону.

Для выявления связи между независимыми переменными (входными факторами - регрессорами) и зависимой переменной (тяговым сопротивлением) был проведён корреляционный и регрессионный анализ.

При проведении корреляционного анализа одним из наиболее важнейших показателей является величина коэффициента корреляции R. Оценка значимости  полученного уравнения регрессии, а соответственно адекватности всей модели и правильности выбора формы связи, проводилась на основе вычисления F-критерия Фишера. Примеры полученных уравнений регрессии представлены на рисунке 3.

а) б)

Рисунок 3. Уравнения регрессии для распределений: а) Гр.1Sн5;  б) Гр.1Sн10

Предварительный анализ графиков показал, что полученные регрессионные модели адекватно описывают экспериментальные данные. Пример численных результатов проведения корреляционного и регрессионного анализов приведён в таблице 4.

Таблица 4. Результаты корреляционного и регрессионного анализов

Обозначения распределений

Параметры

Коэффициент корреляции R

Коэффициент детерминации R2

Значение F-критерия Фишера Fфакт

Уровень значимости F-критерия р

Гр.1Sн5

0,8973

0,8052

16,539

0,0152

Гр.1Sн10

0,9737

0,9481

73,117

0,00102

Гр.1Sн15

0,96

0,9216

47,043

0,0023

Гр.1Sн20

0,9646

0,9113

41,102

0,0030

Гр.2Но160

0,8838

0,7802

14,206

0,0196

Гр.2Но120

0,8973

0,8052

16,539

0,0152

Гр.2Но80

0,8764

0,7681

13,25

0,0219

Гр.3Sн5

0,9627

0,9267

37,980

0,0085

Результаты корреляционного и регрессионного анализов выявили следующее.

Ввиду того, что условие  Fфакт > Fтабл  = 5,91 при малых величинах уровня значимости р было выполнено для всех распределений тягового сопротивления, то рассмотренные уравнения регрессии необходимо признать статистически значимыми при отклонении нулевой гипотезы от случайности оцениваемых характеристик.

Полученные значения коэффициентов корреляции варьируются в пределах 0,8764...0,9860, что указывает на тесную и очень тесную связь между входными и выходными параметрами.

В целом, по результатам проведённых экспериментальных исследований можно сделать следующие выводы.

  1. На основе обработки экспериментальных данных, полученных при проведении многофакторного эксперимента, были построены экспериментальные графики зависимости тягового сопротивления корнеподрезчика (как функции времени) от принятых входных факторов. Анализ построенных графиков позволил установить, что для статистической обработки экспериментальных данных наиболее важными являются данные, соответствующие рабочему ходу корнеподрезчика.
  2. Обработка статистических описательных характеристик полученных опытных данных позволила установить, что в подавляющем большинстве случаев варьирование экспериментальных значений тягового сопротивления является малым (величина коэффициента вариации V < 10 %).
  3. Анализ экспериментальных значений тягового сопротивления, проведённый при помощи критерия Колмогорова-Смирнова и критерия хи-квадрат, выявил, что данные распределения соответствуют закону нормального распределения при значениях критического уровня значимости р > [р]  = 0,2.
  4. В результате проведённого корреляционного и регрессионного анализа было установлено, что полученные уравнения регрессии являются статистически значимыми при отклонении нулевой гипотезы от случайности оцениваемых характеристик. Полученные значения коэффициентов корреляции варьируются в пределах 0,8764...0,9860, что указывает на тесную и очень тесную связь между входными и выходными параметрами.
  5. В результате проведённого анализа совокупности теоретических и экспериментальных зависимостей было установлено, что отличие экспериментальных результатов от теоретических вычислений составляет в среднем 10 %.
  6. Лабораторные экспериментальные исследования подтверждают работоспособность и эффективность разработанного корнеподрезчика с активными рабочими органами.

Рецензенты:

  • Тарасенко Александр Павлович, д.т.н., профессор кафедры сельскохозяйственных машин ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный аграрный университет», г. Воронеж.
  • Афоничев Дмитрий Николаевич, д.т.н., профессор, заведующий кафедрой ремонта машин ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный аграрный университет» г. Воронеж.

Библиографическая ссылка

Платонова М.А. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ КОРНЕПОДРЕЗЧИКА С АКТИВНЫМИ РАБОЧИМИ ОРГАНАМИ // Современные проблемы науки и образования. – 2012. – № 2.;
URL: http://www.science-education.ru/ru/article/view?id=6060 (дата обращения: 14.12.2019).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074