Авторы: Котов А.В., Чупрынин Ю.В., Дюжев А.А.
В статье рассмотрены приемы проектирования и исследования механизма очистки самоходного зерноуборочного комбайна КЗС-1218, разработанного в РКУП «ГСКБ по зерноуборочной и кормоуборочной технике», при помощи пакета ADAMS. Эффективное использование данного пакета при проектировании рычажных механизмов сельскохозяйственных машин позволяет существенно сократить сроки конструкторских и исследовательских работ.
Системы рычажных механизмов занимают значительное место в конструкции современных сельскохозяйственных машин, причем их разработка, испытание и доводка связана с большими затратами времени и материальных ресурсов, что недопустимо в современных условиях жесткой конкуренции на мировом рынке сельскохозяйственной техники. Поэтому сокращение сроков конструкторских и исследовательских работ возможно только за счет внедрения передовых методов компьютерного моделирования и исследования механических систем.
В РКУП «ГСКБ по зерноуборочной и кормоуборочной технике» уже более 10 лет успешно применяется аналитический метод векторного исследования рычажных механизмов, основанный на применении векторного анализа и векторного преобразования координат, который подробно рассмотрен в работах [1, 2]. Этот метод отличается простотой и наглядностью, легко поддается формализации и алгоритмизации в любых современных математических пакетах и языках программирования, а существующая вычислительная техника позволила вывести его на новый уровень.
Однако в последнее время в связи с интенсификацией развития и широким применением средств вычислительной техники все чаще проектирование рычажных механизмов осуществляется в специализированных пакетах прикладных программ с элементами твердотельного моделирования в режиме построения наглядного изображения проектируемой системы на экране. Поэтому аналитические методы исследования рычажных механизмов постепенно уступают место новым компьютерным технологиям.
К числу фирм, предлагающих комплексные компьютерные технологии автоматизации инженерных проектов, относится MacNeal-Schwendler Corporation. Данная фирма известна как разработчик перспективного программного комплекса виртуального моделирования механических систем ADAMS (Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems). В состав данного комплекса входят четыре основных модуля: моделирующий ADAMS/View (препроцессор), вычислительный ADAMS/Solver (решатель), модуль анализа результатов – ADAMS/Postprocessor (постпроцессор) и визуализационный модуль – ADAMS/Animation.
В РКУП «ГСКБ по зерноуборочной и кормоуборочной технике» применение пакета ADAMS при разработке и исследовании рычажных механизмов на ранних стадиях проектирования началось относительно недавно в сотрудничестве с ГНУ «Объединенный институт машиностроения НАН Беларуси». Однако уже проведенное моделирование различных типов рычажных механизмов сельскохозяйственных машин при помощи данного пакета [3] показало его высокую эффективность, а также высокую степень сходимости полученных результатов с результатами натурных экспериментов.
На рисунке 1 приведена технологическая схема работы самоходного зерноуборочного комбайна КЗС-1218, оборудованного ветро-решетной системой очистки, к которой непосредственно относится рычажный механизм ее привода, рассматриваемый в данной работе.
Рисунок 1 – Схема технологического процесса работы самоходного зерноуборочного комбайна КЗС-1218
1 – шнек горизонтальный; 2– шнек загрузной зерновой; 3 – элеватор зерновой; 4 – соломотряс; 5 – дефлектор; 6 – соломоизмельчитель; 7 – верхний решетный стан; 8 – нижний решетный стан; 9 – элеватор колосовой; 10 – шнек колосовой;11 – шнек зерновой; 12 - домолачивающее устройство; 13 – вентилятор; 14 – стрясная доска; 15 – отбойный битер; 16 – барабан молотильный; 17 – подбарабанье; 18 – барабан-ускоритель; 19 – транспортер наклонной камеры; 20 – шнек; 21 – режущий аппарат; 22 – мотовило
Согласно технологической схеме работы самоходного зерноуборочного комбайна КЗС-1218 (см. рисунок 1) зерно, мякина, сбоина и колоски, просеявшиеся через отверстия подбарабанья молотильного аппарата и соломотряса, поступают на ветро-решетную очистку, на которой ворох разделяется в результате совместного действия воздушного потока и решет. При этом решета поддерживают слой вороха и совместно с воздушным потоком взрыхляют его. Мякина выносится воздушным потоком, сбоина идет сходом с решет, а зерно проходит через их отверстия. На сепарацию зерна в ветро-решетной очистке влияют подача вороха, состав и содержание соломистых примесей в нем, влажность зерна и незерновой части, равномерность подачи вороха и воздушного потока, а также конструктивные и кинематические параметры механизма привода очистки.
Основным конструкторским решением, улучшающим качество сепарации зерна в ветро-решетной системе очистки, является обеспечение кинематических параметров работы механизма привода очистки, к которым можно отнести следующие: перемещение, скорость и ускорение различных точек решет, величина неуравновешенности механизма и величина реакций в шарнирах в зависимости от угла поворота кривошипа.
Рассмотрим приемы применения модулей пакета ADAMS при виртуальном моделировании механических систем на примере кинематической схемы рычажного механизма очистки самоходного зерноуборочного комбайна КЗС-1218, разработанного в РКУП «ГСКБ по зерноуборочной и кормоуборочной технике».
Модуль ADAMS/View
Создание любой модели рычажного механизма при помощи модуля ADAMS/View подразумевает описание всех ее характеристик: геометрических размеров, физических свойств, способов соединения подвижных и неподвижных частей, задание действующих сил и моментов, начального положения элементов модели и их скоростей.
Построение полностью параметризированной модели исследуемого объекта в модуле ADAMS/View может осуществляться двумя способами: непосредственно в модуле при помощи собственных инструментов или импортироваться в него из CAD-систем. В настоящее время в РКУП «ГСКБ по зерноуборочной и кормоуборочной технике» в качестве основной CAD-системы используется Pro/Engineer, с помощью которого через форматы .stp, .igs, .x_t, .obj и др. можно осуществлять импортирование в модуль ADAMS/View заранее подготовленной твердотельной модели исследуемого объекта. Для непосредственного создания модели в модуле ADAMS/View существует широкий набор инструментов, которые собраны на главной панели, из которой через выпадающие меню осуществляется доступ ко всем основным инструментам.
К недостаткам созданной непосредственно в модуле ADAMS/View модели исследуемого объекта можно отнести необходимость задания «вручную» массо-инерционных характеристик всех его элементов, если при проведении расчета их величина и приложение должны соответствовать реальной конструкции. В то время как для предварительно подготовленной, а затем импортированной твердотельной модели в этом нет необходимости, так как данные параметры переносятся вместе с геометрией импортированного объекта. Если импортированная из CAD-системы твердотельная модель исследуемого объекта реализована корректно, пакет ADAMS гарантирует точность расчета.
После создания всех частей конструкции, описываются существующие связи между элементами и граничные условия. По умолчанию все связи между элементами являются идеальными, но в них можно добавить трение. Задание действующих на исследуемый объект силовых нагрузок осуществляется с помощью соответствующей панели инструментов.
На рисунке 2 приведена виртуальная 3D модель механизма очистки самоходного зерноуборочного комбайна КЗС-1218, сформированная непосредственно с помощью собственных инструментов в модуле ADAMS/View.
Рисунок 2 – 3D виртуальная модель механизма очистки самоходного зерноуборочного комбайна КЗС-1218, сформированная непосредственно в модуле ADAMS/View
В состав механизма очистки самоходного зерноуборочного комбайна КЗС-1218 (см. рисунок 2) входят стрясная доска, верхний и нижний решетный стан, удлинитель верхнего решета, дополнительное решето, подвески передние и задние, рычаги очистки, колебательный вал и шатун очистки. В качестве входного звена привода механизма очистки используется кривошип коленчатого вала, характеристики движения которого задаются при помощи соответствующей панели инструментов.
Модули ADAMS/Solver и ADAMS/Postprocessor
Этап исследования модели с помощью модуля ADAMS/Solver включает в себя моделирование поведения частей модели под действием приложенных внешних сил и заданных движений, а также выявления критических параметров, наиболее сильно влияющих на эффективность работы модели в целом.
Перед началом исследования моделируемого объекта можно установить один из следующих видов применяемого расчета – статический, кинематический или динамический, а также указать конечное время счета и число шагов. По окончании расчета для анализа полученных результатов запускается постпроцессор – модуль ADAMS/Postprocessor, с помощью которого выводится вся интересующая инженера графическая информация об исследуемом объекте. На рисунке 3 приведены полученные в модуле ADAMS/ Postprocessor графики амплитуд колебаний, вертикальных скоростей и ускорений центров тяжести решет механизма очистки за один оборот кривошипного вала зерноуборочного комбайна КЗС-1218.
б)
в)
Рисунок 3 - Графики изменения величины амплитуды колебаний (а), вертикальных скоростей (б) и вертикальных ускорений (в) центров тяжести решет механизма очистки самоходного зерноуборочного комбайна КЗС-1218 за один оборот вала кривошипа
Построение графиков, приведенных на рисунке 3, начинается от нулевого (начального) положения механизма, когда кривошип расположен на одной линии с шатуном.
Проведем анализ данных, полученных в ходе исследования модели механизма очистки самоходного зерноуборочного комбайна КЗС-1218 с помощью модулей ADAMS/Solver и ADAMS/Postprocessor. Согласно рекомендациям литературы [4, 5] для обеспечения агротехнических требований при работе механизма очистки амплитуда колебаний решет должна находится в пределах 30…40 мм; максимальная вертикальная скорость решет не должна превышать величины ±0,6 м/с; максимальное вертикальное ускорение решет не должно превышать величины ±25 м/с2. Спроектированный механизм очистки самоходного зерноуборочного комбайна КЗС-1218 удовлетворяет существующим рекомендациям к кинематическим параметрам его работы, а следовательно механизм очистки обеспечивает сепарацию зерна согласно технологическому процессу работы комбайна.
Созданная в пакете ADAMS 3D виртуальная модель механизма очистки самоходного зерноуборочного комбайна КЗС-1218 позволяет проводить расчет величины углов закручивания каждого из шарниров, а также определять величину реакции (как по модулю, так и по направлению) в подвижных и неподвижных шарнирах. Данные параметры являются определяющими при выборе сайлентблоков того или иного типа, которые нашли широкое применение в конструкциях механизмов очисток зерноуборочных комбайнов.
Модуль ADAMS/Animation
Модуль ADAMS/Animation позволяет осуществлять качественное воспроизведение исследуемого объекта, получать сквозные виды конструкции, редактировать цветовую гамму, выбирать различные точки обзора и направления источников освещения объекта, одновременно с анимационным воспроизведением наблюдать на графиках изменение анализируемых параметров.
Оптимизация модели
В процессе анализа полученных с помощью пакета ADAMS результатов расчета инженер может принять решение об оптимизации моделируемого объекта. Процесс оптимизации заключается в определении таких значений критических параметров исследуемого объекта, при которых его работа будет наиболее эффективной. Математический аппарат пакета АDAMS позволяет параметризировать практически все характеристики создаваемой модели (геометрические, кинематические, массовые и др.).
Перед началом процесса оптимизации какой-либо характеристики моделируемого объекта, необходимо создать оптимизируемый параметр с указанием типа числовой величины (действительное, вещественные и др.), а также к какой характеристике моделируемого объекта он относится (угол, длина, масса и др). Дополнительно указывается начальное приближение оптимизируемого параметра и величина его предельного отклонения, в диапазоне которого будет осуществляться поиск решения.
После задания всех интересующих оптимизируемых параметров указывается целевая функция, подлежащая оптимизации (минимизации или максимизации), а также используемые для этого оптимизируемые параметры.
Процесс оптимизационного поиска решения осуществляется в графическом виде, по окончании которого найденное оптимальное решение присваивается оптимизируемому параметру, а рычажный механизм автоматически перестраивается в соответствии с результатом расчета.
Так, в оптимизируемом механизме очистки в качестве целевой функции может выступать функция амплитуды колебаний, функция вертикальной скорости и ускорения центра тяжести решет (см. рисунок 3), если их значения не соответствуют рекомендуемым величинам. В качестве оптимизируемых параметров могут выступать длины звеньев механизма и их массо-инерционные характеристики, координаты неподвижных точек механизма и др.
В результате совместного использования инструментов моделирования, исследования и оптимизации пакета ADAMS инженер может получить всесторонне оптимизированную конструкцию рычажного механизма.
Выводы
1. Сформированная в пакете виртуального моделирования модель механизма очистки самоходного зерноуборочного комбайна КЗС-1218, разработанного в РКУП «ГСКБ по зерноуборочной и кормоуборочной технике», позволяет быстро и адекватно проводить всесторонний анализ данного рычажного механизма.
2. Перспективным направлением проектирования и исследования рычажных механизмов сельскохозяйственных машин являются программные комплексы виртуального моделирования механических систем в сочетании с многопараметрической оптимизацией, которые обеспечивают предприятию экономию значительных средств и выход на рынок с всесторонне оптимизированными изделиями.
Список литературы
1. Котов А.В. Применение векторного анализа при проектировании рычажных механизмов / А.В. Котов, Ю.В. Чупрынин // Научно-технический прогресс в сельскохозяйственном производстве: сб. ст. Междунар. науч.-практ. конф., Минск, 17-19 октября 2007 г. / РУП «Научно-практический центр Национальной академии наук Беларуси по механизации сельского хозяйства»: под общ. ред. В.Н. Дашкова. В 2 т.: Т.2. – Минск, 2007. – С. 32-37.
2. Дюжев А.А. Обеспечение универсальности навесного устройства энергосредства УЭС-2-250А «Полесье» с целью создания сельскохозяйственных агрегатов модульного типа / А.А. Дюжев, А.В. Котов, Ю.В. Чупрынин // Энергосберегающие технологии и технические средства в сельскохозяйственном производстве: доклады Международной научно-практической конференции, Минск, 12-13 июня 2008 г. В 2 ч. Ч.1 / редкол. А.В. Кузьмицкий [и др.]. – Минск, 2008. – С. 78-84.
3. Котов А.В. Проектирование и исследование рычажных механизмов сельско-хозяйственных машин при помощи пакета ADAMS / А.В. Котов, А.А. Дюжев, Ю.В. Чупрынин // Технiко-технологiчнi аспекти розвитку та випробування нової техніки i технологій для сільського господарства України: Збірник наукових праць / Укр-НДIПВТ iм. Л. Погорілого; Редкол.: В.I. Кравчук (голов. ред.) та iн. – Дослідницьке, 2008. – Вип. 12(26). – С. 239-248.
4. Справочник конструктора сельскохозяйственных машин / под ред. М.И. Клецкина. – 2-е изд., доп. и перераб. – В 4 т. – М.: Машиностроение, 1969.
5. Босой Е.С., Верняев О.В., Смирнов И.И. и др. Теория, конструкция и расчет сельскохозяйственных машин: Учебник для вузов сельскохозяйственного машиностроения. Москва: Машиностроение, 1978.
Надеюсь, представленные на сайте материалы окажутся полезными для Вашей научной или практической деятельности и буду признателен за упоминание моих работ в списке Вашей литературы при их использовании.
Для цитирования данной работы:
Котов А.В. Проектирование и исследование механизма очистки зерноуборочного комбайна при помощи пакета ADAMS / А.В. Котов, Ю.В. Чупрынин, А.А. Дюжев // Тракторы, автомобили, мобильные энергетические средства: проблемы и перспективы развития: доклады Международной научно-практической конференции, Минск, 11-14 февраля 2009 г. / редкол. А.В. Кузьмицкий [и др.]. – Минск, 2009. – С. 165-171.
Комментариев нет:
Отправить комментарий