В работе рассматривается компьютерное моделирование динамики взаимодействия элементов шнекороторного рабочего органа (шнек и ротор-метатель) с почвогрунтом при прокладке противопожарных полос и тушении низовых лесных пожаров. Разработанная в КОМПАС-3D трёхмерная модель позволяет визуализировать процесс подачи грунта, оценить траектории движения частиц. Полученные результаты служат основой для обоснования рациональных конструктивных параметров (угол резания, радиус ступеней ротора, скорость вращения) и технологических режимов работы машины, что в итоге направлено на повышение эффективности тушения пожаров и прокладки полос.
моделирование, Компас 3D, шнек, ротор, детали, сборка
Введение
Проблема профилактики и ликвидации лесных пожаров остаётся значимой для лесного хозяйства как Российской Федерации, так и зарубежных стран. В числе наиболее результативных мероприятий по предупреждению и тушению возгораний выделяют формирование противопожарных полос, а также локализацию огня посредством подачи грунта на кромку пламени с использованием грунтометательных машин. Вместе с тем в конструктивном исполнении данных машин сохраняется нерешённой задача эффективной подачи грунта к роторам‑метателям. В технологических решениях для транспортировки сыпучих и кусковых материалов наибольшее распространение получили рабочие органы шнекового типа.
В работе Д.Ю. Глазкова и др. [1] доказано, что увеличение коэффициента заполнения кожуха не пропорционально росту производительности. Неравномерность показателей производительности обусловлена формированием в поперечном сечении шнека двух слоёв материала, характеризующихся различной скоростью перемещения.
В статье [2] представлены результаты теоретического анализа энергозатрат при эксплуатации модернизированного шнекового рабочего органа агрегата, разработанного с целью повышения эффективности очистителя от мелких примесей, который широко используется в технологическом процессе первичной обработки хлопка.
В работе [3] изучен процесс смешивания сыпучих материалов, который применяют во многих отраслях. В комбикормовой отрасли этот процесс осложняется большим разнообразием размеров частиц. Это приводит к сегрегации, т.е. разделению частиц на фракции при одновременном смешивании.
В статьях [4-5] рассмотрена проблема создания грунтометательных машин для предупреждения и тушения лесного низового пожара. Цель исследования повышение эффективности удаления растительного напочвенного покрова из потока грунта при предупреждении и тушении возгораний за счет оптимизации параметров шнекового рабочего органа грунтометательной машины. Предложена новая конструктивно-технологическая схема устройства, а также выведены теоретические зависимости, описывающие его рабочие процессы.
Анализ литературных источников показал, что актуальными вопросами при создании новых лесопожарных машин являются методы автоматического проектирования.
Переход от плоских чертежей к объемным цифровым двойникам кардинально изменил подходы к проектированию, производство 3D-моделей несет в себе исчерпывающую информацию о геометрии, массе, объеме и физических свойствах объекта.
3D‑моделирование стало ключевым инструментом в проектировании и эксплуатации лесопожарной техники: оно позволяет непросто визуализировать машину, а полноценно тестировать её ещё до появления физического прототипа.
Таким образом, 3D моделирование техники – это полноценный инструмент, который повышает надёжность, снижает издержки и делает технику удобнее и безопаснее как для разработчиков, так и для конечных пользователей.
Кроме того, на базе 3D‑библиотек типовых узлов (рамы, кронштейны, гидроцилиндры) можно менять навесное оборудование, сохраняя базовую конструкцию. Это ускоряет разработку новых модификаций и удешевляет производство.
На этапе проектирования цифровой модели навесного оборудования сразу проверяется, насколько узлы совместимы друг с другом. Это помогает выявить коллизии (например, когда деталь мешает движению) в CAD системе, а не на сборке в цехе.
Трёхмерное моделирование позволяет на раннем этапе проектирования проверить собираемость конструкции, выявить пересечения деталей, подготовить наглядные демонстрационные материалы.
Целью статьи является демонстрация принципа работы шнекороторного механизма. Анимация и 3D‑модель — лучший способ наглядно предоставить информацию, как именно работает шнекороторный метатель. Часто это эффективнее, чем чертежи и формулы.
Материалы и методы
Шнекороторные механизмы находят применение в питателях сыпучих материалов и других машинах. Их рабочий процесс основан на взаимодействии двух функциональных узлов: шнекового питателя, который подаёт материал к центру, и ротора-метателя, который выбрасывает его в сторону.
Для моделирования данного процесса использовался КОМПАС-3D это комплексное программное обеспечение для решения широкого круга задач в области трёхмерного проектирования, которое состоит из нескольких тесно интегрированных компонентов:
- Система трёхмерного моделирования:
- Чертежно-графический редактор «КОМПАС-График»;
- Модуль проектирования спецификаций;
- Текстовый редактор.
С помощью прикладных библиотек КОМПАС проектировались валы и подшипники (рис. 1):
Рисунок 1 – Проектирование стандартных изделий
Моделирование рабочего процесса шнекороторного механизма в КОМПАС-3D строилось на нескольких ключевых принципах это:
– Эскизирование;
– Операции формообразования;
– Работа в Дереве построения;
– Визуализация и оформление;
– Анимация сборки.
Задача моделирования показать расположение и работу всех элементов в сборке и проверить пересечение компонентов. Важно выявить, не накладываются ли физически объёмы деталей друг на друга в сборке. Если такое наложение есть, при реальной сборке детали просто не встанут на свои места, что приведёт к сбою, а иногда и к поломке. Для этого выполнялась проверка коллизий.
На некоторые компоненты накладывалась прозрачность для видимости внутреннего устройства узлов сборки (рис. 2):
Рисунок 2 – Свойства компонента
При моделировании деталей входящих в сборку необходимо производить разнесение компонентов. Разнесение компонентов в сборке КОМПАС-3D нужно в первую очередь для наглядности – чтобы показать конструкцию в «разобранном» виде, чётко выделив каждую деталь (рис. 3):
Рисунок 3 – Компоненты в разборке
Работу шнекороторного механизма можно видеть на (рис. 4) где шнек подает песок к ротору → ротор с лопатками захватывает песок и выбрасывает через направляющее отверстие. Шнек в такой схеме работает как вспомогательный «транспортёр»: он расположен под наклоном относительно ротора и активно подгребает грунт прямо к зоне захвата. Дальше ротор подхватывает массу и выводит её наружу (рис. 4):
Рисунок 4 – Визуализация сборки шнекороторного механизма
При моделировании любого оборудования в КОМПАС‑3D можно увидеть, как рабочие органы взаимодействуют между собой, достаточно повернуть 3D‑вид. В результате количество доработок сокращается и сроки вывода модели уменьшаются (рис. 5):
Рисунок 5 – Визуализация сборки по разным направлениям
Анимация в КОМПАС-3D позволяет имитировать движение механизмов, проверять коллизии (соударения деталей), создавать видеоролики. При создании анимации шнекороторного механизма использовалась стандартная библиотека «Механика: Анимация».
С помощью библиотеки создана анимация, имитирующая движение компонентов сборки – как поступательное перемещение по заданной траектории частиц песка, так и вращение вокруг оси шнека и ротора.
Заключение
В ходе работы было показано, что применение КОМПАС‑3D для моделирования рабочего процесса шнекороторного механизма позволяет комплексно решать задачи проектирования и наглядной демонстрации работы устройства. Моделирование в КОМПАС‑3D повышает обоснованность проектных решений и сокращает количество доработок на стадии изготовления опытного образца.
1. Основные параметры горизонтального шнека с U-образным кожухом / Д.Ю. Глазков, А.Н. Глобин, И.Н. Краснов [и др.] // Вестник аграрной науки Дона. – 2024. – Т. 17, № 1(65). – С. 48-55. – DOI:https://doi.org/10.55618/20756704_2024_17_1_48-55 EDN: https://elibrary.ru/FETZNG
2. Ражабов И.Я. Теоретический анализ определения потребляемой мощности в шнековой части очистителя / И.Я. Ражабов, М.М. Агзамов, М.М.К. Каримова // Endless Light in Science. – 2023. – № 2-2. – С. 251-260. DOI: https://doi.org/10.24412/2709-1201-2023-251-160; EDN: https://elibrary.ru/TSSLEN
3. Садов В.В. Интенсификация процесса смешивания комбикормов в вертикальном шнековом смесителе / В.В. Садов, С.А. Сорокин // Вестник Алтайского государственного аграрного университета. – 2023. – № 4(222). – С. 86-92. – DOI:https://doi.org/10.53083/1996-4277-2023-222-4-86-92. EDN: https://elibrary.ru/FNOQLR
4. Поздняков А.К. Обзор кинематических и динамических характеристик шнекового рабочего органа грунтомета-полосопрокладывателя на виртуальном стенде в лесных условиях. Механика и машиностроение. Наука и практика. Материалы международной научно-практической конференции. - СПб: Индивидуальный предприниматель Жукова Елена Валерьевна, 2022. – с. 111-112. EDN: https://elibrary.ru/VFFALK
5. Оптимизация параметров шнековых рабочих органов лесопожарной грунтометательной машины / П.И. Попиков, А.К. Поздняков, В.П. Попиков [и др.] // Повышение эффективности лесного комплекса: Материалы Восьмой Всероссийской национальной научно-практической конференции с международным участием, Петрозаводск, 24 мая 2022 года. – Петрозаводск: Петрозаводский государственный университет, 2022. – С. 161-162. EDN: https://elibrary.ru/DCGOAY
