CC BY
27
УДК 631.31
В В. ВАНИ, М.В. ГРУБИЧ, В.П. ЮРЧУК
Нацюнальний техшчний ушверситет Укра!ни "Кшвський псоттехшчний iнституг iMeHi ¡горя Сжорського"
ГЕОМЕТРИЧНЕ МОДЕЛЮВАННЯ ГВИНТОВИХ ПОВЕРХОНЬ ЗМ1ННОГО (АКС1АЛЬНОГО) КРОКУ ПРИ КОНСТРУЮВАНН1 ВИЛКОВИХ КОПАЧ1В
Проведено геометричне моделювання гвинтово'1 поверхнi змгнного кроку при проектуванш робочих оргатв вилкового типу. До^джеш геометричнi параметри даних mna4ie в ac^Kmi конструювання робочих органiв коренезбиральних машин. Подан в датй статтi матерiали е основою для розробки вiдnовiдних геометричних моделей та комп'ютерних програмних засобiв автоматизованого конструювання як робочих Трунтообробних поверхонь, так i конкретних робочих оргатв.
Ключовi слова: альськогосподарське машинобудування, моделювання гвинтових поверхонь, поверхнi змшного кроку, коренезбиральн машини, робочi органи, копачi вилкового типу, використання робочих органiв.
В.В. ВАНИН, М.В. ГРУБИЧ, В.П. ЮРЧУК
Национальный технический университет Украины "Киевский политехнический шститут имени Игоря Сикорского"
ГЕОМЕТРИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ВИНТОВЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ ПЕРЕМЕННОГО (АКСИАЛЬНОГО) ШАГА ПРИ КОНСТРУИРОВАНИИ ВИЛЧАТЫХ КОПАТЕЛЕЙ
Проведено геометрическое моделирование винтовой поверхности изменяемого шага при проектировании рабочих органов вилочного типа. Исследованы геометрические параметры данных копателей в аспекте конструирования рабочих органов корнеуборочных машин. Представленные в данной статье материалы являются основой для разработки соответствующих геометрических моделей и программных средств автоматизированного конструирования как рабочих почвообрабатывающих поверхностей, так и конкретных рабочих органов.
Ключевые слова: сельскохозяйственное машиностроение, моделирование винтовых поверхностей, поверхности изменяемого шага, корнеуборочные машины, рабочие органы, копатели вилочного типа, использование рабочих органов.
V.V. VANIN, M.V. HRUBICH, V.P. YURCHUK
National Technical University of Ukraine "Igor Sikorsky Kiev Polytechnic Institute"
GEOMETRIC MODELING OF SWITCHING SURFACES OF THE CHANGED STEP FOR THE DESIGN
OF VOLTAGE COPIES
A geometric modeling of the screw surface of the variable step was carried out in the design of the working bodies of the fork type. The geometric parameters of digging data in the aspect of constructing the working bodies of the cornicear machines are investigated. The materials presented in this article are the basis for the development of appropriate geometric models and computer software for automated design of both working soil-forming surfaces and specific working bodies.
Key words: agricultural machine building, modeling of screw surfaces, alternating step surfaces, rotational machines, working bodies, fork-type miners, use of working bodies.
Постановка проблеми
В сшьськогосподарському машинобудуванш дуже важливе значення мае форма робочо! поверхш грунтообробного знаряддя. Основными факторами руйнаци грунту, яш сприяють процесу кришшня е перебудова само! структури грунту. Ця перебудова полягае як в руйнуванш старих, так i в створенш нових структурних зв'язшв, а також у виникненш та розвиткумжротрщин. Все це активно впливае на агротехшчш показники всього грунтообробного знаряддя.
Мета дослщження
Метою дано! публжацп е дослвдження основних властивостей гвинтово! просторово! криво!, яка е визначальною при геометричному моделюванш та конструюванш гвинтових поверхонь грунтообробних знарядь, до яких вщносяться робочi поверхш коренезбиральних машин.
Головне завдання дано! публжаци полягае у вивченш геометричних властивостей гвинтових просторових кривих змшного кроку, яш визначають основш властивосп гвинтових поверхонь змшного кроку при конструюванш робочих оргашв грунтообробних знарядь. Ввдповщно до мети дано! роботи, необхвдно в загальному розглянути принципи побудови гвинтово! криво! змшного (акаального) кроку та И основнi властивостi.
Викладення основного матерiалу дослщження
Методи проектування робочих поверхонь грунтообробних знарядь в сво!й бiльшостi малоефективш i базуються на емпiричному mдходi при визначеннi параметрiв !х поверхонь. Ввдсутшсть в таких методах взаемозв'язку м1ж параметрами поверхнi, що проектуеться, i основними агротехнiчними вимогами, яш пред'явленi до процесу функцiонування знаряддя, не дозволяе отримувати робочi поверхш, що забезпечують високу як1сть виконання технологiчного процесу обробку грунтового монолту. При цьому необх1дно вiдмiтити, що зменшення радiуса кривини робочо! поверхш знаряддя (тобто зб№шення напрямкiв векторiв трьохосного стискання) сприяе бiльш активнш дп на грунтовий монолiт всього знаряддя [1].
Тобто, при цьому бшьш активно руйнуються водно-коло!дш та молекулярно-контактш зв'язки, та сам процес деформацп створюе нову структуру, яка все з меншим опором протидiе зовнiшньому стисканню.
Довести залежнiсть радiусу кривини гвинтово! просторово! криво! ввд кроку гвинтового перемiщення, з чого стдуе, що використання гвинтових цилiндричних чи конiчних робочих поверхонь зi змiнним (аксiальним) кроком дозволяе параметрично враховувати недолiки iснуючих методiв геометричного проектування при роботi грунтообробних знарядь та активiзувати, пiдвищити ефективнiсть дп робочо! поверхнi на грунтовий монолт. Це, в свою чергу, призведе до пiдвищення агротехнологiчних показник1в вае! грунтообробно! машини.
Якщо в просторi (X У, 2) взяти точку (Хо,Уо,2о) (рис. 1,а), то !! траекторiя на вщповщних площинах визначиться у полярних координатах (г, ф, ¿) рiвняннями [2]:
р = Хо + Уо =Го; ф = V + V о; г = 2о + XV); (1)
деХо = гоСОБ Vо; Уо = го яп v0. ( )
Рис. 1. Геометричне моделювання поверхн1 копача: а - початкова стад1я; б - кшцева стад1я
Розглянемо траекторш точки, що лежить на осi X i знаходиться на вiдстанi Хо = а вiд осi г. Цю гвинтову лiнiю змiнного кроку, що вщповщае/V), будемо позначати I. I! рiвняння будуть мати вигляд [2]:
х = а соб V; у = а яп V; г = /(V); (2)
або на площинних проекщях в полярних координатах:
р = а; ф = V; г = /(V). (3)
Дану лшш легко побудувати в простора для цього треба на площиш (х, ¿) накреслити графш г = /(V), причому х = а соб V, розмiтити смуги прямими, паралельними 02, шириною 2ап i утворити з першо! смуги основний цилiндр Б, а инш смуги повертати на Б ззовш (при конструюваннi гiпсово! моделi чи чавунно!) або зсередини (при конструюванш крупногабаритно! тонкостiнно! моделi). I тодi графiкXV) дасть гвинтову лшш 1.з окремими випадками:
В1СНИКХНТУ№3(62), 2017р., ТОМ 2 ПРИКЛАДНА ГЕОМЕТР1Я ТА
КОМПЮТЕРН1 ТЕХНОЛОГИ
1) при /(V) = pv - звичайна гвинтова лшя;
2) при /(V) = И бш V - випадок Маннгейма й Дарбу,
3) при /V) = И бш пV, (пф1) - випадок Каутного.
При необмежено зростаючш /V), у проекци отримуемо деформовану гiперболiчну спiраль iз асимптотичною точкою в полюй. При цьому центральна проекщя криво! iз точки (0, о, И) на площину ху визначиться аналогiчним чином у полярних координатах (р, ф) рiвнянням:
аИ
р = , г, , . (4)
И - /(V)
А и проекцiею буде крива, яка мае асимптоту при такому значеннi v= V1, що визначаеться рiвнянням:
И - / (V!) = б; / (V!) Ф о. (5)
Так, при достатньо великому радуй дуги робочо! поверхш (малiй кривинi дуги), деформацiя пласта буде пружньою: над нейтральною вюсю пласта виникае напруга стискання, а нижче осi дiе напруга розтягування, як результат дi! закона Гука [3].
Даш напруги, як вщомо, взаемоврiвноваженi внаслщок рiвностi моментiв шерци частин перерiзу пласта вщносно нейтрально! ой З метою пошуку нових додаткових сил ди на шар грунту шляхом використання нових параметрiв робочих поверхонь, рацiональним е дiя тако! гвинтово! повер!хнi, радiус кривини яко! й зменшуеться за певним законом. У цьому випадку необхщно використати гвинтову криву змiнного (акйального) кроку. Тодi поздовжнiй перерiз робочо! поверхш можна описати складною кривою, яка геометрично визначаеться параметрами гвинтового перемщення навколо осi обертання i перемiщенням по прямiй, паралельнiй данш осi.
При такому узагальненнi приведений крок гвинтового перемщення е змшною величиною, яка залежить вiд кута повороту навколо базово! осi. Тобто, в цьому випадку гвинтовий крок може бути функцюнально залежною величиною i входити як параметр наперед визначених агротехшчних вимог: певних часових параметрiв та параметрiв якостi обробку грунту, функцiональних задач, параметрiв заглиблення, певно! траекторi! та кутiв повороту робочих оргашв та багато шших залежностей.
Так при зменшеннi радусу кривини робочо! поверхнi (що вщповщае бiльшiй величинi вигину грунтового пласта) нормальш напруги в грунтовому монолт супроводжуються незворотними нормальними деформацiями. При таких деформащях закон розподiлу напруг вiдхиляеться вщ лiнiйного, внаслiдок того, що незворотним деформащям першочергово шддаються найбiльш вiддаленi вiд нейтрально! ой прошарки грунтового монолiту.
В шшому випадку, при меншiй величинi радуса Я кривини робочо! поверхнi кшематичний центр деформацiй буде збiгатися з центром кола радуса Я, що спричинить зниження рiвня дi! результуючо! осi вiдносно осi опору перерiзу. Тобто в даному випадку грунтовий пласт буде пiдданий надлишковiй деформацп стискання, що призведе до тдвищення енергозатрат при дi! робочого органу.
Висновки
На основi проведених дослiджень та з огляду на вищесказане можна з впевнешстю стверджувати про необхщшсть подальших дослiджень вих1дних параметрiв гвинтових лшш та поверхонь змiнного (акйального) кроку, геометричних досл1джень технологiчних властивостей поверхонь, що конструюються, розробки алгоршшв i програм для проектування реальних робочих поверхонь.
Данi висновки шдтверджуються також науковими дослiдженнями Шелудченка Б.А. [4]. Проведеш ним дослiдження з одноосного та трьохосного стискання грунпв показали, що опiр зв'язаних грунпв, при зовнiшньому напрямку дi! сил, залежить ввд швидкостi прикладання сил. Так при швидкому зростаннi сил (тобто при робоп активного робочого органу, що е наслщком активно! дп робочо! поверхнi), опiр зв'язаних грунпв зменшуеться, навiть при незмшному фiзичному станi i бiльш довгш дi! прикладено! сили.
При цьому, якщо ращус кривини змiнюеться, тодi маемо наступнi характеристики дi!:
а) якщо вш зменшуеться за величиною, тодi опiр також зменшуеться за рахунок активного входження робочого органу в грунтовий шар, при якому зростають показники просторового трьохосного стискання (осшльки активнi робочi елемнти грунтообробного знаряддя найчастiше займають загальне положення вщносно системи розрахунк1в, прив'язаних до площини поля та площини перемщення знаряддя);
б) якщо радус кривини зменшуеться, то опр зв'язаних грунпв тд дiею робочого органу також зменшуеться, але в менш значнш мiрi за рахунок розтягування видшеного грунтового шару.
При цьому зменшуеться загальний отр грунтового шару внаслвдок виникненння нових мiкротрiщин, як1 ростуть за рахунок наявних в грунтi дефектш структури, що, в концевому результат^ призводить до прискореного крихкого руйнування всього грунтового шару. А при зменшенш радiуса кривини (наприклад в роторному копачi коренезбирально! машини, рис. 1,б) гвинтова поверхня переростае у цилiндричну i тодi вiдбуваеться поступове зменшення напрямк1в трьохосного стискання i вiдбуваеться явище затухаючо! повзучостi мшротрщин [5].
Це сприяе менш активнш дИ робочо! поверхнi на грунтовий монолiт, тобто погiршуеться сепарацiя грунтових залишк1в вiд коренеплодiв, а в шнцевому результатi - погiршуеться значения агротехшчних показник1в всього грунтообробного знаряддя чи коренезбирально! машини вцiлому.
Таким чином, використання гвинтових конiчних чи цилiндричних просторових кривих при конструюванш робочих поверхоньзi змiнним (аксiональним) кроком, дозволяе параметрично активiзувати дiю робочо! поверхш на грунтовий монолiт, що, в свою чергу, призведе до тдвищення агротехнологiчних показник1в всього грунтообробного знаряддя.
Список використаноТ лiтератури
1. Горячкин В.П. Земледельческая механика. Собр. Соч. в 3 т. - М.: Колос, 1965. - Т. 1. - 282 с.
2. Тимошенко С.П. Сопротивление материалов. Т.2. Более сложные вопросы теории и задачи / С.П. Тимошенко. - М.-Л.: ОГИЗ, 1946. - 455 с.
3. Люкшин В.С. Теория винтовых поверхностей в проектировании режущих инструментов / В.С. Люкшин. - М.: Машиностроение, 1967. - 372 с.
4. Шелудченко Б.А. Агромехашка грунпв / Б.А. Шелудченко. - Житомир: Полюся, 1992. - 249 с.
5. Завгороднш А.Ф. Геометрическое конструювание рабочих органов корнеуборочных машин / А.Ф. Завгороднш, В.И. Кравчук, В.П. Юрчук; Под редакцией д-ра техн. наук, академика УААН Л.В. Погорелого. - Киев: Аграрна наука, 2004. - 240 с.
