Evaluation of the possibility of applying the deformable polyhedron method to the problem of optimization kinematic synthesis of a flat lever mechanism

Authors: Kotov A.V., Krol D. G., Ph. D. in Phys. And Math., Assoc. Prof.

This article is a translation of the original work of the same name, which was written in Russian and published in a peer-reviewed journal. I decided to prepare and publish its English version for several reasons. First, science and engineering thinking have no language barriers. Publishing a translation is a step towards drawing attention to my research from a wider audience, including foreign colleagues, engineers and researchers who may find the proposed method useful. Second, publishing the article in English helps increase the visibility of the blog itself in foreign search engines. This means that my developments and findings are more likely to reach those who truly need them. I am open to discussion, feedback and professional dialogue with anyone who finds the topic of my research relevant. I will be glad if this material proves useful beyond the Russian-speaking audience.

Introduction. In modern mechanical engineering, four-bar linkages are widely used due to their unique combination of design and functional advantages. These mechanisms, with a minimum number of links, make it possible to realize complex trajectories of the working parts of machines through the rational selection of their geometric parameters [1]. However, due to increased requirements for the efficiency, accuracy and reliability of lever mechanisms, traditional design methods based on experience and intuition are no longer sufficient to achieve the required kinematic parameters. Therefore, optimization kinematic synthesis of lever mechanisms is becoming a key factor ensuring the competitiveness of the equipment being developed.

In educational practice, the main focus is on geometric methods of synthesis of lever mechanisms, which are clear and relatively simple, but inferior in accuracy to the solution of the problem [2]. Recently, due to the widespread introduction of mathematical packages and programming languages, there has been a significant leap in the application of numerical optimization algorithms for kinematic synthesis of lever mechanisms [3 - 7]. As a result, geometric synthesis methods are gradually receding into the background, giving way to more accurate and efficient machine algorithms.

To date, there is no universal numerical algorithm capable of effectively solving the entire spectrum of optimization problems [8]. The application of popular gradient algorithms to the problems of optimization kinematic synthesis of lever mechanisms requires large computational resources and is not always effective. At the same time, the potential of gradient-free algorithms for solving this class of problems is not fully covered in the scientific literature, which, given their high adaptability for software implementation [9], requires additional research.

Aim of the research. To evaluate the possibility of applying a multi-parameter gradient-free optimization algorithm based on the deformed polyhedron method to solve the problem of optimization kinematic synthesis of a flat lever mechanism. To provide a qualitative assessment of the use of this method when it is implemented in the mathematical package PTC MathCAD.

Гомель — Ветка на велосипеде: маршруты, впечатления и советы

Авторы: Котов А.В.

Рано или поздно каждый велосипедист, который любит кататься по родному городу, начинает задумываться о новых маршрутах. Сначала они выходят за пределы знакомых дворов и парков, потом — за черту города. И вот ты уже смотришь на карту и выбираешь, куда бы отправиться в следующие выходные.

В этом году я наконец решился на небольшое, но знаковое путешествие — из Гомеля в Ветку. Расстояние около 30–35 км в один конец. Для первой поездки в другой город — самое то (при моей крейсерской скорости по городу на велосипеде 20…25 км/ч). Тем более что в Ветке есть на что посмотреть, а дорога сама по себе уже становится частью приключения.

🗺️ Два маршрута — два настроения

Я всегда стараюсь строить маршрут так, чтобы путь туда и обратно отличался. Так интереснее, и можно увидеть больше. Для Ветки у меня сложилось два основных варианта.

Маршрут №1 (короткий и прямой)

Самый простой способ добраться: старт от пересечения улиц Советской и Малайчука (район Гомельводоканала) и дальше прямо по трассе Р-30 до самой Ветки. Дорога идет через Поколюбичи и Хальч — при желании там можно сделать остановку. Маршрут идеален для мая, когда поля вокруг цветут ярким желтым рапсом. Минус — почти вся дорога проходит по открытой местности. В жару или сильный ветер ехать тяжело (один раз я попал под встречный ветер, и скорость упала до 10 км/ч). При пересечении населенных пунктов встречаются участки с выделенными велосипедными дорожками, при движении по трассе - есть достаточное по ширине место для проезда одного велосипеда, а вот по обочине ехать не вариант – камни и песок. Заблудиться на данном маршруте не возможно - движемся все время прямо вдоль трассы.

Маршрут №2 (длиннее, но живописнее)

Начинается от улицы Луначарского и проходит по трассам Н-4102 и Р-124. В начале пути придется потерпеть: участок у Восточного обхода — с грузовиками и без велодорожки. Зато после поворота на Романовичи дорога становится свободной и ведет через лесистую местность, машин на трассе - минимальное количество, обочины нет, поэтому вся дорога идет по трассе. Здесь приятно ехать даже в жару: есть тень, защита от ветра. Идеален для осенних поездок, когда листва меняет цвет. Для данного маршрута есть шанс, хоть и не большой свернуть не туда, поэтому стоит обращать внимание на дорожные знаки или сверяться с навигатором.

Третий маршрут (через Красный Маяк, Мостище, Станки, Победу) я пока не пробовал. Но, возможно, когда-нибудь дойдут руки (точнее ноги) и до него.

Оценка возможности применения метода деформируемого многогранника к задаче оптимизационного кинематического синтеза плоского рычажного механизма

Авторы: Котов А.В., Кроль Д.Г., к.ф.-м.н., доцент

Введение. В современном машиностроении широкое применение нашли четырехзвенные рычажные механизмы благодаря своему уникальному сочетанию конструктивных и функциональных преимуществ. Данные механизмы при минимальном количестве звеньев позволяют реализовать сложные траектории движения рабочих органов машин за счет рационального выбора их геометрических параметров [1]. Однако в связи с возросшими требованиями к эффективности, точности и надежности рычажных механизмов традиционные методы проектирования, основанные на опыте и интуиции, уже с трудом позволяют достичь необходимых кинематических параметров. Поэтому оптимизационный кинематический синтез рычажных механизмов становится ключевым фактором, обеспечивающим конкурентоспособность разрабатываемой техники.

В учебной практике в основном уделяется внимание геометрическим методам синтеза рычажных механизмов, которые отличаются наглядностью, относительной простотой, но уступают в точности решения поставленной задачи [2]. В последнее время в связи с широким внедрением математических пакетов и языков программирования произошел заметный скачок в применении численных алгоритмов оптимизации для кинематического синтеза рычажных механизмов [3 - 7]. В результате геометрические методы синтезы постепенно уходят на второй план, уступая место более точным и эффективным машинным алгоритмам.

На сегодняшний день не существует универсального численного алгоритма, способного эффективно решать весь спектр оптимизационных задач [8]. Применение популярных градиентных алгоритмов к задачам оптимизационного кинематического синтеза рычажных механизмов требует больших затрат вычислительных ресурсов и не всегда является эффективным. В то же время, потенциал безградиентных алгоритмов для решения данного класса задач освещен в научной литературе недостаточно полно, что с учетом их высокой адаптацией для программной реализации [9], требует проведения дополнительных исследований.

Цель исследования. Оценить возможность применения алгоритма многопараметрической безградиентной оптимизации на основе метода деформируемого многогранника для решения задачи оптимизационного кинематического синтеза плоского рычажного механизма. Дать качественную оценку использования данного метода при его реализации в математическом пакете PTC MathCAD.

Method for estimation of torsion angles of silent blocks in the cleaning drive mechanism of a grain harvester

Authors: Kotov A.V., Krol D. G., Ph. D. in Phys. And Math., Assoc. Prof.

This article is a translation of the original work of the same name, which was written in Russian and published in a peer-reviewed journal. I decided to prepare and publish its English version for several reasons. First, science and engineering thinking have no language barriers. Publishing a translation is a step towards drawing attention to my research from a wider audience, including foreign colleagues, engineers and researchers who may find the proposed method useful. Second, publishing the article in English helps increase the visibility of the blog itself in foreign search engines. This means that my developments and findings are more likely to reach those who truly need them. I am open to discussion, feedback and professional dialogue with anyone who finds the topic of my research relevant. I will be glad if this material proves useful beyond the Russian-speaking audience.

Introduction. Grain cleaning is one of the most important stages of a combine harvester's operation, during which, under the action of a fan and vibration, the final separation of grain from the grain heap, unthreshed ears, and other impurities occurs. The functional efficiency of the entire system largely depends on the cleaning drive mechanism, whose kinematics determine the nature of the oscillatory motion of all working links and the associated sieves. The rather high oscillation frequency of the links, combined with the significant mass-inertial characteristics of the sieves (including the technological mass of the harvested crop), allows this mechanism to be classified as a key source of dynamic load on the combine harvester frame. To reduce this dynamic load, silent blocks (elastic hinges) are traditionally used in the joints of the cleaning drive mechanism. These elements are rubber-metal (sometimes with a polyurethane insert) hinges which, due to the elasticity of the elastic element, perform the function of damping vibrations and also ensure the mobility of the connected links, but within a very limited range of twist angle. Figure 1 shows the cleaning system of a combine harvester with the installation locations of silent blocks in the cleaning drive mechanism highlighted.

1 – fan; 2 – cleaning drive mechanism; 3 – straw walker; 4 – upper sieve; 5 – lower sieve
Figure 1 – Cleaning system of a combine harvester

The service life of silent blocks is largely determined by their correct choice based on the permissible twist angle, as well as the applied maximum radial load. Quantitative assessment of these characteristics of silent blocks under operating conditions is quite difficult today. Therefore, in practice, these parameters are calculated at the preliminary design stage using appropriate mathematical or virtual models.

Марафон «Муралы Победы»: как я объехал весь Гомель в поисках лиц героев войны

Авторы: Котов А.В.

Не секрет, что не так давно моим спортивным увлечением стали прогулки на велосипеде по г. Гомелю. Изначально я ездил на подростковом Stels Navigator 550, но в этом году старый велосипед был продан, и я приобрел более мощный горный велосипед того же производителя — Stels Navigator 660.

Большинство моих поездок ограничивалось небольшой круговой локацией на Шведской горке (примерно 6 км за один круг) и иногда, на выходных, поездками на более дальнюю дистанцию — на 20…30 км от города.

Обыденные круговые маршруты уже успели поднадоесть (хотя лучшего места в городе, чем на Шведской горке для велопрогулок я пока не нашел). Поэтому, чтобы хоть как-то разнообразить свои поездки, а также в преддверии праздника 9 мая, я решил немного сменить формат. Отложил научную работу в сторону и объявил для себя небольшой «Марафон муралов» в честь героев Победы.

Мурал (от испанского mural — «настенный») — это монументальная живопись, созданная на стене здания. В отличие от граффити, муралы масштабны, имеют художественную концепцию и, как правило, выполняются легально — по согласованию с владельцами зданий и городскими властями.

В последнее время в Гомеле к значимым событиям (например, дню города, 9 мая и др.) на фасадах зданий начали наносить муралы с портретами участников Великой Отечественной войны, чьими именами названы улицы. На сегодняшний день таких муралов в Гомеле уже более дюжины, и они разбросаны по разным районам и уголкам города.

Способ оценки углов закручивания сайлентблоков в механизме привода очистки зерноуборочного комбайна

Авторы: Котов А.В., Кроль Д.Г., к.ф.-м.н., доцент

Введение. Очистка зерна – один из важнейших этапов работы зерноуборочного комбайна, в процессе которого под действием вентилятора и вибрации происходит завершающее выделение зерна из зернового вороха, недомолоченных колосьев и др. примесей. Функциональная эффективность всей системы в значительной степени зависит от механизма привода очистки, чья кинематика определяет характер колебательного движения всех рабочих звеньев и связанных с ними решет. Достаточно высокая частота колебаний звеньев в сочетании со значительными массово-инерционными характеристиками решет (включая технологическую массу убираемой культуры) позволяет отнести данный механизм к ключевым источникам динамической нагрузки на раму зерноуборочного комбайна. Для снижения указанной динамической нагрузки в шарнирах механизма привода очистки традиционно используются сайлентблоки (упругие шарниры). Данные элементы представляют собой резинометаллические (иногда с полиуретановой вставкой) шарниры, которые за счет эластичности упругого элемента выполняют функцию демпфирования колебаний, а также обеспечивают подвижность соединяемых звеньев, но в достаточно ограниченном диапазоне угла закручивания. На рисунке 1 приведена система очистки зерноуборочного комбайна с выделенными местами установки сайлентблоков в механизме привода очистки.

1 – вентилятор; 2 – механизм привода очистки; 3 – стрясная доска; 4 – верхний решетный стан; 5 – нижний решетный стан
Рисунок 1 – Система очистки зерноуборочного комбайна

Ресурс сайлентблоков во многом определяется их правильным выбором по допускаемому углу закручивания, а также действующей максимальной радиальной нагрузке. Количественная оценка указанных характеристик сайлентблоков на сегодняшний день в условиях эксплуатации достаточно затруднена. Поэтому на практике данные параметры рассчитываются на стадии предварительного проектирования на соответствующих математических или виртуальных моделях.

Несмотря на большое разнообразие конструкций систем очистки зерноуборочных комбайнов, в том числе кинематических схем механизма привода, моделирование данных систем достаточно полно представлено в научной литературе. Известны работы связанные с исследованием кинематики механизма привода очистки [1 - 3], с расчетом его силовой нагруженности [2, 4], с решением задачи уравновешивания [5, 6], с моделированием движения воздушной и технологической массы [7 - 9], а также с виртуальными испытаниями в программном комплексе динамического анализа систем твердых тел [10]. Однако вопросу методики расчета углов закручивания сайлентблоков с помощью данных моделей до сих пор не уделяется должного внимания [11].