Методические указания к лабораторным и практическим работам по курсу «Основы технического творчества»

Работа № 1 Формы обучения и система организации технического творчества студентов инженерной специальности.

РАБОТА № 2 Планирование и проведение многофакторного эксперимента при проверке технических решений.

РАБОТА №3 «Математическая обработка результатов экспериментальной проверки технических решений»

РАБОТА № 4 «Средства измерений при проверке технических решений»
Цель работы: Изучить измерительные приборы, установки, электрические измерения механических величин при проверке технических решений


ВВЕДЕНИЕ

Повышение уровня подготовки специалистов требует творческого подхода к овладению знаниями, участия в настоящем научном исследовании. Творчество – это самодеятельность субъекта с постановкой или выбором задачи, поиском условий и способа ее решения и созданием нового. Оно подразделяется на техническое, научно-техническое и научное. Серьезная творческая работа формирует нужные качества будущих специалистов, раскрывает новые пути в науке. Наука – это динамическая система объективно истинных знаний, получаемых специальной деятельностью людей и превращаемых в непосредственную производительную силу общества. Цель науки состоит в познании законов развития природы и общества, в правильном воздействии на природу на основе использования знаний для получения полезных обществу результатов. Необходимость творческого подхода в системе образования заставляет науку развиваться более быстрыми темпами, чем любую другую отрасль деятельности. Творческий подход непосредственно сказывается на развитии высшей школы. Он предъявляет новые возросшие требования к знаниям студентов, их творческому развитию, умению находить наиболее рациональные конструкции, технологические решения. Создание в высшей школе творческой атмосферы позволяет готовить специалистов на уровне современных требований.
В настоящее время, когда развитие механизации сельскохозяйственного производства требует новых подходов и технических решений, молодые специалисты должны овладеть новейшими знаниями в области технического творчества. Это обязывает высшую школу обучать студентов методики проведения научных исследований. Современное сельскохозяйственное производство требует от специалиста умения самостоятельно ставить и решать различные принципиально новые вопросы. Поэтому творческая подготовка в ВУЗах должна быть одной из важнейших сторон обучения.
Настоящий сборник заданий и методических указаний к лабораторным и практическим работам по курсу «Основы технического творчества» вводит будущих специалистов по механизации сельскохозяйственного производства в основы технического творчества и научного поиска. В заданиях приведены основные вопросы, подлежащие изучению по конкретным темам. В методических указаниях к каждому заданию изложен материал, раскрывающий данную тему. Изложение материала подкрепляется примерами творческих решений по механизации сельскохозяйственного производства. Сборник охватывает и освещает основной комплекс вопросов по курсу «Основы технического творчества».

Работа № 1
Тема: Формы обучения и система организации технического творчества студентов инженерной специальности.

Цель работы: Изучить форму и систему организации технического творчества студентов механического факультета.

З А Д А Н И Е

Изучить:
1.    Основные направления технического творчества студентов на кафедрах механического факультета.
2.    Систему и формы технического творчества студентов.
3.    Комплексный план организации технического творчества на весь период обучения студентов механического факультета.
4.    Влияние технического творчества на формирование личных качеств студента как будущего специалиста.


СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА

1.    Квалификационная модель инженера.
2.    Система организации технического творчества студентов инженерной специальности.
3.    Формы обучения студентов техническому творчеству.
4.    Комплексный план организации технического творчества на весь период обучения студентов по специальности «Механизация сельского хозяйства».

ЛИТЕРАТУРА
1.    Чус А.В., Данченко В.Н. Основы технического творчества. - Киев: Донецк: Вища школа, 1983.-184 с.
2.    Альтшуллер Г.С. Поиск новых идей: от оформления к технологии. Кишинев, 1989.-231 с.
3.    Бабицкий Л.Ф. и др. Основы научных исследований. - Киев: Издательство НАУ, 1999.- 228 с.
4.    Бабицкий Л.Ф. Біонічні напрями розробки грунтообробних машин. К: Урожай, 1998. – 164 с.
5.    Василенко П.М., Погорелый Л.В. Основы научных исследований. Механизация сельского хозяйства. – К: Вища школа, 1985. – 266 с.
6.    Завалишин Ф.С., Мацнев М.Г. Методы исследований по механизации сельскохозяйственного производства. - М: Колос, 1982.-231 с.
7.    Основы научных исследований. Под ред. В.И. Крутова, В.В. Попова, Вища школа, 1989. - 400 с.
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
к работе № 1


Формы обучения и система организации технического творчества
студентов инженерной специальности

ВВЕДЕНИЕ
Каждый современный специалист должен не только иметь необходимую сумму фундаментальных и специальных знаний, но и овладеть навыками творческого решения практических вопросов, умением использовать в своей практической работе все то новое, что появляется в науке и практике. Все эти качества воспитываются в ВУЗе через активное участие студентов в творческой работе.
Принципиальной особенностью творческой работы в высшей школе является ее тесная связь с учебным процессом. Широкое участие студентов в научной работе, введение элементов исследовательской деятельности в различные формы учебных занятий является наиболее эффективным путем преодоления противоречия между массовым характером подготовки в ВУЗе и потребностями развития у каждого студента самостоятельности и инициативы, индивидуального почерка и творческих способностей. Научное творчество затрагивает эмоциональный строй студента. Такого рода деятельность несовместима с пассивностью, инертностью, безразличием или равнодушием. Все это подтверждает, что в формировании исследователя в ВУЗе НИРС играет исключительно важную роль, способствуя выработке у будущих специалистов не только навыков самостоятельного поиска творчества, но и активной жизненной позиции. Процесс обучения в ВУЗе все больше опирается на самостоятельную, близкую к исследовательской, деятельность студента.
Целью настоящей работы является раскрытие факторов влияния творческой работы на формирование личности студента, как будущего специалиста.

1.    Система и формы обучения студентов творческой работе.

Систематическая, целенаправленная и широко развернутая творческая работа в ВУЗах позволяет использовать новейшие научные достижения в учебном процессе, улучшает его организацию, является важным условием дальнейшего совершенствования всей системы образования в соответствии с потребностями развития экономики, науки и культуры, подготовки кадров по новым и перспективным направлениям науки и техники, вооружения будущих специалистов современными общенаучными и профессиональными знаниями. Специалист, которого сегодня готовят в высшей школе, должен находиться на переднем крае науки. Наука и образование становятся все более неотделимы друг от друга.
Формирование у студентов творческих умений и навыков, необходимых в дальнейшей практической работе, сравнительно длительный процесс. В ВУЗе это достигается варьированием методов ведения учебных занятий по специальным дисциплинам, что служит основой для выработки у студентов навыков и умений исследователя. Как специалист, владеющий навыками исследователя в своей области, студент может организовать свой труд и труд коллектива в соответствии с задачами. Рассматривая профессиограмму современного специалиста (инженера), следует отметить, что квалификационная деятельность охватывает умения и навыки, приобретаемые инженером при выполнении инженерной, научно-исследовательской, воспитательной и организационной работы (рис. 1).

Рис. 1. Квалификационная модель инженера.


Мотивами творческой деятельности студентов выступают понимание ее общественной и личной значимости, желание внести посильный вклад в решение практических и научных проблем, стремление к научному поиску, любознательность. Большинство студентов воспринимают свое участие в исследовательской работе как подготовку к будущей практической деятельности после окончания ВУЗа.
В ВУЗах наиболее распространена система научной подготовки студентов по двум направлениях – учебно-исследовательская работа (УИР) и научно-исследовательская работа (НИР). Эта система постоянно совершенствуется.
Основная задача УИР - привить всем студентам устойчивые навыки самостоятельной исследовательской работы, ознакомить их с современными методами научного познания, техникой физического эксперимента, с реальными условиями труда в лаборатории, в научном коллективе.
Студенты учатся пользоваться научным оборудованием, самостоятельно вести эксперименты, применять теоретические знания на практике. Программы указанных на рис.2 спецкурсов содержат перечень знаний, умений, навыков, необходимых для формирования личности инженера-исследователя. Для решения этой задачи необходима совокупность всех видов учебных занятий и внеаудиторных форм работы на основе применения развивающихся и проблемных методов.
Так одной из задач курса «Введение в инженерную специальность» является раскрытие содержания форм и методов, системы подготовки в ВУЗе, основ методики самостоятельной работы. В связи с этим значительное место отводится теме участия студентов в техническом творчестве.
В процессе изучения общественных и специальных дисциплин первокурсники знакомятся с системой научно-исследовательской работы в ВУЗе, принципами и методами технического творчества. Спецкурс «Основы технического творчества» вводит студентов в лабораторию научного творчества, знакомит с современными методами творческой работы, прививает исследовательские навыки и умения. Активность студентов повышается в процессе прохождения производственной практики, где студенты выступают с лекциями и докладами по результатам своих научных исследований. Кроме этого, студенты готовят рефераты с элементами научного исследования, курсовые научно-исследовательские работы и по завершению учебы в институте выполняют реальные дипломные проекты, включающие результаты технического творчества.
Обучение студентов творческой работе осуществляется по нескольким формам (рис. 3).

Рис. 3 Формы обучения творческой работе в системе НИРС.

Наиболее распространены в ВУЗах такие формы привлечения студентов к творчеству, как работа в научных кружках, в студенческих проектно-конструкторских и других бюро, в проблемных лабораториях, участие в выполнении госбюджетной и хоздоговорной тематики кафедр, в олимпиадах и конкурсах на лучшую научную работу в области естественных, технических и гуманитарных наук. Высший уровень творческой активности студентов проявляется там, где они самостоятельно ставят проблему, находят пути ее решения, выбирают из них оптимальный вариант. Задача обучения состоит в том, чтобы развить у молодого специалиста интерес к изобретательской деятельности, вызвать потребность поиска новых технических решений.


1.    Комплексный план организации технического творчества студентов.

Основные требования комплексного подхода к организации технического творчества реализуются в вузовских планах путем введения элементов творческой работы в различные виды учебного процесса: планирования НИРС во внеучебное время, установления тесной взаимосвязи основных форм НИРС, проводимых в учебное и внеучебное время, посредством использования единой темы творческой работы, согласования научных направлений кафедр и лабораторий с профилем специальностей, по которым ВУЗ готовит специалистов организаций НИРС по реальной плановой тематике ВУЗа, привлечения к организации НИРС всех кафедр и использования самых разнообразных форм работы для улучшения профессиональной и творческой подготовки будущих специалистов, совершенствования их воспитания, учета специфики ВУЗа, конкретных требований к специалисту данного профиля.
В планах по специальностям предусматривается привлечение студентов к НИРС на кафедрах общенаучных и общетехнических дисциплин, причем увязывается тематика этих исследований с профилем специальности. Большое внимание уделяется согласованию деятельности кафедр на различных курсах с тем, чтобы у студентов последовательно формировались навыки экспериментальной работы, владения методами и методиками творческой работы, умение анализировать экспериментальные данные, оформлять научную работу. В задания дипломных проектов предлагается включать исследовательский раздел, а тематику дипломных заданий формировать с учетом плановых хоздоговорных и госбюджетных НИР ВУЗа.
Из рекомендуемых типовым планом форм организации НИРС во внеучебное время наиболее широкое распространение получили студенческие научные кружки. В них работают около половины всех участников НИРС, которые, выполняя творческую работу во внеучебное время, продолжают и углубляют исследования, начатые в учебном процессе. Это позволяет рационально использовать резерв времени студентов, планируемый для творческой работы, повысить эффективность и результативность НИРС. Кроме того, типовой план предлагает широко использовать для организации проектно-конструкторской работы студентов различные студенческие объединения, конструкторские и другие бюро, привлекая к работе в них часть хорошо успевающих студентов младших курсов и значительную часть обучающихся на старших курсах.
Индивидуальный комплексный план способствует достижению органического единства форм учебной и творческой работы студента. План содействует систематической творческой работе студента, стимулирует его рост на основе поэтапного приобретения навыков исследовательской деятельности. Перспективный план на весь период обучения является также важным средством организации самостоятельной работы студента и источником информации, необходимой для управления процессом творческой подготовки будущего специалиста. План дает возможность оценивать эффективность различных форм творческой подготовки специалиста высшей квалификации.

2.    Влияние технического творчества на формирование личных качеств
студента как будущего специалиста.

Специфическая особенность творческой работы в высшем учебном заведении состоит в том, что она, как и вся деятельность ВУЗа в целом, имеет первоочередной целью обеспечить формирование творчески мыслящего, всесторонне подготовленного к практической жизни специалиста. При организации творческой работы в ВУЗах развиваются те исследования, которые обусловлены содержанием подготовки специалистов и совпадают с ее профилем. Знакомство с современной научной проблематикой расширяет кругозор у студентов, помогает им яснее представить и понять перспективы научно-технического прогресса, личное участие в исследованиях приучает студента к самостоятельности, помогает ему выработать высокую требовательность к себе, целеустремленность, собранность, организованность. Воспитание у молодежи органической потребности вести творческий поиск – характерная особенность современного стиля подготовки специалистов.
В целом можно выделить следующие важнейшие особенности творческой деятельности студентов:
а) подчиненность целей творческой деятельности учебным;
б) основными мотивами ее являются познавательные;
в) она осуществляется под руководством преподавателей и научных сотрудников;
г) в процессе творческой работы у студентов формируется профессиональная самостоятельность, способность к творческому решению практических задач с началом трудовой деятельности;
д) творческая деятельность способствует расширению сведений для успешного разрешения студентами профессиональных, организаторских и других проблемных ситуаций, которые могут возникнуть в будущем.
Показателем готовности студентов к творческой деятельности является наличие умений поиска литературного материала, самостоятельно оценивать значимость изучаемого материала, сопоставлять, сравнивать, анализировать, проявлять самостоятельность в обобщении, выводах работы, в использовании методов научного познания. Участие студентов в проектно-конструкторской работе, в обобщении передовых методов труда и практики лучших предприятий и хозяйств, развивает у молодежи творческий подход к овладению знаниями, вооружает ее исследовательскими навыками, укрепляет веру в силу науки. Органическое сочетание учебной и творческой работы в высшей школе получает дальнейшее и все более широкое развитие. Такой подход позволяет каждому студенту в той или иной мере принять участие в творчестве.
Рекомендуется развивать и такую форму творческого соревнования между студентами, как олимпиада. Олимпиада в значительной степени способствует овладению более глубокими и прочными знаниями, воспитанию у студентов любви к избранной профессии, стремления к постоянному расширению кругозора.
Благотворное влияние участия студентов в творческой работе проявляется при выполнении ими курсовых и дипломных проектов. Курсовые проекты в большинстве своем выполняются по заказам промышленных и сельскохозяйственных предприятий и содержат исследовательскую часть. Результаты выполненных реальных дипломных проектов, содержащих исследовательскую часть, внедряются в производство.
Техническое творчество студентов имеет важное значение и для дальнейшей подготовки научно-педагогических кадров. Студенческие научные кружки стали для многих ученых тем началом, которое определило их творческую судьбу. Поэтому уже сейчас возникает необходимость, чтобы в процессе НИРС осуществлялся не только подбор, но и специализация и частичная начальная подготовка по будущей специальности студентов, деятельность которых по окончании ВУЗа будет связана с научной работой. Это будет способствовать сокращению периода адаптации аспирантов и соискателей.
Практика показывает, что уровень готовности к труду выше, а период адаптации к нему меньше у выпускников тех ВУЗов, в которых студенты вовлечены в проведение научных исследований. Период адаптации у выпускников ВУЗов, занимавшихся ранее творческой работой, сокращается в 5-6 раз. Особенно ускоряется адаптация, если тема дипломного проекта связана с местом будущей работы молодого специалиста. Учебная и творческая деятельность студентов находятся в единстве и выступают как средства лучшего освоения будущей профессиональной деятельности, формирования необходимых для этого качеств и опыта.


РАБОТА № 2

Тема: Планирование и проведение многофакторного эксперимента при проверке технических решений.

Цель работы: Изучить методику планирования полного факторного эксперимента при проверке технических решений.

ЗАДАНИЕ

Изучить:
1.    Основы методики рационального планирования эксперимента.
1.1.    Цель и задачи планирования эксперимента.
1.2.    Основные принципы оптимального планирования эксперимента.
1.3.    Полный факторный и дробный факторный эксперименты.
1.3.1.    Последовательность проведения полного факторного эксперимента.
1.3.2.    Выбор цели, параметров оптимизации и независимых факторов.
1.3.3.    Сбор и анализ априорной информации.
1.3.4.    Выбор математической модели.
1.3.5.    Составление схемы проведения опытов.
1.3.6.    Построение плана полного факторного эксперимента.
1.3.7.    Проведение и статистическая оценка результатов эксперимента.


2. ОТЧЕТ
Вычертить схемы, таблицы и провести расчеты планирования, проведения и обработки результатов полного факторного эксперимента.

ЛИТЕРАТУРА
1.    Завалишин Ф.С., Мацнев М.Г. Методы исследования по механизации сельскохозяйственного производства. – М.: Колос, 1982.- 231 с.
2.    Доспехов Б.А. Методика полевого опыта. М.: Колос, 1979.-416 с.
3.    Практикум по мелиоративным машинам. Под. ред. Мера И.И. – М.: Колос, 1984. – 192 с.
4.    Винарский М.С., Лурье М.В. Планирование эксперимента в технологических исследованиях. – К.: Техника, 1975. – 168 с.

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ  к работе № 2

Планирование и проведение многофакторного эксперимента при проверке технических решений

1.Общие сведения об эксперименте
На рабочие органы машин, создаваемых в процессе технического творчества оказывают влияние одновременно несколько факторов. Колебание одного фактора служит непосредственной причиной изменения влияния других факторов на исследуемые параметры. В этом случае необходимо проводить многофакторный эксперимент. Применение для этих целей «классического способа» – изменение факторов по одному при стабилизации остальных требует проведения большого числа опытов. Такой способ исследования очень продолжителен и малоэффективен. В ряде случаев он не только затрудняет отыскание оптимальных условий, но и не позволяет решить поставленную задачу.

1.    Понятие о планировании эксперимента.
Планирование эксперимента – это средство построения математических моделей различных процессов, способ сокращения времени и средств, повышения производительности труда исследователя. С помощью планирования эксперимента можно получить математические модели, связывающие исследуемый параметр со всеми влияющими на него факторами.

3.Планирование и проведение многофакторного эксперимента.
3.1. Последовательность проведения полного факторного эксперимента.
Многофакторные эксперименты проводятся в следующей последовательности:
а) определение цели исследования и на основании этого выбор количественной характеристики цели – параметра оптимизации, а также факторов, влияющих на объект исследования;
б) сбор и анализ априорной (доопытной) информации об исследуемом объекте;
в) выбор математической модели;
г) составление схемы проведения опытов (матрицы планирования), числа опытов, порядка их проведения;
д) проведение эксперимента;
е) обработка результатов эксперимента с использованием статистических методов и регрессионного анализа;
ж) интерпретация результатов эксперимента, т. е. проверка соответствия математической модели выдвинутой гипотезе.
Рассмотрим все этапы проведения многофакторного эксперимента на примере исследования процесса очеса риса на корню. Технологическая схема очесывания риса представлена на рисунке 1.
3.1.1. 1 этап. Выбор цели, параметра оптимизации и независимых факторов.
При проведении многофакторного эксперимента можно ставить две цели (задачи):
а) интерполяционную – когда требуется установить только существующую связь между параметром оптимизации и факторами;
б) оптимизационную – когда необходимо найти условия состояния объекта, при которых параметр оптимизации достигает экстремального значения
( МАХ или MIN ).
Выбираем первую задачу – интерполяционную.
На технологическом процессе очеса риса на корню влияют следующие независимые факторы (рис. 2):
- угловая скорость очесывающего барабана;
H - величина погружения очесывающих пальцев в стеблестой;
V - поступательная скорость агрегата;
- зазоры между пальцами;
U - скорость всасывающего воздушного потока;
d - диаметр барабана и др.
Влияют на технологический процесс также нерегулируемые факторы:
Q - урожайность;
w - влажность;
C - соломистость и др.
Выходными параметрами или параметрами оптимизации при очесе риса на корню (а также при уборке зерновых) являются:
а) P - процент потерь зерна;
б)  - процент дробления и обрушивания зерна;
в) q - производительность уборки, кг/с.
Таким образом, на процесс очесывания риса на корню влияют много факторов. В планировании эксперимента учитываются только независимые факторы. А чтобы исключить влияние нерегулируемых факторов опыты рандомизируют.
Количество параметров оптимизации сводят, как правило, к одному (например, потери зерна P), а остальные параметры являются ограничениями.
Количество независимых факторов также сводят к минимуму, для упрощения эксперимента, используя для этого методы отсеивания несущественных факторов ( формализация априорной информации, метод случайного баланса и др.).
3.1.2. 2 этап. Сбор и анализ априорной (доопытной) информации о технологическом процессе очеса риса.
Источниками информации об очесе риса могут быть:
а) литературные источники: книги, статьи и т.д.;
б) опыт и знания специалистов в конкретной области;
в) результаты предыдущих исследований.


По многочисленным ранее проведенным исследованиям установлено, что на потери зерна наибольшее влияние оказывают два фактора: - угловая скорость очесывающего барабана и H - величина погружения очесывающих пальцев в стеблевую массу.
3.1.3. 3 этап. Выбор математической модели.
Когда неизвестен механизм протекания процесса в «черном ящике» аналитическое выражение функции отклика также неизвестно. Поэтому описывают функцию отклика уравнением регрессии вида:

где x  и x   - значения факторов;
b  - свободный член, равный выходу при x  = 0;
b  -коэффициент регрессии соответствующих факторов на изучаемый объект;
b -коэффициент регрессии соответствующих факторов двойного взаимодействия.
Для нашего примера с двумя факторами x =  и x  уравнение регрессии будет иметь вид:

Для трех факторов x  x  x :
Y= b0 +b1 x1 +b2 x2 +b3 x3 +b1,2 x1x2+b1,3x1x3+b2,3x2x3+b1,2,3x1x2x3 (3)
Коэффициенты уравнения регрессии рассчитывают по результатам эксперимента. Величина коэффициентов регрессии и знак   характеризуют данный фактор, его влияние на параметр оптимизации.
3.1.4.    4 этап. Составление схемы проведения опытов.
При планировании многофакторного эксперимента могут применяться следующие методы:
а) полный факторный эксперимент (ПФЭ);
б) дробный факторный эксперимент (ДФЭ);
в) симплексный метод;
г) отсеивающие эксперименты и др.
При планировании используем метод полного факторного эксперимента (ПФЭ) и приводим построение плана ПФЭ.
При составлении плана эксперимента назначают уровни варьирования факторов. Обычно принимают 2 уровня и обозначают их «+1» и «-1».

Таблица 1. Уровни варьирования факторов

Комбинации условий эксперимента при 3-х уровнях определяются
показательной функцией N = 2  , где n - количество факторов.
Эти комбинации условий (количество опытов) можно представить в виде таблицы сочетаний разных уровней факторов, упорядоченных по столбцам. Такая таблица называется матрицей планирования. Строки матрицы соответствуют различным опытам, а столбцы – значениям факторов.

Таблица 2. – Матрица планирования двухфакторного эксперимента типа N = 22

В матрице планирования в 1-ом столбце записываются номера опытов, которые необходимо рандомизировать (ввести случайность в последовательность их выполнения).
2-й столбец представляет собой «фиктивную» переменную x .
3-4-й столбцы образуют собственно планирование.
5-й - показывает возможность взаимодействия факторов x  и x  .
В 6-8 столбцах вносятся результаты опытов по каждой повторности.
Количество повторностей принимают в зависимости от заданной точности опытов. Обычно 3 повторности. В последнем столбце вносятся средние значения повторностей опытов (количество повторностей определяется с учетом требуемой надежности опыта).
3.1.4.    5 этап. Проведение эксперимента.
Согласно составленной рабочей матрице (с учетом рандомизации опытов) проводят эксперименты с 3-х кратной повторностью. Значение параметра оптимизации (P = Y - потери зерна), полученного в каждом опыте записываются в рабочую матрицу.

3.1.5.    6 этап. Обработка результатов эксперимента с использованием статистических методов и регрессионного анализа.
а) Расчет коэффициентов регрессии математической модели:

По формуле (5) определяются коэффициенты b , b , b  и b  уравнений регрессий

б) Подставляются полученные значения коэффициентов регрессии в уравнение (2):
у = b0 + b1x1 + b2x2 + b1,2x1x2


3.1.4.    7 этап. Проводится проверка воспроизводимости опытов, оценка значимости коэффициентов регрессии, а также проверка адекватности линейной модели:
а) проверка воспроизводимости опытов осуществляется по критерию Кохрена:

где 0,05-5%-ный уровень значимости;
fn = n - число независимых оценок опытов (количество опытов);
fu = m – 1 – число степеней свободы;

Su2 - дисперсия, характеризующая рассеяние результатов опытов; 
m - число повторностей.

Процесс воспроизводим, если выполняется неравенство по критерию Кохрена.
б) оценка значимости коэффициентов регрессии производится с помощью критерия Стьюдента:

где t(0,05; fy) – дисперсия воспроизводимости (ошибка опыта) определяется по формуле:

Полученные по расчету коэффициенты регрессии значимы, если выполняется условие по критерию Стьюдента.
в) Проверка адекватности линейной модели выполняется с помощью критерия Фишера:

где faд - число степеней свободы дисперсии адекватности;
fy - число степеней свободы дисперсии воспроизводимости;
F(0,05; fad; fy) - критерий Фишера при 5% уровне значимости;
- дисперсия адекватности:

где yu pрас – расчетное значение отклика в u-м опыте;
d - число определяемых коэффициентов модели.
Модель адекватна, если выполняется условие по критерию Фишера.
Программа компьютерной обработки к работе №2 представлена в
приложении.



РАБОТА №3

ТЕМА: «Математическая обработка результатов экспериментальной проверки технических решений»
Цель работы: Изучить оценочные показатели при математической обработке результатов экспериментальной проверки технических решений.
ЗАДАНИЕ
Изучить:
1.    Задачи и методы обработки опытных данных.
2.    Последовательность получения и обработки экспериментальных данных.
2.1    Определение минимального количества измерений.
2.2.    Оценка ряда опытных данных.
3.    Статистический анализ опытных данных.
4.    Особенности корреляционного анализа.

СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА
Привести формулы и расчеты по определению объема выборки и статистическому анализу опытных данных.

ЛИТЕРАТУРА
1.    Чус А.В., Данченко В.Н. Основы технического творчества. - Киев-Донецк: Вища школа,1983.-184 с.
2.    Румшиский Л.З. Математическая обработка результатов эксперимента. Справочное пособие. - М.: Наука, 1971. - 192 с.
3.    Веденяпин Г.В. Общая методика экспериментального исследования и обработки опытных данных. - М.: Колос, 1973. - 199 с.
4.    Х.Шенк, Теория инженерного эксперимента: Перевод с английского / Под редакцией Бусленко Н.П. - М.: Мир, 1972. – 382 с.

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
к работе № 3


Математическая обработка результатов экспериментальной
проверки технических решений

Математическая обработка и анализ результатов эксперимента при проверке технических решений включают вопросы подбора эмпирических формул и оценки их параметров, вопросы оценки истинных значений измеряемых величин и точности измерений, вопросы исследования корреляционных зависимостей, а также некоторые вопросы анализа – интегрирование, дифференцирование, интерполяция.

1. Задачи и методы обработки опытных данных.
Основной задачей обработки опытных данных является выделение из них полезной информации и представление ее в виде, удобном для анализа, теоретических обобщений и принятия решений. Методы обработки экспериментальных данных в значительной степени определяются тем, в какой форме они получены, а также задачей, для решения которой они необходимы. При проведении экспериментов и обобщении их результатов используются индуктивный и дедуктивный методы, которые неразрывно связаны между собой и дополняют друг друга.
Сопоставляя все материалы исследования, находятся и раскрываются связи, взаимодействия, функциональные зависимости факторов, выделяются главные связи, зависимости, взаимодействия и устанавливаются общие закономерности явлений. При обработке опытных данных надо стремиться как можно более разносторонне представить различные связи, отношения, не ограничиваясь нахождением средних величин.
Обработка опытных данных условно делится на три этапа.
Подготовка к обработке – оценка полученной информации, подготовка первичной документации к обработке, разработка форм, таблиц и графиков, организационная подготовка.
Основная обработка – определение оценок измеряемых величин и построение опытных зависимостей, предусмотренных программой и методикой. Сюда входит обработка осциллограмм, обработка кадров киносъемки с целью получения числовых рядов, внесение поправок в результаты измерений, исключение промахов, определение средних величин и их стандартов, заполнение таблиц, нанесение точек на графики.
Обработка в процессе анализа – обработка, определяемая методами этого анализа, направлена в основном на раскрытие сущности явлений и взаимосвязей.
Методы математической статистики используются для обработки и анализа полезной информации, представляющей собой данные типа ряда случайных чисел для определения среднего значения величины. Математическая статистика позволяет делать умозаключения о всей (генеральной) совокупности на основе наблюдений над выборочной совокупностью или выборкой. Все статистические методы основаны на теории вероятностей – науке, изучающей общие закономерности в случайных массовых явлениях различной природы.
Вся группа объектов, подлежащая изучению, называется совокупностью или генеральной совокупностью. Та часть объектов, которая проверяется или исследуется, называется выборочной совокупностью или выборкой. Число элементов в генеральной совокупности и выборке называется их объемом. Главная цель выборочного метода – по статистическим показателям малой выборки охарактеризовать, возможно, точнее всю генеральную совокупность объектов.
В результате наблюдений получаются сведения о численной величине изучаемого признака у каждого члена выборочной совокупности. Возможные значения варьирующего признака называются вариантами. Упорядочение ряда, то есть расположение вариант в порядке возрастания (или убывания), называется ранжированием. Числа, которые характеризуют, сколько раз повторяется каждое значение признака у членов данной совокупности, называются частотами признака. Сумма всех частот равна объему выборки, то есть числу членов ряда. В результате такой обработки первичных наблюдений получается так называемый вариационный ряд. Вариационным рядом называется такой ряд данных, в которых указаны возможные значения варьирующего признака в порядке возрастания или убывания и соответствующие им частоты.


2. Последовательность получения и обработки экспериментальных данных.
При постановке опыта выполняются следующие этапы:
а) проводится пассивное наблюдение процесса;
б) формулируется рабочая гипотеза;
в) проверяется гипотеза поисковым опытом и при ее подтверждении определяется минимальное количество измерений, гарантирующее требуемую точность.
2.1. Определение минимального количества измерений.
Минимальное количество измерений определяется в следующей последовательности:
- проводится предварительный эксперимент с количеством измерений, которое составляет от 20 до 50;
- вычисляются среднеарифметическое значение  и среднеквадратическое отклонение:

-    в соответствии с поставленными задачами эксперимента устанавливается требуемая точность измерений, которая должна быть не менее точности прибора. Точность измерений обычно характеризуется величиной  - среднеарифметическим значением среднеквадратического отклонения:

-    задается гарантийный коэффициент t , зависящий от точности метода:

t = 2 – 3

- определяется минимальное число измерений по формуле:

В дальнейшем в процессе эксперимента число измерений не должно быть меньше. Оценки измерений приведенным выше методом справедливы при больших выборках (n  30). Для нахождения минимального количества измерений при малых объемах выборки применяется метод, предложенный в 1908 году английским математиком В.С. Госсетом (псевдоним Стьюдент).
Количество опытов (объем выборки) с использованием коэффициентов Стьюдента определяется в следующей последовательности:
- проводятся поисковые опыты (15-25 опытов) при поддержании факторов на постоянном уровне;
- определяются среднеарифметическое значение  по формуле (1), среднеквадратическое отклонение  по формуле (2) и коэффициент вариации KB:

- задается точность измерений m, % (обычно m   5 %) при доверительной вероятности и по таблицам коэффициентов Стьюдента принимается коэффициент;
- минимальное количество измерений определяется по формуле:

Повышение точности измерений значительно увеличивает повторность опытов.

2.2. Оценка ряда опытных данных.
Полученная выборка (ряд опытных данных) оценивается в следующей последовательности:
- определяется среднеарифметическое ряда по формуле (1);
- определяется среднеквадратическое отклонение (изменчивость ряда) по формуле (2);
- производится выбор сомнительных результатов, выполняя условие:

где   - сомнительный результат.

Генеральная совокупность экспериментальных данных разбивается на группы, разряды или классы. Число классовых промежутков обычно принимается 8-12. Чем больше чисел, тем больше должно быть разрядов. Находится максимум и минимум величины среди чисел совокупности и разность между ними. Полученный промежуток варьирования разбивается на интервалы, устанавливая классовый промежуток. Группировка осуществляется в такой последовательности:
- определяется размах варьирования результатов измерения, то есть разность между наибольшим и наименьшим значением ряда изменений:

R= Хмакс. - Хмин (8)

- устанавливается число групп и размер интервала группировки:

- подготавливается таблица сгруппированного распределения частот результатов измерений. В первой колонке записывается интервал группировки, а во второй – число результатов измерений, входящих в данный интервал, то есть частоту;
- подсчитывается число данных, соответствующих по своему значению каждому интервалу группировки, и результаты записываются в соответствующие графы таблицы.
Составленная таблица называется статистическим или вариационным рядом. Графическое изображение вариационного ряда называется кривой распределения или вариационной кривой. Для построения кривой распределения на горизонтальной линии (оси абсцисс) наносятся значения интервала группировки, по вертикали (ось ординат) – численности этих значений или частота. Ступенчатый график в виде столбиков, имеющих высоту, пропорциональную частотам, а ширину, равную интервалам классов, называется гистограммой. Из гистограммы можно получить кривую распределения, соединив линией средние значения групп.
3. Статистический анализ опытных данных.
Аппарат статистической проверки гипотез применяется для контроля согласованности гипотез, относящихся к свойствам генеральной совокупности в целом, с фактическим материалом. Статистическая гипотеза – это предложения, относящиеся к виду распределения, параметрам распределения случайных величин или к характеристикам совокупности случайных величин. В качестве статистических характеристик применяют следующие.
Среднее арифметическое значение, определяемое по формуле (1), представляет собой обобщенную абстрактную характеристику всей совокупности в целом. Основное свойство средней арифметической заключается в равенстве суммы всех положительных и всех отрицательных отклонений от нее, то есть сумма центральных отклонений всех отдельных вариант от нее равна нулю.
Среднее квадратическое отклонение, определяемое по формуле (2), служит основной мерой вариации, рассеяния изучаемого признака.
Коэффициент вариации – стандартное отклонение, выраженное в процентах к средней арифметической данной совокупности. Он является относительным показателем изменчивости и определяется по формуле (5). Использование коэффициента вариации имеет смысл при изучении вариации признака принимающего только положительные значения. Изменчивость принято считать незначительной, если коэффициент вариации не превышает 10%, средней, если он выше 10%, но менее 20%, и значительной, если коэффициент вариации более 20%. Для исследований, связанных с сельским хозяйством, допускается коэффициент вариации 7-8%.
Ошибка средней арифметической тем меньше, чем меньше варьирует опытный материал и чем из большего количества измерений вычислено среднее арифметическое. Ошибка выборки выражается в процентах от соответствующей средней и называется относительной ошибкой выборочной средней:

где  - среднее квадратическое отклонение среднего арифметического значения, определяемого по формуле (3).
При изучении зависимости между двумя величинами, каждая из которых подвергается случайному рассеиванию, применяются методы корреляционного анализа. Корреляционный анализ изучает усредненный закон поведения каждой из величин в зависимости от значений другой величины, а также меру зависимости между рассматриваемыми величинами.
Сопоставляя каждому значению одной величины среднее из соответствующих значений другой величины, получается функция регрессии. В зависимости от применения теоретических или эмпирических средних значений, рассматривается теоретическая или эмпирическая регрессия. Функция регрессии изображается графически линией регрессии. Мера зависимости между величинами характеризуется коэффициентом корреляции или корреляционными отношениями. Корреляция между величинами называется линейной, если обе функции регрессии линейны. В этом случае линии регрессии превращаются в прямые регрессии. Условные коэффициенты этих прямых выражаются через коэффициент корреляции, который служит также мерой линейной зависимости между величинами. Коэффициентом корреляции между случайными величинами называется математическое ожидание произведения их нормированных отклонений. Коэффициент корреляции представляет собой безразмерную величину, его абсолютная величина не превосходит единицы. Равенство коэффициента корреляции нулю означает отсутствие линейной зависимости, но не исключает зависимости нелинейной. Чем ближе коэффициент корреляции к единице, тем теснее линейная зависимость между величинами. Равенство коэффициента корреляции единице означает функциональную линейную зависимость между величинами.
Рассматривая производительность тракторного агрегата, определим оценочные статистические показатели. Сменная производительность тракторного агрегата определяется по формуле:

Wсм = 0,1B•V•T,                    (11)

где В – рабочая ширина захвата агрегата, м;
V - рабочая скорость движения, км/ч;
T - чистое сменное время, ч.
Результаты проведенных десяти опытов, в соответствии с вариантами задания, заносятся в таблицу 1.

Таблица 1.- Исходные данные для определения производительности тракторного агрегата

Величины исходных данных для заполнения таблицы 1, в соответствии с вариантами задания, приведены в таблицах 2, 3, 4. По этим данным в каждой повторности рассчитывается сменная производительность тракторного агрегата и ее оценочные статистические показатели.
Программа компьютерной обработки к работе №3 приведена в приложении.

РАБОТА № 4

Тема: «Средства измерений при проверке технических решений»
Цель работы: Изучить измерительные приборы, установки, электрические измерения механических величин при проверке технических решений

ЗАДАНИЕ

Изучить:

1.    Основные средства измерений механических величин.
2.    Установки и оборудование для проведения лабораторных исследований.
3.    Измерение механических величин пружинными самопишущими приборами и гидравлическими динамографами.
4.    Тензометрические методы измерений.
4.1.     Принцип преобразования механических величин в электрические.
4.2.     Основные типы датчиков и их устройство.
4.3.     Регистрация результатов измерений приборами.
5. Тарировка датчиков и приборов.


СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА

1.    Общее устройство и схема измерения сил тяговым гидравлическим динамографом.
2.    Принципиальная схема преобразования механической величины в электрическую.
3.    Особенности устройства датчиков усилий, линейных ускорений, перемещений и скоростей.
4.    Общее устройство тензометрических усилителей, схема и процесс работы шлейфового осциллографа.
5.    Тарировка датчиков и приборов.

ЛИТЕРАТУРА
1.    Тензометрия в машиностроении. Под редакцией Макарова Р.А. – М.: Машиностроение, 1975. – 288 с.
2.    Веденяпин Г.В. Общая методика экспериментального исследования и обработки опытных данных. – М.: Колос, 1973. – 199 с.
3.    Хайлис Г.А., Ковалев М.М. Исследования сельскохозяйственной техники и обработка опытных данных. - М.: Колос, 1994. – 169 с.
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
к работе № 4



Средства измерений
при проверке технических решений


1.    Общие сведения.
При создании новых машин и изготовлении их образцов, а также при улучшении конструкций существующих устройств наряду с теоретическими обоснованиями и расчетами, большое значение имеет экспериментальная проверка работы машин и их рабочих органов в лабораторных и производственных условиях. Всякий научно-поставленный опыт сопровождается измерениями. Физические явления, на которых основываются измерения, называются принципами измерения. При проведении экспериментов измерения проводятся с помощью специально сконструированных приборов и аппаратуры, а регистрация изменения каких-либо механических параметров выполняется в зависимости от времени, перемещения или скорости.
Средства измерений – это совокупность технических средств, имеющих нормированные погрешности, которые дают необходимую информацию для эксперимента. К средствам измерений относятся измерительный инструмент, измерительные приборы и установки. Измерительные средства бывают образцовые и технические. Образцовые средства являются эталонами. Они предназначены для проверки технических (рабочих) средств. Образцовые средства должны иметь большую стабильность и надежность в воспроизведении.
Измерительным прибором называется средство измерения, предназначенное для получения определенной информации об изучаемой величине в удобной для экспериментатора форме. Эти приборы состоят из двух основных узлов: воспринимающего сигнал и преобразующего в показание. По способу отсчета значения измеряемой величины приборы делят на показывающие и регистрирующие. Регистрирующие приборы бывают самопишущими и печатными.
Измерительная установка (стенд) представляет собой систему, состоящую из основных и вспомогательных средств измерений, предназначенных для измерения одной сложной или нескольких величин. Установки включают в себя различные приборы и преобразователи. Преобразователи предназначены для одно или многоступенчатого преобразования сигнала до такого уровня, чтобы можно было зафиксировать измерительным механизмом. Преобразователи, которые увеличивают в несколько раз на выходе величину без изменения его физической сущности, называются масштабными преобразователями.
Стабильность или воспроизводимость прибора – это свойство отсчетного устройства обеспечивать постоянство показаний одной и той же величины. Проверка средств измерений предусматривает определение и по возможности уменьшение погрешностей приборов. Под регулировкой прибора понимаются операции, направленные на снижение систематических ошибок до величины, меньшей допустимой погрешности. Под градуировкой прибора понимается нанесение меток на шкалу отсчитывающего устройства, по заранее известной измеренной величине. Выходные устройства разделяются на индикаторные, показания которых списываются вручную для дальнейшей обработки, и регистрирующие, показания которых регистрируются (записываются) на бумажный, магнитный или другой носитель. Показания можно также регистрировать с помощью компьютера.

2.Лабораторные установки и оборудование.

Для проведения экспериментальных исследований, в соответствии с методикой, создаются специальные лабораторные установки, и подбирается соответствующее оборудование. Так исследования рабочих органов почвообрабатывающих машин в лабораторных условиях проводятся в почвенном канале. Почвенный канал представляет собой железобетонную емкость прямоугольного сечения, заполненную разрыхленной и уплотненной почвой. По верхней плоскости бетонных стенок канала проложены рельсы, по которым движется рабочая тележка под действием тягового усилия лебедки с электроприводом, коробкой передач и муфтой сцепления. Тележка соединена в передней части с приводным тросом посредством гидравлического датчика, который преобразует измеряемое тяговое усилие в жидкостное давление и передает размещенному на площадке тележки гидравлическому измерительному прибору, фиксирующему усилие при помощи стрелки пишущего аппарата. При помощи вертикальных направляющих и двух винтовых механизмов на тележке смонтирована подвижная рама, позволяющая изменять глубину хода деформаторов и рабочих органов. На подвижной раме, посредством поперечных и продольных балок, имеющих отверстия и прорези, крепятся рабочие органы. При разрыхлении почвы в канале, на раме тележки устанавливаются рыхлители. Для прикатывания почвы в задней части тележки крепится каток. Тележка имеет систему водяного увлажнения почвы, которая необходима при проведении исследований с определенной влажностью почвы и уплотнения ее до определенной плотности.
Модель рабочего органа вместе с рамой и системой датчиков образует лабораторную установку, монтируемую на рабочую тележку. Показания датчиков записываются измерительными регистрирующими приборами, закрепленными непосредственно на лабораторной установке, на тележке или вне установки. Крепление лабораторной установки к тележке предусматривает возможность ее перестановки, как в вертикальной, так и в горизонтальной плоскостях для проведения параллельных проходов модели по ширине почвенного канала.
Для исследования процесса деформации почвы рабочими органами используется малый почвенный канал, который устанавливается на тележке большого канала. Малый канал выполняется в виде ящика, размером
2,0 х 0,5 х 0,5 м и имеет прозрачную откидную стенку и боковины. Прозрачная стенка изготовляется из плексигласа толщиной 0,10 – 0,15 м. Для проведения исследований канал наполняется почвой или песком. На боковой поверхности почвы (или песка) при открытой прозрачной боковине меловым порошком через трафарет наносятся вертикальные и горизонтальные линии шириной 2 – 3 мм через каждые 0,05 м. Покрывается тонким слоем трансформаторного масла открытая внутренняя сторона плексигласа, после чего боковина плотно закрывается. Открывается причелочная сторона малого канала и подводится к модели рабочего органа, жестко закрепленного посредством стойки на перекладине. Модель рабочего органа боковой поверхностью вплотную подводится к прозрачной стенке канала и закрепляется. Устанавливается необходимая глубина обработки. Включается осветительная аппаратура и устанавливается видеокамера (кинокамера), подготовленная к съемке. На приводной станции большого почвенного канала устанавливается необходимая скорость движения тележки. После подготовки опыта включается привод тележки и скоростной кинокамерой на кинопленку снимается процесс деформации почвы или песка. Характер протекания процесса деформации почвы или песка устанавливается дешифровкой кинопленки с получением кинограмм. Для скоростной киносъемки используются скоростные кинокамеры СКС-1М и СКС-2М с частотой кадров до 4000 кадров-с и отметчиком времени с частотой 50 Гц. Напряжение питания до 24 В. При исследованиях может пользоваться фотографирование, съемка цифровой камерой и видеосъемка с применением выпускаемой промышленностью фото- и видеоаппаратуры.

3. Пружинные самопишущие приборы и гидравлические
динамографы

Действие пружинных приборов при измерении сил основано на использовании упругих свойств пружин, которые являются чувствительными элементами этих приборов. Измеряемая сила, приложенная к пружине, вызывает ее упругую деформацию. Деформация пружины, соответствующая измеряемой силе, передается обычно при помощи механических передач регистрирующему самопишущему устройству. В зависимости от типа устройства и передаточного числа этих передач деформация пружины может быть записана с увеличением или без увеличения. Увеличение небольших перемещений силоизмерительной пружины при помощи механической передачи позволяет увеличить точность записи. Такие приборы называются пружинными динамометрами с записывающими устройствами или пружинными динамографами.
Силоизмерительным элементом динамографа В.П. Горячкина служит винтовая пружина, работающая на сжатие. Сила действует на пружину через серьгу, прикрепленную к раме прибора, шток и подвижную опорную шайбу. Деформация пружины под действием силы отмечается карандашом, связанным с подвижной шайбой, на движущейся бумажной ленте, которая протягивается с постоянной скоростью между двумя барабанами. Неподвижный карандаш чертит на бумаге нулевую линию, параллельную краю бумаги и соответствующую положению карандаша при нулевой деформации пружины. По полученной динамограмме сила в каждый момент движения может быть определена как ордината динамограммы (считая от нулевой линии) в точке, соответствующей рассматриваемому моменту движения. Масштаб устанавливается при тарировке динамографа. Погрешность показаний до 3% из-за трения в направляющих и действия поперечных сил от искривления пружины при сжатии. Используя гидравлическое звено динамографа, и преобразователь показания можно выводить на монитор персонального компьютера. Для измерения вращающих моментов используются приборы, действие которых также основано на использовании упругих свойств пружин, но расположенных таким образом, что сила их сжатия или растяжения зависит от угла поворота одной части прибора по отношению к другой. Этот угол поворота пропорционален вращающему моменту. Его изменение регистрируется пишущей иглой на движущейся ленте, на которой получается диаграмма вращающего момента. Такие приборы называются пишущими пружинными ротационными динамометрами или пружинными ротационными динамографами. Пружинные динамографы и ротационные пружинные динамографы, как и все пружинные приборы, обладают большой инерционностью. Пружины подвержены упругому последействию, гистерезису, их упругие свойства зависят от длительности эксплуатации. При измерении и записи усилий и вращающих моментов, имеющих высокую динамичность, эти приборы не обеспечивают достаточного быстродействия и точной записи процесса изменения измеряемой величины.
В гидравлических динамометрах с регистрирующими устройствами применяются гидравлические датчики, которые преобразуют измеряемую силу в жидкостное давление. Давление жидкости передается гидравлическому измерительному прибору, который фиксирует его при помощи стрелки пишущего аппарата. Для измерения тягового усилия сельскохозяйственных орудий используется гидравлический динамограф, который состоит из датчика, непосредственно воспринимающего тяговую нагрузку, и отдельно расположенного регистрирующего устройства. Гидравлический датчик состоит (рис. 1) из цилиндра 1 с поршнем 2, причем шток поршня пропущен сквозь дно цилиндра и прочно связан со скобой. С другой стороны цилиндр прикрыт крышкой со скобой. Небольшая пружина связывает поршень 2 с неподвижной крышкой и служит для разгрузки поршня от силы трения при обратном его ходе, когда имеет место разгрузка тягового звена от растягивающего усилия. Объем кольцевого пространства в цилиндре 1, ограниченный днищем поршня, заполняется жидкостью (обычно касторовым маслом). Эта полость при помощи шланга 3 соединена с полостью другого цилиндра 4, в котором помещен плунжер 5, подвешенный на пружине 6. Эта пружина позволяет измерить давление, возникающее под первым поршнем 2, под действием усилия Р. Измерение осуществляется регистрированием деформации (вытяжки) пружины 6 на бумажной ленте, закрепленной на барабане 8. Барабан 8 регистрирующего устройства, вращаемый при помощи винтовой передачи, принимает на себя бумажную ленту, которая подается с катушки и натягивается другим барабаном. Рычаг 7, поворотный около неподвижной оси и принадлежащий механизму для регистрации вытяжки пружины 6, несет на себе карандаш, записывающий на бумажной ленте кривую, в некотором масштабе представляющую изменение тяговых усилий. При помощи гаек подвижный карандаш можно подвести к нулевой линии, отмечаемой на той же ленте неподвижным карандашом. Для ориентировочных расчетов можно пользоваться готовым масштабом со шкалой усилий 10. С этой целью рычаг 7 сделан с удлиненным концом в форме стрелки 9 и служит указателем, отмечающим на шкале 10 соответствующее усилие.
В тяговом динамографе поршневого типа (рис. 1) измеряемая сила Р при помощи цилиндра 1 и поршня 2 создает давление в жидкости, которое передается по шлангу 3 в цилиндр 4 регистрирующего прибора. Плунжер 5 под давлением жидкости растягивает измерительную пружину 6, деформация которой, пропорциональна силе, увеличивается рычагом 7, записывается в виде динамограммы на ленте барабана 8 и фиксируется стрелкой 9 по шкале 10. Погрешность тяговых гидравлических динамографов составляет 1,0-1,2%.
Гидравлические самопишущие приборы имеют ряд преимуществ по сравнению с пружинными: регистрирующие приборы могут быть установлены в кабине энергетического средства и связаны гибкими шлангами с силовой частью прибора; можно изменять диапазон измерения путем смены измерительной пружины; можно применять демпфирование при неравномерной нагрузке. Однако гидравлические приборы также обладают инерционностью. Поэтому для измерения и записи процессов, характеризуемых высокой динамичностью, применяются безинерционные электроизмерительные приборы.

4.    Тензометрические методы измерений.

Тензометрирование сельскохозяйственных машин, механизмов и технологического оборудования применяется для оценки напряженно-деформированного состояния элементов, деталей и узлов при эксплуатационных режимах работы. Методы тензометрии основаны на изучении и измерении деформаций, что в большинстве случаев дает возможность оценить напряженное состояние. Название тензорезисторов произошло от латинского слова tenso – растягиваю. Действие тензорезисторов основано на принципе изменения сопротивления металлов и полупроводников под действием деформаций.



4.1.Преобразование механических величин в электрические.

Структурная схема большинства электрических приборов для измерения механических величин включает преобразователь, усилитель и измерительное устройство, соединенные с источником питания. Преобразователь служит для восприятия измеряемой входной величины (силы, давления и др.) и преобразования ее в сигнал, удобный для последующей обработки (передачи ее на расстояние по проводам, усиления, измерения или регистрации). Усилитель, а также источник питания не являются необходимой частью измерительного устройства. Эти устройства могут отсутствовать, например, при измерении скорости с помощью тахогенератора и чувствительного гальванометра.
Неэлектрические величины, преобразованные в электрические (напряжение, силу тока), измеряются показывающими стрелочными и цифровыми приборами, осциллографами и магнитографами. Измерительное устройство может быть оборудовано как регистрирующими, так и показывающими приборами. Один из основных элементов измерительного устройства – преобразователь механической величины в электрическую. По принципу действия преобразователи делятся на две основные группы: активные, или генераторные, и пассивные, или параметрические. В активных преобразователях измеряемая величина непосредственно преобразуется в электрический сигнал (пьезоэлектрические и индукционные преобразователи). В пассивных преобразователях измеряемая величина оценивается изменением сопротивлений, емкостей, частоты. Наиболее часто применяется промежуточное преобразование, где измеряемая величина сначала преобразуется в деформацию упругого элемента, а последняя приводит к изменению электрического сопротивления.
Для измерения одной и той же величины могут быть использованы датчики, основанные на различных принципах преобразования. При исследовании сельскохозяйственных машин преимущественно используются в качестве преобразователей тензорезисторы. Они имеют ряд преимуществ: малые размеры, возможность измерения статических и динамических деформаций, быстро протекающих процессов, возможность питания постоянным током.


4.2. Датчики.

Электрические сигналы при измерениях снимают с датчиков, то есть конструктивно законченных преобразователей, предназначенных для выполнения определенной функции. Входная величина преобразуется в промежуточную деформацию упругого элемента датчика, а последняя вызывает изменение сопротивления тензопреобразователя, установленного на деформируемом участке упругого элемента. Преобразователи могут устанавливаться как на самой детали, подвергающейся действию силы или момента, так и на специальных упругих элементах в виде балки, стержня, цилиндра или кольца, деформирующимися пропорционально приложенной силе и приходящими в исходное положение после снятия нагрузки. Изменение сопротивлений тензорезисторов, вызванное деформацией мало и составляет от нескольких тысячных до десятых долей Ома. В практике измерений используются проволочные, фольговые и полупроводниковые тензорезисторы. Проволочные тензорезисторы изготавливаются в виде наклеенных на тонкую бумагу или лаковую пленку зигзагообразных петель (витков) тонкой проволоки с большим удельным электрическим сопротивлением. Наиболее употребительным материалом является константановая проволока диаметром 20-30 мкм. Номинальное сопротивление выпускаемых проволочных тензорезисторов на бумажной и пленочной основе составляет от 50 до 400 Ом с длиной базы 5 – 30 мм. Коэффициент тензочувствительности серийно выпускаемых тензорезисторов ± 0,2, номинальный рабочий ток около 30 мА, максимальные допустимые относительные деформации не более 0,3%.
Фольговые тензорезисторы имеют решетку из тонких полосок фольги прямоугольного сечения толщиной 4-12 мкм, нанесенных на лаковую основу. Основное преимущество таких тензорезисторов – возможность изготовления решеток сложного профиля, которые наиболее полно отвечают условиям измерения. Так, прямоугольные решетки применяются для измерения линейных деформаций, розеточные – крутящих моментов на круговых валах, мембранные наклеиваются на мембраны. К преимуществам фольговых тензорезисторов относится также возможность повышения пропускаемого через тензорезисторы тока (из-за большой теплоотдачи) и тем самым повышения чувствительности тензопреобразователя.
Полупроводниковые тензорезисторы, по сравнению с рассмотренными выше, имеют следующие преимущества: их чувствительность в 50-80 раз выше, чем у проволочных; высокий уровень выходного сигнала в ряде случаев не требуют применения усилителя. Основным отличием полупроводниковых тензорезисторов от проволочных является большое (до 50%) изменение сопротивления тензопреобразователя при деформации. К недостаткам полупроводниковых тензорезисторов относится их малая механическая прочность и гибкость, а также разброс характеристик от образца к образцу, нелинейность характеристики.
Работа датчиков во многом зависит от качества наклейки тензопреобразователей и клея. Перед наклейкой поверхность упругого элемента тщательно очищается напильником от краски и грязи. Зачищенная поверхность должна быть 1,5-2 раза больше размеров тензорезистора. Далее поверхность дочищается наждачной шкуркой и обезжиривается с помощью очищенного бензина, а затем с помощью химически чистого ацетона и 96% этилового спирта до тех пор, пока поверхность не станет совершенно чистой. Для наклейки тензопреобразователей можно использовать бакелитно-фенольный клей. На подготовленную поверхность наносится тонкий слой клея. Одновременно тонкий слой наносится на оборотную сторону тензорезистора и
слегка просушивается. Затем на деталь наносится второй слой клея, снова слегка подсушивается и на него наклеивается, прижимая через целлофан, тензорезистор. Сушить следует в течение 30-40 минут при температуре 50-70º С. После подсыхания для уменьшения ползучести клея тензопреобразователь рекомендуется нагреть до 120-140º С в сушильном шкафу и выдержать при этой температуре 1-2 ч. При этом клей полностью полимеризуется. Если нет возможности поместить деталь в термостат, можно сушить при комнатной температуре в течение 2-3 суток. После окончательной сушки к концам проволоки припаиваются проводники из более толстой проволоки, которые служат для присоединения датчика к измерительной схеме. В качестве герметизирующих покрытий могут использоваться эпоксидные смолы, бакелитовые и другие лаки.
Для измерения сопротивлений используются, в основном, мостовые или полумостовые схемы соединения тензопреобразователей. Для исключения начальной составляющей мост измерительной диагонали равняется нулю. В практике тензометрирования применяются, в основном, неуравновешенные мосты, в которых изменение сопротивления определяется по величине разбаланса. При нагружении датчика получается двойная разбалансировка моста, так как сопротивление одного плеча моста увеличивается, а сопротивление другого плеча моста уменьшается. Стрелка подсоединенного гальванометра будет отклоняться от нулевого деления. Это отклонение будет тем больше, чем больше будет величина воздействия. Отклонение фиксируется приборами. Рассмотрим наиболее распространенные типы датчиков.
Датчик для измерения усилий представляет собой круглое или овальное кольцо с отверстиями для крепления, изготовленное из стали 65 Г и закаленное в масле. На одном из участков кольца с обеих сторон наклеены проволочные сопротивления. Когда на звено начинает действовать сила, то кольцо деформируется, и радиус кривизны кольца в месте наклейки датчиков изменяется. При этом датчики получают деформации, а, следовательно, и изменения сопротивления равных знаков. Датчик подключается к осциллографу через тензометрический усилитель.
Датчик для измерения крутящего момента работает на принципе использования не менее двух тензорезисторов под углом 90º друг к другу и под углом 45º к оси вала. Тогда при кручении вала, у одного тензопреобразователя сопротивление будет уменьшаться, а у другого – увеличиваться. Этим путем применение мостовых измерительных схем увеличивает чувствительность вдвое. Тензорезисторы включаются в сопряженные плечи электрического измерительного моста. При нагружении вала крутящим моментом происходит двойная разбалансировка моста, которая фиксируется осциллографом.
Датчик линейных ускорений состоит из плоской упругой балки с металлическими шариками на конце, которая прикрепляется к движущемуся звену, ускорение которого определяется. При движении звена с ускорением, сила инерции шарика будет изгибать балку. При малых деформациях изгиб балки будет пропорционален силе инерции и, следовательно, измеряемому ускорению. В качестве чувствительного элемента используются проволочные тензорезисторы, которые с двух сторон наклеиваются на балку. Последняя выполняется как балка равного сопротивления изгибу так, что радиус кривизны балки и относительная деформация балки при действии на нее силы инерции шарика будут постоянны по всей длине. Чтобы собственные колебания датчика не влияли на его показания, необходимо его подбирать так, чтобы частота собственных колебаний датчика была в 10-15 раз больше частоты замеряемого процесса.
Датчик линейных скоростей состоит из постоянного магнита и катушки с сердечником. Скорость измеряется, используя явление электромагнитной индукции. В поле постоянного магнита движется катушка, намотанная на изогнутый сердечник, изготовленный из мягкой стали с большой магнитной проницаемостью. Концы провода катушки непосредственно подключаются к шлейфу осциллографа, который фиксирует скорость на осциллографической бумаге.
Датчик линейных перемещений устанавливается на поступательно движущемся звене и представляет собой катушку с двумя обмотками, внутри которой перемещается железный сердечник. Сердечник жестко связан с подвижным звеном, а катушка установлена неподвижно. Первичная обмотка катушки питается напряжением переменного тока с частотой 50 гц. Напряжение вторичной обмотки зависит от того, насколько глубоко в катушку будет вдвинут сердечник. По величине напряжения вторичной обмотки определяется положение сердечника относительно катушки, которое записывается подсоединенным к ней прибором.
При проведении измерений с использованием тензометрических и других датчиков необходимо иметь соответствующую аппаратуру, приборы и инструменты, обеспечивающие выполнение работ, связанных с проверкой датчиков, испытанием и тарировкой тензометрических приборов, с измерением статических и динамических нагрузок.

4.4.    Регистрация результатов измерений приборами.

Для регистрации выходных сигналов датчиков применяются различные регистрирующие приборы: светолучевые магнитографы, самопишущие регистрирующие приборы. При усилении выходных сигналов используются усилители различных конструкций.
Тензометрический усилитель на интегральных схемах для проволочных датчиков ТММ 48 имеет четыре независимых канала усиления с тремя диапазонами усиления на каждом канале. Принцип действия прибора основан на работе моста, выполненного на тензодатчиках и усилении его выходного сигнала балансным усилителем постоянного тока. На шасси усилителя размещены элементы блока питания. К шасси крепится передняя панель, на которой смонтированы органы управления, разъемы для подключения внешних тензодатчиков и микроамперметр. С внутренней стороны панели крепятся платы усилителей и стабилизатора. На задней стенке шасси расположены разъем для подключения шлейфового осциллографа и предохранитель. К входу каждого канала усиления подключено балансировочное устройство, представляющее собой полумост, образованный из двух проволочных датчиков сопротивления. Предварительные каскады усиления каждого канала выполнены с применением интегральных схем. Выходные каскады выполнены с применением интегральных схем. Выходные каскады выполнены на транзисторах. Выходной каскад каждого канала переключателем может быть подключен либо к микроамперметру, позволяющему контролировать балансировку измерительной схемы, либо к шлейфовому осциллографу для регистрации величин механических напряжений в исследуемом объекте. При воздействии усилий на звено, в котором измеряются деформации, в мостовой измерительной схеме появляется сигнал разбаланса, который усиливается каскадами усилителя и фиксируется микроамперметрами или шлейфовым осциллографом. Электропитание усилителя ТММ - 48 осуществляется от сети переменного тока частотой 50 Гц и напряжением 220 в.
Применяемый на протяжении долгого времени при испытаниях машин усилитель 8АНЧ-7М входил в комплект тензометрической аппаратуры, предназначенной для измерения в восьми точках динамических и статических деформаций, возникающих в звеньях сельскохозяйственных машин и других конструкциях в процессах их работы. Задающими и регистрирующими элементами аппаратуры являются проволочные тензодатчики и шлейфовый осциллограф. Усилитель 8АНЧ-7М состоит из восьми однотипных усилителей, генератора несущей частоты, указателя выходного тока и блока питания. Работа одного из каналов усилителя происходит следующим образом. Датчики и обмотки выходного трансформатора усилителя мощности образуют мост, который запитывается от генератора напряжением несущей частоты (90 В, 3500 Гц) через усилитель мощности. Датчики при воздействии деформации меняют свое сопротивление, вследствие чего происходит разбаланс моста и на диагонали его появляется напряжение несущей частоты, модулированное напряжением деформации. Это напряжение усиливается усилителем и подается на фазочувствительный детектор, который выделяет сигнал модулирующей частоты (напряжение деформации). Составляющая несущей частоты задерживается фильтром. Получаемый на выходе сигнал пропорционален величине и соответствует направлению измеряемой деформации. Этот сигнал подается на шлейф осциллографа. На этот же шлейф периодически от тарировочного устройства через усилитель подается нулевой сигнал тарировки, который служит эталоном при оценке величины деформации. Генератор, усилители, реле, индикаторные лампочки и мотор тарировочного устройства запитываются напряжениями, получаемыми от блока питания. Все соединения между блоками осуществляются приданными к аппаратуре кабелями с помощью штепсельных разъемов. В аппаратуре предусмотрена возможность включать, выключать, производить тарировку и запись процессов как непосредственно с усилительного устройства, так и на расстоянии при помощи щитка дистанционного управления.
Для регистрации переменных процессов наибольшее распространение получили светолучевые осциллографы, обладающие универсальностью и быстродействием. При помощи светолучевых осциллографов на одной ленте можно одновременно записывать в достаточно широком диапазоне частот (от 0 до 10 Кгц) целый ряд исследуемых параметров, что дает возможность наглядно их изучать и сопоставлять во времени. Погрешность осциллографирования находится в пределах 1-5%. Светолучевые осциллографы характеризуются:
-    числом гальванометров, которые могут быть установлены в осциллографе;
-    числом типов гальванометров, которые могут быть использованы в данном осциллографе и гаммой их характеристик;
-    типом применяемой для регистрации фотоленты (бумажная фотолента или фотопленка, бумага, чувствительная к ультрафиолетовым лучам, для получения видимой записи без химического проявления, ширина фотопленки);
-    емкостью кассет и их типом (барабанная или ленточная емкость от 5 до 40 м);
-    диапазоном скоростей движения фотоленты;
-    длиной светового указателя;
-    типом и мощностью осветителя – лампа накаливания или ртутная лампа;
-    наличием отметчика времени и частотой отметок времени;
-    температурным диапазоном работоспособности;
-    наличием системы дистанционного управления.

Большое число применяемых светолучевых осциллографов отличаются характеристиками и конструктивными формами исполнения отдельных узлов, однако, все они построены в основном по одной принципиальной схеме и имеют три основных части: оптическую, кинематическую и электрическую.
Светолучевой осциллограф типа Н-700 имеет 14 шлейфов (вибраторов) семи типов, позволяющих регистрировать процессы с верхней частотой колебаний до 10000 Гц. Основными элементами осциллографа являются (рис. 2) источник света 1, оптические системы 2,3,5,8,9, вибратор (шлейф) 7, лентопротяжный механизм в кассете 12 которого помещена светочувствительная бумага 13 и механизм развертки 4 для визуального наблюдения регистрируемого процесса. Вибратор 7 представляет гальванометр, катушка которого в целях уменьшения момента инерции сведена к одной петле, размещенной в магнитном поле сильного постоянного магнита. К петле приклеено зеркальце 6 площадью 1 мм². Петля вибратора включается в измерительную диагональ моста. При прохождении тока через петлю, она вместе с зеркальцем скручивается на угол, пропорциональный величине тока.
Вибратор заключен в корпус, заполненный маслом для демпфирования колебаний. В корпусе вмонтирована линза 3. Луч света от лампы 1 проходит через щелевое окно ее кожуха, через линзы конденсора 2, линзу 3 и падает на зеркальце вибратора. Отраженный луч проходит через линзы 3 и 8, падает на движущуюся фотобумагу 13, где наносится осциллограмма, ординаты которой в определенном масштабе пропорциональны углу поворота зеркальца вибратора, то есть силе тока в измерительной диагонали моста. Часть светового луча, идущего от вибратора, отсекается зеркальцем 5, отражаясь от него, и падает на вращающийся многогранный зеркальный барабан 4 механизма развертки. Отраженные от зеркального барабана лучи, преломляясь, падают на матовое стекло для визуального наблюдения изучаемого процесса. Путем регулирования скорости вращения зеркального барабана изображение изучаемого процесса на матовом стекле делается неподвижным. Одновременно на движущуюся фотобумагу попадает луч отметчика времени через щелевой диск 10 и зеркало 9. Масштаб диаграммы на оси ординат выбирается в зависимости от чувствительности гальванометра. Масштаб по оси абсцисс зависит от скорости перемещения фотобумаги и фиксируется отметчиком времени. При выборе гальванометров, прежде всего, необходимо учитывать допускаемый ток.
При регистрации быстро протекающих процессов необходимо учитывать частотную характеристику гальванометра. Для неискаженной регистрации таких процессов собственная частота колебаний гальванометра должна быть в 5-10 раз выше частоты первой гармоники процесса.
Наряду со светолучевыми осциллографами, имеющими ограниченный частотный диапазон регистрируемых процессов, для измерения быстро протекающих процессов (до 100 Кгц и выше) используются электронные осциллографы, а результаты измерения фотографируются с экрана электронно- лучевой трубки. Некоторым ограничением в применении электронных осциллографов для регистрации однократных процессов является недостаточная яркость люминофора при большой скорости перемещения луча. Фотографирование с экрана электронно-лучевой трубки осуществляется либо отдельными кадрами с помощью малоформатных фотокамер (с электрической разверткой процесса во времени), либо непрерывно – при механической развертке, перемещением пленки мимо экрана.
При подготовке светолучевого осциллографа необходимо проверять освещенность всех шлейфов, работу отметчика времени, возможность перемещения «зайчиков» от гальванометров по всей шкале экрана, работу лентопротяжного механизма, исправность кнопки «съемка», исправность тумблеров, включающих шлейфы, наличие заземления. После такой проверки в соответствующие гнезда осциллографа устанавливаются гальванометры, а контакты от них присоединяются к выходам усилителя. После проверки усилителя включается отметка времени. При проведении измерений рекомендуется следующий порядок действий с аппаратурой; вставляется заряженная кассета; устанавливается скорость движения бумаги; «зайчики» от шлейфов располагаются по высоте экрана в соответствии с нумерацией гнезд и высотой скачка электротарировки; включается отметчик времени; устанавливаются диафрагмы; включаются шлейфы; включаются моторы осциллографа; включается съемка и проводятся нулевые линии; поочередным включением и выключением первых, затем вторых и третьих каналов наносится электротарировка; записываются осциллограммы; по окончании записи осциллограммы повторяется электротарировка; отключается осциллограф, отметчик времени и усилитель. Во время съемки необходимо следить за ходом записи. Построение осциллограммы (количество записей кривых на одну пленку) планируется во время составления программы испытаний.

4.5. Тарировка датчиков и приборов.

Тарировка аппаратуры проводится после ее сборки и всесторонней проверки. Тарировка проводится как поэлементная (раздельно датчик, усилитель и измерительно-регистрирующий узел) так и сквозная. Для уменьшения объема работ и погрешности рекомендуется всегда (при возможности) проводить сквозную тарировку. Тарировку надо проводить в условиях будущей работы аппаратуры. При этом строится тарировочный график, который показывает зависимость отклонения луча осциллографа или другой регистрирующей аппаратуры от величины измеряемого явления. Для тарировки тензометрических звеньев применяются специальные тарировочные приспособления. В зависимости от характера измеряемых величин тарировка может быть проведена с помощью установок статического и динамического действия. Для статической тарировки тензометрических звеньев, пружинных и гидравлических приборов используются два основных метода:
-    с применением гирь, воздействующих на тарируемое звено непосредственно через рычажную систему или через гидравлическую передачу;
-    путем сравнения показаний тарируемого тензометрического звена или другого прибора с показаниями других эталонных силоизмерительных приборов при одновременном воздействии на эти приборы некоторой силы.
Тарировка тензометрических звеньев и других приборов с точностью ± 1% от измеряемой величины может быть проведена на серийно изготовляемых машинах для испытаний материалов. Для тарировки тензометрических звеньев с большой точностью применяются специальные установки, в которых опоры рычагов выполнены на шарикоподшипниках или призмах. При статистической тарировке проводится ступенчатое нагружение тензометрического звена или тарируемого датчика. Обычно линии разгрузок не совпадают с линиями нагрузок. Чем совершеннее прибор, тем меньше его статистическая погрешность, представляющая отклонение от действительной нагрузки.
По записям на осциллограмме, пленке или ленте ступеней нагружения и разгружения строится график тарировки и определяется масштаб, как отношение истинной нагрузки данной ступени к средней ординате нагрузки и разгрузки. Во время тарировки ступенчатое нагружение и разгружение производится несколько раз. Результаты записываются в табличной форме. При тарировке датчиков относительная статистическая погрешность обычно допускается до 2-3%.
Динамическая тарировка проводится в тех случаях, когда приборы используются для измерения вибрационных и ударных процессов, а их конструкция не позволяет проводить тарировку в статическом режиме. При обработке осциллограмм используется масштаб, определенный в результате тарировки.

4.6. Измерения с применением персонального компьютера.

Для определения амплитудно-частотных характеристик колебательного процесса рабочих органов могут использоваться индуктивные датчики перемещения, регистрирующие амплитуды колебаний в различных плоскостях. Показания датчиков регистрируются при помощи компьютера. При подключении приборов для определения амплитудно-частотных характеристик рабочих органов генератор частоты переменного напряжения ГРН-3 подает переменное напряжение постоянной величины по проводникам на первичную обмотку датчика, а со вторичной обмотки – на звуковую плату компьютера. По другим проводникам подается модулируемое движением сердечника переменное напряжение. В лабораторных и полевых условиях обеспечение компьютера и датчиков электроэнергией осуществляется посредством источника бесперебойного питания Back-UPS Pro 1400 в течение четырех часов беспрерывной работы. Для электропитания датчиков используется переменное напряжение 6 В с частотой 800 Гц.
Для регистрации в полевых условиях тягового сопротивления опытных образцов почвообрабатывающих машин используется измерительная аппаратура на основе гидравлического динамографа ДТ-3, который преобразует измеряемое тяговое усилие вначале в жидкостное давление, посредством гидравлического датчика, а затем – в электрический сигнал, который регистрируется с помощью ПЭВМ IBM PS – AT. Для работы ПЭВМ IBM PS – АТ используется источник бесперебойного питания UPS KIN 1500 AP.
Применение компьютера, как регистрирующего устройства, позволяет ускорить процесс проведения экспериментальных исследований и расшифровки показаний, повысить надежность и точность замеров за счет отсутствия электромеханических узлов преобразования сигнала. При этом значительно ускоряется обработка экспериментальных данных.

РАБОТА № 4


Тема: «Определение деформационного показателя почвы»
Цель работы: Изучить деформационный показатель почвы и методику его определения в лабораторных условиях.

ЗАДАНИЕ
Изучить:
1. Теоретическое определение и физическую сущность деформационного показателя почвы, как новой обобщенной характеристики.
2. Методику определения деформационного показателя почвы.
3. Устройство и процесс работы лабораторной установки для определения деформационного показателя почвы.
4. Особенности устройства полевого прибора для определения деформационного показателя почвы.
5. Последовательность обработки деформационных диаграмм.

СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА

Обработать диаграммы по определению деформационного показателя почвы с помощью полевого прибора, привести необходимые формулы и расчеты, дать сводную таблицу результатов опытов.

ЛИТЕРАТУРА

1. Бабицкий Л.Ф. Деформация почвы в зависимости от формы рабочего органа // Вiсник сiльськогоподарськоi науки – К.: Урожай, 1978. -№ 6.-с. 84-87.
2. Шаров Н.М. Эксплуатационные свойства машинно-тракторных агрегатов. – М.: Колос, 1981. – 240 с.
3. Бабицкий Л.Ф. Бiонiчнi напрями розробки грунтообробних машин.-К.: Урожай, 1998. – 164 с.

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
к работе № 4


Определение деформационного показателя почвы

1.    Общие сведения.

При расчетах параметров рабочих органов почвообрабатывающих машин на основе изучения напряженно-деформированного состояния почвы используются показатели физико-механических свойств почвы. Характеристики деформационных свойств позволяют найти зависимость между механической силой, воздействующей на почву и деформациями, которые являются результатом воздействия этих сил на почву. Поэтому необходимо определять новую обобщенную характеристику – деформационный показатель почвы, характеризующий начальную и конечную стадии деформации почвы под воздействием рабочего органа. Деформационный показатель почвы выражает собой площадь деформатора, приходящуюся на единицу критического давления. Он позволяет непосредственно перейти от деформационных свойств почвы к форме почвообрабатывающего рабочего органа. Деформационный показатель включает в себя модуль деформации почвы и коэффициент ее бокового расширения. Методика определения деформационного показателя почвы основана на измерении области контакта и усилия погружаемого жесткого плунжера определенной формы в исследуемую среду.
При вдавливании в почву твердого тела, например, сферического штампа, сопротивление деформированию почвы изменяется в зависимости от глубины погружения этого штампа. На графике, представленном на рис. 1, по оси ОX записывается глубина погружения штампа h, а по оси Оy – сопротивление вдавливанию Р. График на рис. 1 выражает зависимость сопротивления Р. равного усилию вдавливания штампа, от глубины h погружения его в почву. При сферической форме штампа, с известным его радиусом, по глубине погружения и радиусу штампа можно определить радиус круга области контакта, а следовательно, и площадь соприкосновения сферического штампа с почвой. Деформационный показатель почвы определится как отношение площади контакта штампа с почвой к усилию, соответствующему глубине его погружения в почву, при максимальной области контакта. Среди простейших форм штампов, используемых при определении деформационного показателя почвы, наиболее приемлемым является полушаровой наконечник. При этой форме наконечника деформационный показатель почвы определяется по выражению вида:

где ν – деформационный показатель почвы,    
R – радиус полушарового наконечника, м;
h – максимальная глубина погружения наконечника в почву, м;
Р – усилие при погружении наконечника на глубину h,

Графики сопротивления вдавливанию в почву жесткого наконечника (деформационные диаграммы) можно записать при помощи специальной лабораторной установки или полевого прибора. Обрабатывая эти диаграммы, по формуле (1) определяется деформационный показатель почвы.
Для определения деформационного показателя почвы в лабораторных условиях можно использовать установку с автоматическим управлением. Лабораторная установка (рис. 2) состоит из двух частей: приводного (гидравлического) и исполнительного механизмов. Приводной механизм состоит из распределителя 1, электродвигателя 2, гидронасоса 3, золотника реверсивного с электрическим управлением 4, дросселя-расходомера 5, магнитного пускателя 6, реле электрического 7, масляного бака 8, гидроцилиндра двухходового 9, конечного выключателя 10, гидравлических шлангов 11. Приводной механизм соединен гидравлическими шлангами с исполнительным механизмом.
Исполнительный механизм (рис. 2) состоит из закрепленной на рельсах почвенного канала передвижной опорной рамы 12, с установленными на ней градуированными секторами 13, рамки гидроцилиндра 14, вертикального штока с упором и рукояткой 15, датчиков перемещения 16, скорости 17 и усилия 18, полушарового наконечника 19. Датчик перемещения 16 реохордного типа совмещен с индуктивным датчиком скорости 17 и усилия 18, полушарового наконечника 19. Измеритель перемещения реохордного типа совмещен с индуктивным датчиком скорости 17. Датчик усилия 18 кольцевого типа установлен между штоком гидроцилиндра и полушаровым наконечником. Управление внедрением наконечника в почву и его выглублением осуществляется автоматически. В лабораторную установку входит также тензоизмерительная аппаратура (осциллограф, усилитель, блок питания). Максимальная глубина внедрения наконечника в почву устанавливается на штоке 15 упором, воздействующим на конечный выключатель. Скорость внедрения наконечника в почву изменяется дросселем - расходомером 5.
Методика определения деформационного показателя почвы с помощью лабораторной установки заключается в следующем. На штоке гидроцилиндра исполнительного механизма закрепляется полушаровой наконечник 19. Упором на вертикальном штоке устанавливается необходимая глубина внедрения наконечника в почву. Над подготовленным участком почвы на рельсах почвенного канала закрепляется передвижная опорная рама 12. Дросселем – расходомером 5 устанавливается требуемая скорость внедрения наконечника в почву. Затем включается приводной механизм установки и осуществляется внедрение наконечника в почву. Переместившись на необходимую величину, упор на вертикальном штоке автоматически переключает реверсивный золотник, в результате чего происходит выглубление наконечника. Глубина погружения, усилие и скорость внедрения наконечника фиксируется осциллографом на осциллографической или фиксирующей бумаге. Величина деформационного показателя почвы определяется на основании полученных записей по приведенной выше формуле (1).
Для определения деформационного показателя почвы в полевых условиях используется прибор, не требующий источника питания (рис. 3). Базой для этого прибора служит твердомер системы Ю.Ю. Ревякина. Этот прибор отличается наличием круглого основания с двумя стойками и в качестве наконечника в нем используется полушар. Прибор состоит (рис.3) из основания 1, наконечника 2, сферической формы, установленного на плунжере 3, пружины 4, вертикальных направляющих стоек 5, параллелограмного механизма 6 с рукояткой 7, фиксирующего винта 8, записывающего устройства 9 и шкалы 10.
При определении деформационного показателя почвы этим прибором, плунжер вдавливают в почву при помощи рукоятки 7. Сопротивление почвы вдавливанию плунжера 3 с наконечником 2 через пружину 4 и параллелограмный механизм 6 передается на записывающее устройство 9, которое одновременно регистрирует (записывает на миллиметровую бумагу) глубину вдавливания наконечника и усилие. На получаемых с помощью этого прибора деформационных диаграммах по оси ОX откладывается глубина погружения полушарового наконечника, а по оси ОY – деформация пружины, пропорциональная величине прилагаемого усилия. По известным усилию, глубине погружения и радиусу полушарового наконечника, с использованием приведенной ранее формулы (1), определяется деформационный показатель почвы.
2.СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Записать при помощи полевого прибора несколько деформационных диаграмм почвы (пять – шесть), обработать полученные диаграммы и дать статистическую оценку результатов опыта.

3.ОБОРУДОВАНИЕ, ПРИБОРЫ, ИНСТРУМЕНТЫ И МАТЕРИАЛЫ.
Полевой прибор для определения деформационного показателя почвы, исследуемая почва (в почвенном канале или в полевых условиях), штангенциркуль, бумага миллиметровая.

4. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ.
4.1. Записать 5 деформационных диаграмм вдавливания полушарового наконечника в почву и получить зависимость усилия сжатия пружины полевого прибора от глубины вдавливания наконечника.
4.2. Обработать полученные диаграммы в следующем порядке, занося данные в табл. 1:
а) замерить максимальную глубину hi погружения наконечника в почву;
б) замерить ординату Yi , соответствующую глубине hi вдавливания наконечника в почву;
в) определить значение усилия взаимодействия наконечника на глубину hi , Н
Pi =Yi C (2)

где С – жесткость пружины прибора, Н / мм
г) определить деформационный показатель почвы по каждой диаграмме, :

д) определить среднее значение деформационного показателя почвы,:

где n – число диаграмм.
в) определить среднеквадратическое отклонение деформационного показателя почвы,:

Результаты расчетов заносятся в таблицу 1.

5.СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА
5.1. Краткое содержание работы.
5.2. Схемы лабораторной установки и полевого прибора для определения деформационного показателя почвы.
5.3. Деформационные диаграммы (одна в качестве примера).
5.4. Формулы и необходимые расчеты.
5.5. Таблица результатов опытов.

Программа компьютерной обработки по определению деформационного показателя почвы приведена в приложении 1.