Совершенствование сельхозмашин с помощью программных продуктов НТЦ АПМ
Открытое акционерное общество «Научно-исследовательский институт комплексных проблем машиностроения для животноводства и кормопроизводства» (ОАО «ВНИИКОМЖ», г. Москва) — ведущее предприятие по разработке новых технологий в области животноводства и кормопроизводства. Кроме того, институт готовит конструкторскую документацию и обеспечивает организацию серийного производства новых машин и оборудования для этой области сельскохозяйственного машиностроения.
Наш отдел занят проектированием зданий и технологического оборудования для животноводства и птицеводства. В данной статье мы хотели бы поделиться своими впечатлениями от применения отечественной системы автоматизированного проектирования машин APM WinMachine, разработанной сотрудниками НТЦ АПМ. Эта система представляет собой инструмент для инженерного анализа и проектирования изделий машиностроения и строительства. Как оказалось, аналогов этой системы в нашей стране нет, а задачи, которые могут быть успешно решены с использованием APM WinMachine, ежедневно возникают перед проектировщиками механического оборудования. Наш институт вот уже около двух лет успешно применяет данную систему для решения проблем машиностроения в этой области сельскохозяйственного производства.
Нужно отметить, что до недавнего времени оборудование для сельского хозяйства проектировалось в большинстве случаев «на глазок», без серьезного инженерного анализа. Подобная практика не позволяла разрабатывать конструкции, сравнимые с лучшими мировыми образцами в этой области. Причин такого положения много. Здесь и человеческий фактор, и отсутствие надлежащей компьютерной базы, и, конечно же, недоступность программного обеспечения, способного этот анализ выполнить.
Аппаратные проблемы в настоящий момент решаются достаточно просто, поскольку цена подходящего для такой работы компьютера не превышает тысячи долларов. Сложнее обстоит дело с программным обеспечением. Если ориентироваться на продукты зарубежного производства, то они малодоступны для большинства конструкторских организаций, поскольку современное состояние экономики России не позволяет вкладывать значительные средства в программы. Особенно это касается сельскохозяйственного машиностроения, потребители которого в большинстве своем не имеют достаточных средств для покупки оборудования, а значит, и не могут нормально профинансировать его проектировщиков.
Выход из, казалось бы, тупиковой ситуации нами был найден. На одной из компьютерных выставок мы ознакомились с отечественным продуктом APM WinMachine. Оказывается, и в России способны разрабатывать системы инженерного анализа, к тому же, что нас особенно порадовало, вполне доступные по цене. Разработчики по нашей просьбе продемонстрировали возможности системы у нас в институте, и стало понятно, что этот продукт позволит нам решать задачи проектирования на новом, современном уровне. И, нужно сказать, мы не ошиблись в своих предположениях.
К числу последних проектов отдела можно отнести комплекс работ по созданию серии машин для кормораздачи. Под серией обычно понимается набор рабочих инструментов, ориентированных на использование в различных случаях, начиная от мелких фермерских хозяйств и заканчивая большими коллективными хозяйствами и крупными агропредприятиями. Поэтому здесь очень важно разработать такое оборудование, которое имеет конструктивную и технологическую преемственность для упрощения процедуры их изготовления мелкими и крупными партиями в условиях современного производства.
Одной из первых разработок, которая была выполнена в рамках этого проекта с помощью APM WinMachine, стало создание серии машин для кормораздачи — КТ 6 и КТ 10. Необходимо было разработать конструкции, которые, в отличие от предыдущих моделей, были бы более легкими и прочными и, следовательно, конкурентоспособными по отношению к аналогичным западным образцам.
Первой серьезной проверкой работоспособности APM WinMachine стала работа по расчету и проектированию рамы кормораздатчика. Эта задача представлялась нам довольно сложной, однако наши опасения были напрасными: редактор для задания трехмерных моделей оказался достаточно простым в обращении, что позволило без специального обучения и даже без консультаций с разработчиками выполнить эту работу быстро и в полном объеме. Один из вариантов такой рамы показан на рис. 1. На рис. 2 приведена карта напряженно-деформированного состояния, на базе которой был проведен сравнительный анализ нескольких вариантов конструкции и выбран оптимальный из них.
В APM WinMachine можно выполнить расчеты огромного числа деталей, таких как валы, оси, подшипники, зубчатые передачи всех известных типов, а также ременные и цепные передачи. Не будем перечислять все возможности системы, многие из которых нам пригодились в дальнейшем, а остановимся на главных из них.
Удачным, на наш взгляд, было решение проблемы расчета оптимальных параметров балансира кормораздатчика, которое, как и в первом случае, было проведено с помощью APM WinMachine.
Балансир должен удерживать тележку в горизонтальном положении, а сам он при этом качается относительно собственной оси. Этот узел является самым ответственным элементом всего транспортера кормораздачи, поэтому верное конструкторское решение здесь крайне необходимо. На рис. 3 приведена окончательная модель балансира, полученная в результате комплексного анализа.
В конечном итоге, выполнив необходимые вычисления и проведя сравнительный анализ различных возможных вариантов конструктивных решений с широким использованием возможностей APM WinMachine, нам удалось спроектировать и изготовить конструкцию кормораздатчика (рис. 4).
Кормораздатчик проектировался так, чтобы он мог работать с различными прицепными элементами. В качестве одного из таких элементов был спроектирован и изготовлен скребок для очистки помещений животноводческих комплексов, конечно-элементная модель и карта напряженного состояния которого изображена на рис. 5. Для того чтобы правильно подобрать размеры скребка, требовалось проанализировать напряженно-деформированное состояние конструкции. В результате оказалось, что здесь имеется ярко выраженный концентратор (рис. 6) с высоким уровнем напряжений. Такие напряжения, которые оказывают влияние только в случае расчетов при переменных режимах нагружения, принято называть местными. В том случае, если эти напряжения принимать за расчетные, конструкция оказывается слишком тяжелой. Выход здесь только один — существенно уменьшить уровень местных напряжений, что и было сделано. Поскольку концентратор нельзя убрать совсем, следует ожидать появления в этих точках усталостных трещин. Вследствие этого при числе циклов нагружения не менее 1 млн. может появиться усталостное разрушение.
В настоящее время система APM WinMachine используется нами для разработки еще одного перспективного проекта по созданию конструкции вертикального смесителя раздатчика СВР-8, схема которого представлена на рис. 7. Смеситель создается на базе уже имеющейся рамы. При его разработке проектировщики столкнулись с рядом технических проблем, решение которых было спрогнозировано системой. Оказывается, для обеспечения требуемых выходных характеристик необходимо иметь на выходе 45 кВт мощности и момент 17 500 Н/м. Обеспечить такой выходной момент довольно трудно, поэтому анализировались три возможных варианта привода.
Первый вариант предусматривал использование двух редукторов — конического и двухступенчатого цилиндрического. Во втором варианте конической редуктор устанавливался в паре с двухрядной цепной передачей. Наконец, была рассмотрена схема, когда привод скомпонован из конического редуктора и однорядной цепной передачи. Результаты расчета конической пары зубчатых колес с круговым зубом представлены на рис. 8.
Каждый из этих вариантов был рассчитан и подвегнут поэлементному анализу. Под поэлементным анализом здесь понимается расчет всех без исключения деталей привода. При этом цепные передачи рассчитывались и анализировались с использованием модуля APM WinTrans, входящего в состав APM WinMachine. Этот модуль был использован и при определении размеров цилиндрических и конических передач по критерию контактной и изгибной прочности.
С помощью модуля APM WinShaft мы выполнили необходимые расчеты валов и осей, а с помощью модуля APM WinBear были рассчитаны и подобраны подшипники качения различных типов. В качестве примера приведены результаты усталостного расчета одного из валов кормораздатчика (рис. 9). Эти расчеты в той версии APM WinMachine, которая установлена у нас, выполнялись по отдельности, однако в новой версии системы подобная работа может быть выполнена комплексно с помощью нового модуля APM Drive, что обеспечит более глубокий подход к процедуре разбивки передаточных отношений по ступеням и позволит получить оптимальную конструкцию проектируемого привода.
Кроме того, для расчета условного трехзвенника, образованного качалкой храпового механизма, шатуном и эксцентриком, был использован модуль WinSlider. При этом были получены основные параметры (скорости, ускорения шарниров) для каждого из пяти положений эксцентрика, соответствующих пяти скоростям движения продольного транспортера.
Следует отметить, что разработчики программного обеспечения марки APM WinMachine стараются наиболее полно удовлетворять потребности конструктора, создавая все новые и новые инструменты. Например, в последнее время в системе APM WinMachine появился параметрический графический редактор, возможности которого были использованы для создания геометрических библиотек стандартных деталей. В своей работе мы еще не успели воспользоваться данным инструментом, но планируем сделать это при подготовке ближайшего проекта.
Значительно расширены здесь и возможности динамического расчета, включая определение частот собственных колебаний. Расчеты дополнены прогнозированием поведения работы механической системы в условиях действия вынуждающих сил. Это очень важно, так как в условиях вынужденного нагружения система может эксплуатироваться вблизи резонансных частот, что вызывает повышение уровня действующих напряжений и, как результат, поломку конструкции.
Инструменты конструктора-проектировщика, предлагаемые НТЦ АПМ, достаточно просты и интуитивно понятны. Все последующие разработки связаны тесной преемственностью. Это, несомненно, способствует быстрому освоению тех новшеств и усовершенствований, которые постоянно появляются в системе.
«САПР и графика» 4'2001
