Научный журнал
Современные наукоемкие технологии
ISSN 1812-7320
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,969

ПЛАНИРОВАНИЕ МНОГОФАКТОРНОГО ЭКСПЕРИМЕНТА «ВИБРАЦИОННЫЙ ГИДРОШИННЫЙ КАТОК - УПЛОТНЕНИЕ СНЕЖНОЙ МАССЫ»

Плохов А.А. 1 Костырченко В.А. 1 Мадьяров Т.М. 1 Мерданов Ш.М. 1
1 ФГБОУ ВО «Тюменский индустриальный университет»
В статье произведен выбор параметров, влияющих на уплотнение снежной массы, а также произведен расчет влияния факторов, которые были определены методом неполноблочных планов, в ходе которого выявлены наиболее значимые: частота и амплитуда вибрационного уплотняющего воздействия, масса и количество проходов гидрошинного катка. Для уменьшения влияния случайных ошибок работа выполнялась в одно время суток и одним исследователем. Подсчет несущей способности уплотненного дорожного основания производился путем взятия керна из уплотненной за один проход снежной массы и взвешивания его на электронных весах и замера рулеткой высоты керна. После расчетов коэффициентов регрессии была сформирована матрица планирования предварительного эксперимента, по которой выполнено натурное исследование. Результаты предварительного эксперимента необходимы для подтверждения выбора функции регрессии. Проверка адекватности математической модели выполнена при помощи коэффициента Фишера. Проверка однородности дисперсии выполнена по критерию Кохрена. Математическое описание функции отклика уравнение регрессии адекватно.
гидрошинный каток
вибрация
количество проходов
временная зимняя дорога
экспертная оценка
1. Колунина В.А., Костырченко В.А., Мадьяров Т.М. Приоритеты развития наземных транспортно-технологических комплексов в освоении континентального шельфа // Наземные транспортно-технологические комплексы и средства Материалы Международной научно-технической конференции. – 2015. – С. 147–149.
2. Карнаухов Н.Н., Мерданов Ш.М., Костырченко В.А., Мадьяров Т.М. Уплотняющая машина с дополнительным рабочим органом // Фундаментальные исследования. – 2015. – № 9–2. – С. 236–239.
3. Колунина В.А., Костырченко В.А., Мадьяров Т.М. Проектирование машины для содержания и ремонта временных зимних дорог на базе снегоболотохода «СТРАННИК» // Наземные транспортно-технологические комплексы и средства: материалы Международной научно-технической конференции. – Тюмень, 2015. – С. 150–153.
4. Костырченко В.А., Мадьяров Т.М., Мерданов Ш.М. Основные аспекты развития транспортной инфраструктуры крайнего севера // Фундаментальные исследования. – 2016. – № 3–1. – С. 31–36.
5. Мадьяров Т.М., Мерданов Ш.М., Костырченко В.А. Устройство для ремонта автозимников // Интерстроймех 2014: материалы Международной научно-технической конференции. – Самара, 2014. – С. 229–232.
6. Мадьяров Т.М., Костырченко В.А., Серебренни- ков А.А., Мерданов Ш.М. Многофункциональный термоагрегат для увлажнения снежной массы // Фундаментальные исследования. – 2015. – № 9–2. – С. 278–281.
7. Мерданов Ш.М., Костырченко В.А., Мадьяров Т.М. Анализ технологий строительства снеголедовых дорог при помощи вибрационных машин // Фундаментальные исследования. – 2016. – № 2–2. – С. 281–285.
8. Мерданов Ш.М., Костырченко В.А. Анализ технологий сооружения автозимников на болотистых основаниях // Проблемы эксплуатации систем транспорта: материалы Всероссийской научно-практической конференции. Тюменский государственный нефтегазовый университет, Институт транспорта. – 2009. – С. 203–205.
9. Мерданов М.Ш., Костырченко В.А., Мадьяров Т.М. Проектирование вибрационного катка для строительства временной зимней дороги // Наземные транспортно-технологические комплексы и средства: материалы Международной научно-технической конференции. – Тюмень, 2015. – С. 207–209.
10. Мерданов Ш.М., Иванов А.А., Смолин Н.И., Иванов А.А., Обухов А.Г., Костырченко В.А., Мерданова М.Р. Вибрационный каток // Патент РФ № 2439240, 2010.
11. Мерданов Ш.М., Карнаухов Н.Н., Иванов А.А., Мадьяров Т.М., Иванов А.А., Мерданов М.Ш. Устройство для ремонта автозимников // Патент России № 2530966, 2013.
12. Обухов А.Г., Мерданов Ш.М., Костырченко В.А., Мадьяров Т.М., Самоходный скрепер со снегоуплотняющим агрегатом // Инженерный вестник Дона. – 2014. – Т. 30. – № 2. – С. 58.
13. Серебренников А.А., Мерданов Ш.М., Мадья- ров Т.М., Костырченко В.А. Прицепной агрегат для уплотнения дорожных насыпей // Фундаментальные исследования. – 2015. – № 9–2. – С. 304–308.
14. Тихомиров В.Б. Планирование и анализ эксперимента. – М.: Легкая индустрия, 1974. – 262 с.

Многолетний опыт разработки газовых и газоконденсатных месторождений нефтегазоносной области России требует научного обобщения и интерпретации с целью не повторения ошибок при освоении новых площадей. Главными проблемами при разработке залежей являются геологические, технологические и технические причины.

К геологическим причинам относят геологическое строение продуктивных отложений, осложненное разломами (трещинами) и тектоническими нарушениями, повышенное содержание солей, парафина, серы и т.д., физико-химический состав флюида и т.д.

К технологическим причинам относят затруднения по организации нефтегазосборной сети, системы заводнения залежи, работы промысловых бригад и специалистов, контроля за разработкой углеводородов и т.д.

К техническим причинам относят сложность организации инфраструктуры нефтегазодобывающего промысла (проведение дорог, водо- и электроснабжения, нефте/газопровода и т.д.), в условиях болотистой или плохо проходимой местности и сложнейших климатических условий.

Хотелось бы отметить, что именно технические проблемы первыми затормаживают организацию процесса добычи углеводородов как отложенного механизма.

Необходимость освоения новых месторождений газа, формирование соответствующей инфраструктуры при сложных географических, геологических и природно-климатических условиях добычи, а также увеличение дальности пригодных транспортных развязок будут негативно сказываться на экономических показателях работы предприятий по добыче и транспортировке нефти и газа.

Одним из способов сократить экономические затраты на разработку новых месторождений, отдаленных от уже имеющихся населенных пунктов севера Ямало-Ненецкого автономного округа, является использование существующих естественных условий окружающей природы в качестве основы для прокладки качественного и стойкого (достаточно долговечного) дорожного полотна. Такими дорогами являются насыпные, снеголедяные дорожные покрытия и зимники.

Механизация строительства зимних дорог может развиваться по двум направлениям. Первое из них основано на применении специализированных машин, выполняющих одновременно (по совмещенной технологии) перемешивание и увлажнение снега, его уплотнение и рифление покрытия дорожного полотна. Второе направление состоит в использовании универсальных машин и простого навесного или прицепного оборудования, выполняющего технологические операции последовательно (по расчленённой технологии).

Специализированные машины, работающие по совмещенной технологии, не позволяют строить зимние дороги в насыпи. Для собирания снега с дорожной полосы при сооружении насыпи требуются отдельные машины – снегоочистители. Недостатком специализированных машин является также их непригодность для эксплуатационного обслуживания зимних дорог. По этим причинам общепризнаны преимущества расчлененной технологии сооружения зимних дорог и ледовых переправ.

Расчлененная (пооперационная) технология сооружения зимней дороги включает в себя различный набор операций в зависимости от конструкции полотна дороги и принятого способа его строительства.

Для эффективного уплотнения снежной массы нужно произвести поиск и выявить факторы, влияющие на этот процесс. Из анализа литературных источников и по результатам экспериментов предыдущих исследований, проводимых А.В. Шарухой, А.Л. Егоровым, Ш.М. Мердановым и др. [1–9], выделены для дальнейшего исследования следующие факторы: количество проходов установки n, ед.; масса установки – m, кг; частота колебаний вибратора – v, Гц.

Остальные факторы зафиксированы: ширина уплотняемого снежного покрова – S = 570 мм; начальная толщина снежного слоя – h = 420 мм; начальная плотность снежной массы – r = 287 кг/м2; погодные условия: температура окружающей среды Т = 0 °С, атмосферное давление р = 737 мм рт.ст., влажность воздуха – 53 %, скорость ветра Vветр = 2 м/с, направление ветра – юго-западное.

После проведения выбора параметров, влияющих на уплотнение снежной массы был произведен расчет влияния факторов, которые были определены методом неполноблочных планов [14] в ходе которого было выявлены наиболее значимые: частота и амплитуда вибрационного уплотняющего воздействия, масса и количество проходов гидрошинного катка. Значения уровней и интервалов варьирования факторов приведены в табл. 1.

Таблица 1

Значения уровней и интервалов варьирования факторов

Наименование и обозначение факторов

Уровни варьирования

Интервалы варьирования

–1

0

+1

Количество проходов установки n, ед.

1

2

3

1

Масса установки – х2, кг

420

500

580

80

Частота колебаний вибратора – х3 Гц

20

35

50

15

 

Изменение частоты колебаний вибратора обеспечивалось путем использования частотного преобразователя – iG5. Скорость движения установки регулировалась путем запасовки канатов через блоки, для увеличения тягового усилия лебедки. Масса установки регулировалась за счет нагружения или снятия дополнительного груза (мешки с песком по 40 кг).

Для уменьшения влияния случайных ошибок работа выполнялась в одно время суток и одним исследователем. Подсчет несущей способности уплотненного дорожного основания производился путем взятия керна из уплотненной за один проход снежной массы [10–13] и взвешивания его на электронных весах и замера рулеткой высоты керна. Для вычисления использовалась программа Microsoft Excel, Regress, Statistics 10. Число повторных опытов – 3.

Число возможных опытов определяют по выражению

N = pk, (1)

где N – число опытов; р – число уровней; k – число факторов.

Был произведен эксперимент типа N = 23, где число факторов k = 3, число уровней р = 2, число опытов N = 8, число повторных опытов n = 3.

Обычно оптимизируется одна функция, наиболее важная с точки зрения исследования, при ограничениях, налагаемых другими функциями. Поэтому из многих выходных параметров выбирается один в качестве параметра оптимизации, а остальные служат ограничениями. Всегда полезно исследовать возможность уменьшения числа выходных параметров. Для этого можно воспользоваться корреляционным анализом.

Полином второй степени в общем виде имеет вид

plohov01.wmf (2)

Уравнение регрессии N = 23, по которому была сформирована матрица планирования эксперимента, представленная в табл. 2.

После проведения опытов была выполнена статистическая обработка результатов. Определим ошибки повторных (параллельных) опытов.

Среднеквадратичное отклонение определяем по выражению

plohov10.wmf (3)

Данные расчетов сведены в табл. 3.

Таблица 2

Матрица планирования эксперимента N = 23

№ п/п

Матрица планирования

Рабочая матрица

Результаты параллельных экспериментов y1, y2, y3

plohov02.wmf

х0

x1

x2

x3

x1x2

x1x3

x2x3

x1x2x3

plohov03.wmf

plohov04.wmf

plohov05.wmf

plohov06.wmf

plohov07.wmf

plohov08.wmf

plohov09.wmf

Количество проходов установки х1, ед.

Масса установки – х2, кг

Частота колебаний вибратора – х3 Гц

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

21

1

1

–1

1

1

1

–1

–1

1

–1

1

1

1

–1

1

1

3

580

20

339,3

334,6

                                     

339,3

                                     

325,2

2

–1

–1

–1

–1

1

1

–1

1

–1

1

–1

1

–1

–1

1

1

580

20

396,3

395,8

                                     

395,8

                                     

395,2

3

1

1

–1

1

–1

1

1

1

–1

–1

–1

–1

–1

–1

1

3

420

20

354,5

356,4

                                     

354,5

                                     

360,2

4

–1

–1

–1

1

1

–1

1

–1

–1

–1

–1

–1

–1

1

1

1

420

20

316,0

318,1

                                     

322,3

                                     

316,0

5

1

1

1

1

–1

1

1

–1

–1

1

–1

1

–1

1

1

1

420

50

332,9

333,7

                                     

328,9

                                     

339,3

6

–1

–1

–1

1

1

1

1

–1

–1

1

1

1

1

1

–1

1

580

50

367,7

380,2

                                     

390,2

                                     

382,7

7

1

1

1

1

–1

–1

–1

–1

–1

–1

1

–1

1

1

–1

3

420

50

398,1

395,8

                                     

391,2

                                     

398,1

8

–1

1

1

1

1

1

–1

1

–1

–1

–1

–1

1

1

–1

3

580

50

426,3

428,7

                                     

428,3

                                     

431,6

Таблица 3

Данные расчетов

Номер опыта

1

2

3

4

5

6

7

8

plohov11.wmf

66,61

0,31

10,91

13,32

27,71

131,43

16,12

7,32

Si

8,16

0,54

3,30

3,64

5,26

11,46

4,01

2,07

Таблица 4

Определение брака при повторных опытах

Номер опыта

1

2

3

4

5

6

7

8

tрасч.мин

–1,16

–0,91

–0,58

–0,58

–0,92

–1,09

–1,16

–0,9

tрасч.макс

0,58

–1,03

1,16

1,16

1,07

0,87

0,58

1,07

tтабл

4,3

4,3

4,3

4,3

4,3

4,3

4,3

4,3

Для определения брака используем критерий Стьюдента:

plohov12.wmf или tрасч tтабл,

где t – критерий Стьюдента, его значение для 3 повторных опытов и доверительной вероятности 0,95 равно 4,3. Данные расчетов приведены в табл. 4.

Условие tрасч tтабл не выполняется. Дисперсия воспроизводимости рассчитывается по формуле

plohov13.wmf (4)

Из расчета получаем plohov14.wmf

Проверка однородности дисперсий выполняется по критерию Кохрена по формуле

plohov15.wmf (5)

plohov16.wmf

Для нахождения табличного значения Gтаб определяем N и f:

N = 8; f = 3 – 1 = 2; Gтаб = 0,515.

Условие Gp Gтаб выполняется, следовательно, дисперсии однородны.

Уравнение математической модели (полином 2 степени) с учетом парных взаимодействий имеет вид

plohov17.wmf

Вычисляем коэффициенты регрессии при полном факторном эксперименте по формуле

plohov18.wmf (6)

b0 = –12,77; b1 = –1,37; b2 = –16,67; b3 = 288,41; b12 = 96,43; b13 = 96,22; b23 = 20,57; b123 = –10,72; b11 = –367,93; b22 = –14,13; b33 = –87,98; b1122 = –14,15; b1133 = –76,58; b2233 = 189,45; b112233 = 61,66.

С учетом значения дисперсии воспроизводимости plohov19.wmf с доверительной вероятностью a = 0,95 находим границы доверительных интервалов для коэффициентов регрессии:

plohov20.wmf (7)

Сравнивая значения коэффициентов регрессии с границами доверительных интервалов видим, что коэффициенты b0, b1, b2, b123, b11, b22, b33, b1122, b1133 незначимы. Теперь уравнение математической модели имеет вид

plohov21.wmf

Таблица 5

Результаты расчетов

Параметр

Номер серии опыта

1

2

3

4

5

6

7

8

Сумма по всем сериям

plohov22.wmf

334,6

395,8

356,4

318,1

333,7

380,2

395,8

428,7

2943

plohov23.wmf

338,4

386,8

352,1

310,2

340,1

379,1

401,5

419,4

plohov24.wmf

–3,8

9

4,3

7,9

–6,4

1,1

–5,7

9,3

15,8

plohov25.wmf

14,2

80,1

18,6

62,4

40,6

1,3

32,2

86,7

336,1

Адекватность полученного уравнения проверяется путем вычисления теоретического значения параметра оптимизации yр, величины ошибки у = уэ – yр, результаты занесены в табл. 5.

Проверку адекватности математической модели выполняют при помощи коэффициента Фишера.

plohov26.wmf (8)

plohov27.wmf

plohov28.wmf (9)

plohov29.wmf

Определим число степеней свободы, d. f1 = 2 и d. f2 = 16. Выбираем уровень значимости = 0,95. По значениям d. f1 = 2 и d. f 2 = 16 находим критическое значение FT = 3,634.

Так как Fр FT, то математическое описание функции отклика уравнение регрессии считается адекватным.

Следующим этапом после планирования эксперимента является повторное проведение опытных исследований для уточнения и подтверждения гипотезы исследования.


Библиографическая ссылка

Плохов А.А., Костырченко В.А., Мадьяров Т.М., Мерданов Ш.М. ПЛАНИРОВАНИЕ МНОГОФАКТОРНОГО ЭКСПЕРИМЕНТА «ВИБРАЦИОННЫЙ ГИДРОШИННЫЙ КАТОК - УПЛОТНЕНИЕ СНЕЖНОЙ МАССЫ» // Современные наукоемкие технологии. – 2016. – № 5-2. – С. 286-290;
URL: http://top-technologies.ru/ru/article/view?id=35900 (дата обращения: 18.06.2019).

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 = 1.252