Использование систем твердотельного моделирования и инженерных расчетов при проектировании и испытании почвообрабатывающих орудий

УДК 631.3.072 М.Н. Лысыч

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СИСТЕМ ТВЕРДОТЕЛЬНОГО МОДЕЛИРВАНИЯ И ИНЖЕНЕРНЫХ РАСЧЕТОВ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ И ИСПЫТАНИИ ПОЧВООБРАБАТЫВАЮЩИХ ОРУДИЙ

Рассмотрен процесс проектирования почвообрабатывающих орудий на основе создания их твердотельных моделей средствами САПР. Приведены данные исследований твердотельных моделей средствами приложений для инженерных расчетов.

Ключевые слова: твердотельная модель, почвообрабатывающие орудия, кинематика, динамика.

M. N. Lisich APPLICATION OF THE SYSTEMS OF SOLID-STATE MODELING AND ENGINEERING CALCULATIONS AT DESIGNING AND TESTING THE CULTIVATING INSTRUMENTS

Process of the cultivating instruments designing on the basis of creation of their solid-state models by means of С AD is considered. The data of research of solid-state models by means of applications for engineering calculations are given.

Key words: solid-state model, cultivating instruments, kinematics, dynamic.

Твердотельное моделирование позволяет еще на стадии проектирования разрешить многие вопросы, касающиеся взаимодействия частей механизма, их взаимного расположения и наиболее наглядно визуализировать проект, как в интерактивном режиме на экране компьютера, как и на бумажных носителях, посред-ствам разнообразных видов и разрезов. На этой стадии первоочередная задача определяется выбором наиболее пригодной системы автоматизированного проектирования.

В последнее время четко обозначилась тенденция расширения круга пользователей САЕ-продуктов (Computer Aided Engineering - приложения для инженерных расчетов), распространяемых на базе геометрических CAD-систем (Computer Aided Design - системы автоматизированного проектирования). Это ведет к группированию инструментов геометрического моделирования и расчетных программ в интегрированные системы. Поэтому при выборе CAD-систем необходимо сразу производить анализ САЕ-продуктов, которые способны выполнять расчеты на базе создаваемых моделей.

Приведем пример использования одной из наиболее продвинутых систем твердотельного моделирования SolidWorks и интегрированного с ней пакета инженерных расчетов COSMOS.

Рассмотрим возможности приложения COSMOSMotion. Это продукт, предназначенный для расчета кинематики и динамики. Программа анализирует сборку SolidWorks, транслируя ее в условную модель механизма с учетом массово-инерционных характеристик деталей. При этом инерционные параметры заимствуются из геометрии деталей SolidWorks, а плотность (масса) может быть назначена независимо от геометрической оболочки. Далее, уже для математической модели строится система дифференциальных уравнений движения, которая затем решается посредством разностных схем. После этого программа преобразует численные результаты в вид, пригодный для отображения. На этом шаге система вновь взаимодействует с реальной геометрией. Отображение расчетной кинематической модели (в виде диаграмм), а также результатов производится в графическом окне SolidWorks непосредственно на фоне модели сборки SolidWorks [1].

Приведенные доводы однозначно указывают на то, что создание твердотельных моделей рабочих органов открывает наиболее широкие возможности для их разностороннего кинематического и динамического анализа. Продемонстрируем возможности данного подхода для решения конкретной задачи по обоснованию конструктивных параметров комбинированного рабочего органа, работающего в условиях лесных вырубок.

Обратимся непосредственно к корням проблемы. Необходимость создания новых рабочих органов возникла в связи с тем, что применяемые на данный момент на лесных культиваторах дисковые рабочие органы плохо уничтожают нежелательную растительность, что требует многократности проходов агрегата по одному следу. Однако они отличаются надежностью при работе на почвах с твердыми включениями, хорошо преодолевают препятствия, не забиваются почвой и растительной массой. Это и обеспечило их широкое распространение в лесном хозяйстве.

Лемешные же рабочие органы, напротив, достаточно хорошо уничтожают нежелательную растительность, но их применение в условиях вырубок, вследствие низкой эксплуатационной надежности, не представляется возможным. Решить данную проблему можно, если лемешные рабочие органы оснастить черенковыми ножами криволинейной формы и установить их на индивидуальных стойках, имеющих пружинные предохранительные механизмы, аналогичные устанавливаемым на культиваторе КРТ-3. Это должно исключить заякоревание рабочих органов за пни и корневища. Нами предложен новый рабочий орган [2], совмещающий достоинства лемешных рабочих органов и предохранительные свойства черенковых ножей. Однако применение такой конструкции порождает целый ряд вопросов, касающихся кинематики преодоления препятствий и динамической нагруженности. Таким образом, начальным этапом моделирования было создание твердотельных моделей предохранительного механизма культиватора КРТ-3 и двух различных рабочих органов (рис. 1).

Рис. 1. Реальные рабочие органы: а - стандартный; б - экспериментальный; твердотельные модели:

в - стандартный; г - экспериментальный

Следующим этапом моделирования было создание виртуального стенда (рис. 2) для кинематического и динамического анализа созданных твердотельных моделей в приложении COSMOSMotion. Стенд состоит из основания 1, двух цилиндрических направляющих 2, каретки 3 и условно обозначенной земли 4. На каретке, имеющей возможность прямолинейного движения без трения, закреплялась секция 5 культиватора КРТ-3 со стандартным и экспериментальным 6 рабочими органами. В основании сделан ряд отверстий для установки пня с различным боковым смещением. Пень 7 закреплялся жестко.

Привод каретки осуществлялся за счет приложения виртуального линейного двигателя, работающего с постоянной скоростью. Также была задана реальная плотность материала всех компонентов твердотельной модели, что позволило рассчитать их массовые характеристики и силу тяжести. Для деталей секции культиватора и пня был задан взаимный 3D контакт.

Проведенный кинематический и динамический анализ позволил установить такие параметры, как угловые перемещения, скорости, ускорения, моменты инерции, импульсы, кинетические энергии рабочих органов и звеньев предохранительного механизма, силы, возникающие в пружинах при различных вариантах взаимодействия с пнем.

12 4 7

б

Рис. 2. Виртуальный стенд: а - общий вид; б - в процессе моделирования с отслеживанием заданных параметров

Рассмотрим динамику изменения параметров, имеющих наибольшую информативную ценность. К такому параметру в первую очередь можно отнести силу, создаваемую пружиной, так как она характеризует нагруженность рабочего органа и механизма в целом и может быть использована для проведения прочностных расчетов. На рисунке 3 представлены графики, которые показывают, как изменяется усилие, создаваемое пружинами предохранительного механизма при варьировании типа рабочего органа и высоты пня.

Из графиков видно, что стандартный рабочий орган при высоте пня 10 см имеет наибольшее усилие на пружине, равное 5770 Н, а экспериментальный рабочий орган несколько меньшее усилие, равное 5679 Н. Аналогичные тенденции прослеживаются и при других высотах пня.

Время, с

| Станд. с 1 0см пнем + Станд с 5см пнем + Станд. с 0 см пнем

х Эксп с. 10см пнем х Эксп. с 5см пнем х Эксп. с 0см пнем

Рис. 3. Зависимость силы, создаваемой пружиной, от типа рабочего органа и высоты препятствия

Также приведем другой важный параметр, который отображает силу, возникающую на линейном двигателе, приводящем в движение каретку испытательного стенда, что, по сути, является аналогом тягового сопротивления. Характер изменения силы при въезде и сходе с препятствия не имеет существенных качественных и количественных различий. Так, колебание величины силы при падении стандартного рабочего ор-

гана составляет 12320 Н, что несколько больше, чем у экспериментального (15009 Н). Это объясняется разницей между массами рабочих органов и местом расположения центра масс.

Кинематический и динамический анализ процесса преодоления пня различными рабочими органами позволил выявить следующие факты.

Конструкция экспериментального комбинированного рабочего органа и предохранительного механизма позволяет преодолевать препятствия в виде пней, различных по высоте и боковому смещению. Причем при фронтальном взаимодействии с препятствием экспериментальный рабочий орган имеет силовую характеристику, схожую с дисковым рабочим органом, а при боковом взаимодействии, - совпадающую с серийным рабочим органом. Можно говорить о получении такой комбинации свойств, которая позволяет работать в условиях вырубок.

Установленные силовые параметры процесса преодоления пня могут служить основой для проведения прочностных расчетов.

С целью подтверждения достоверности полученных данных была проведена экспериментальная проверка. Для этого была использована тензометрическая установка 1, смонтированная на тяговой тележке 2 (рис. 4). Тяговое сопротивление фиксировалось при помощи тензозвена 3, а углы поворота предохранительного механизма - датчиками угла поворота 4. Полученные электрические сигналы подавались на модули ADAM и далее обрабатывались ЭВМ 5 посредством приложения GeniDAQ.

Рис. 4. Тензометрическая установка

Для проверки достоверности кинематических параметров был выбран угол поворота стойки рабочего органа, так как он напрямую фиксировался датчиком угла поворота. На рисунке 5, а представлены графики, демонстрирующие динамику изменения угла поворота при переезде экспериментального рабочего органа через пень высотой 10 см, при номинальной глубине обработки 12 см, полученные экспериментальным и теоретическим путем.

Анализ графиков показывает достаточно высокую степень достоверности теоретических данных. Единственным заметным отличием экспериментальных данных является ступенчатый характер роста угла, что объясняется колебаниями тензометрической навески и наличием зазоров в предохранительном механизме.

Проверка достоверности силовых параметров проводилась путем сравнения тягового сопротивления и силы на виртуальном двигателе (рис. 5, б). Расхождения по максимальным значениям при въезде на пень составляют 3,9 %. При дальнейшем движении по поверхности пня расхождения увеличиваются, хотя в обоих случаях наблюдается снижение тягового сопротивления. Эти расхождения, вероятно, возникли из-за того, что в модели был использован твердый пень, исключающий врезание и заклинивание черенкового ножа. Также наличие зазоров в тензонавеске и невозможность жесткой фиксации навесного механизма привели к тому, что тензозвено регистрировало не только горизонтальную составляющую силы сопротивления, но и частично вертикальную. Опираясь на приведенные данные, можно сделать вывод о том, что полученные теоретическим путем ударные нагрузки в момент падения рабочего органа могут быть приняты с достаточной степенью точности. Это особенно важно потому, что в силу конструкции тензонавески и характеристик используемой регистрирующей аппаратуры невозможно фиксирование данного параметра.

Рис. 5. Сравнение теоретических и экспериментальных данных: а - угол поворота; б - тяговое сопротивление

Выводы

Использование CAD-систем с интегрированными в них САЕ-приложениями позволяет еще на стадии проектирования быстро провести наглядные и достаточно достоверные виртуальные исследования, что значительно снижает вероятность допущения ошибок, которые в противном случае могли проявиться только на стадии изготовления и испытания опытных образцов.

Литература

1. SolidWorks. Компьютерное моделирование в инженерной практике / А.А. Алямовский [и др.]. - СПб.: БХВ-Петербург, 2005. - 800 с.

2. Пат. 2319329 РФ, МКИ A01B49/02, 76/00. Комбинированное почвообрабатывающее орудие / Бартенев И.М., Лысыч М.Н., Кузнецов А.А.; заявитель и патентообладатель ВГЛТА. - № 2319329; заявл. 27.07.2006; опубл. 20.03.2008, Бюл. № 12. - 3 с.