Моделювання конструкційно-експлуатаційних геометричних параметрів і характеристик механічних дискових ґрунтообробних знарядь з перспективою роботизації
| dc.contributor.advisor | Яблонський, Петро Миколайович | |
| dc.contributor.author | Воробйов, Олексій Миколайович | |
| dc.date.accessioned | 2026-04-30T12:07:41Z | |
| dc.date.available | 2026-04-30T12:07:41Z | |
| dc.date.issued | 2026 | |
| dc.description.abstract | Воробйов О.М. Моделювання конструкційно-експлуатаційних геометричних параметрів і характеристик механічних дискових ґрунтообробних знарядь з перспективою роботизації. – Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії в галузі знань 13 «Механічна інженерія» за спеціальністю 131 «Прикладна механіка» – Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», Київ, 2026. Актуальність теми виконаного дослідження обумовлена потребами теорії та практики в подальшому вдосконаленні конструкційно-експлуатаційних геометричних параметрів і характеристик різноманітних машин, зокрема дискових знарядь для механічного обробітку ґрунту. Зазначені питання також важливі на нинішньому етапі розвитку нашої держави, пов’язаному з воєнними діями на її території. У цей скрутний час сільське господарство, де дискові знаряддя для обробітку ґрунту найбільш розповсюджені, відіграє одну з провідних ролей в економіці України. Тому покращення його ефективності становить нагальну проблему для багатьох наукових розвідок. Відомо, що форма, розміри та положення складових технічних об’єктів суттєво впливають на їхнє проєктування, виготовлення, подальшу експлуатацію, якість промислової продукції. Не виключенням із наведеного правила є також дискові знаряддя для механічного обробітку ґрунту, яким присвячено дане дисертаційне дослідження. Окреслені параметри й характеристики формують базові показники багатьох відповідних аграрних процесів. Це стосується, наприклад, впливу на врожайність рослинних культур, енергетичних, матеріальних, фінансових та інших витрат, дотримання екологічних вимог і т. д. Методи, спрямовані на вивчення об’єктів шляхом використання замість оригіналів подібних до них моделей, становлять основу широкого кола наукових досліджень. Такий підхід дозволяє у прийнятні терміни пізнавати тривалі та швидкоплинні явища і процеси, економити при цьому різноманітні ресурсиВідомо, що моделі поділяються на матеріальні та інформаційні. Перші відображують досліджувані властивості опрацьовуваних об’єктів, явищ і процесів за допомогою певних предметів, речовин тощо, а другі – шляхом застосування необхідних описів. У залежності від характеру останніх виокремлюють лінгвістичні, математичні, комп’ютерні та інші моделі. Кожні з них за своїми ознаками поділяються на відповідні види. Зокрема, математичні бувають аналітичними, геометричними, детермінованими, стохастичними, дискретними, неперервними, статичними, динамічними, комбінованими (наприклад, графоаналітичними) тощо. Стрімкий розвиток автоматизованого проєктування продукції машинобудування багато в чому обумовлений досягненнями у сфері комп’ютерного геометричного моделювання на основі NURBS (Non-Uniform Rational BSplines), тобто неоднорідних раціональних базисних сплайнів. Наведені засоби дозволяють уніфіковано подавати всі криві та поверхні другого порядку, а також фігури вищих степенів. Це слугує підґрунтям для гнучкого відтворення віртуальних твердотільних об’єктів шляхом їхнього граничного представлення, іншими словами B-rep (Boundary representation) методами. У даному випадку тривимірне тіло подається обмежуючими границями у вигляді граней, ребер і вершин. Логічним продовженням окресленої технології постає параметричне конструювання в середовищі сучасних машинобудівних CAD/CAE/CAM (Computer-Aided Design / Computer-Aided Engineering / Computer-Aided Manufacturing) систем. Це дозволяє гнучко і продуктивно генерувати різноманітні проєктні варіанти опрацьовуваних виробів з метою їхньої комплексної оптимізації. Подальшим узагальненням такого підходу є запропонована науковою школою «Геометричного моделювання об’єктів, процесів та явищ» КПІ ім. Ігоря Сікорського методологія структурнопараметричного формоутворення, яка апробована у вітчизняній авіаційній галузі. Наявні способи, прийоми та алгоритми можуть бути не тільки успішно застосовані для проєктування іншої техніки, наприклад сільськогосподарської, а й належним чином удосконалені, що також становить завдання даного дослідження. Зокрема, це стосується інтеграції процесів проєктування та експлуатації дискових знарядь для механічного обробітку ґрунту, тобто відповідних етапів їхнього життєвого циклу. Зазначене дозволяє підвищувати якість сільськогосподарської техніки, знижувати витрати на неї. Основою для узгодження суперечливих вимог при багатокритеріальній оптимізації промислової продукції зазвичай постають геометричні моделі, які поєднують поміж собою інші моделі (конструкційні, міцності, технології виготовлення, експлуатаційні тощо). Отже, викладеними вище фактами показано актуальність обраної теми наукових розвідок. Дисертацію виконано на кафедрі нарисної геометрії, інженерної та комп’ютерної графіки Національного технічного університету України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського» в рамках науковотехнічної роботи «Автоматизоване варіантне геометричне моделювання технічних об’єктів» із державним номером реєстрації 0114U002701. Об’єктом дослідження є проєктування та експлуатація механічних виробів. Предмет дослідження становлять інтегровані конструкційноексплуатаційні геометричні моделі дискових сошників і підгортачів. Даними науковими розвідками проведено аналіз нинішнього стану проєктування технічних об’єктів машинобудування на прикладі сільськогосподарських знарядь для механічного обробітку ґрунту, визначено деякі перспективні напрямки їхнього розвитку. Зокрема, це стосується дискових засобів, які, порівняно з іншими, характеризуються меншими енергетичними витратами при реалізації різноманітних аграрних технологій, кращим збереженням корисних властивостей ґрунту, більшою відповідністю наявним екологічним вимогам. Також було показано провідне місце в зазначених процесах автоматизованого проєктування комп’ютерних геометричних моделей, які для інших дисциплін відіграють об’єднувальну роль при узгодженні існуючих протиріч під час комплексної оптимізації. На підставі викладених вище фактів і міркувань визначено пріоритетні завдання даного дослідження. Головну мету при цьому становить напрацювання належного математичного апарату варіантного інтегрованого моделювання дискових знарядь для механічного обробітку ґрунту. Мається на увазі поєднання конструкційних та експлуатаційних геометричних параметрів і характеристик наведених виробів. Для розв’язування окреслених задач використовувалися методи автоматизованого проєктування технічних об’єктів, конструювання продукції машинобудування, ґрунтообробної механіки, аграрних технологій, математичного аналізу, обчислювальної геометрії, теорії множин і графів, оптимізації, програмування, комп’ютерної графіки. У дисертації представлено новий підхід до моделювання таких дискових знарядь для механічного обробітку ґрунту, як сошники й підгортачі. Подано запропонований математичний апарат, що спирається на структурнопараметричну методологію формоутворення. Розглянуто належні моделі, відповідну комп’ютерну реалізацію, проаналізовано застосовані та напрацьовані способи, прийоми й алгоритми, вказано напрямки їхнього подальшого вдосконалення. Здійснено впровадження результатів виконаного дослідження у практику сільськогосподарського виробництва та навчальний процес вищої школи. Окреслено перспективні напрямки моделювання дискових знарядь для механічного обробітку ґрунту. Наукова новизна результатів дисертації. Уперше: – обґрунтовано доцільність використання інтегрованого підходу до моделювання конструкційно-експлуатаційних геометричних параметрів та характеристик дискових знарядь для механічного обробітку ґрунту на засадах методології структурно-параметричного формоутворення; – розроблено математичний апарат інтегрованого моделювання конструкційно-експлуатаційних геометричних параметрів і характеристик дискових сошників та підгортачів; – розроблено спосіб керування отримуваним профілем борозни за допомогою кутів позиціонування дисків на основі встановлених відповідних аналітичних залежностей; – напрацьовано концептуальну конструкцію універсальних дводискових сошників, пристосованих для здійснення як звичайної, так і вузькорядної сівби; – розроблено конструкцію дводискового сошника з гнучкою багатоланковою стовбою у вигляді роботизованої системи з дистанційнокерованими елементами; – розроблено метод граничних оцінок впливу профілю борозни на експлуатаційні енергетичні характеристики ґрунтообробних знарядь, який проілюстровано на прикладі дводискових сошників. Удосконалено теорію автоматизованого варіантного проєктування виробів машинобудування запропонованими інтегрованими конструкційноексплуатаційними геометричними моделями дискових знарядь для механічного обробітку ґрунту. Отримала подальший розвиток методологія структурно-параметричного формоутворення технічних об’єктів машинобудування шляхом розширення застосування принципу інтеграції на визначення конструкційно-експлуатаційних геометричних параметрів і характеристик дискових сошників та підгортачів. Таким чином, значення виконаних досліджень для науки полягає у здійсненні певного вкладу в розвиток автоматизованого варіантного проєктування технічних об’єктів машинобудування на основі запропонованого математичного апарату інтегрованого опрацювання конструкційно-експлуатаційних геометричних параметрів і характеристик дискових знарядь для механічного обробітку ґрунту, а для практики – у побудові належних моделей цієї продукції. Наведені досягнення покращують якість сільськогосподарської техніки, сприяють зменшенню різноманітних витрат при її проєктуванні, виготовленні та експлуатації, а також можуть бути використані під час створення інших схожих виробів, наприклад, для демаркації територій, прокладання автомобільних і залізничних шляхів, певних мереж, мінування та розмінування тощо. Отримані в дисертаційному дослідженні наукові результати впроваджено: – у фермерському господарстві «Росток» Кіровоградської області Уляновського району Кам’янобрідської сільської ради при проведеннілабораторно-польових експериментальних досліджень. Було вдосконалено конструкцію стовби сошника сівалки, яке полягає в можливості гнучкого налаштування потрібної глибини та ширини посівної борозни, кута нахилу її бокових стінок відповідно до розмірів насіння. Це дозволило здійснювати якісний висів різного за розмірами насіння ячменю й кукурудзи без додаткових, передбачених заводськими інструкціями налаштувань. Регулювання кутів кришення і зсуву поверхневого шару ґрунту дисками сошника розробленої конструкції при сівбі кукурудзи забезпечує розрахункову економію пального до 0,15 л/га залежно від ґрунтово-кліматичних умов та глибини внесення насіння. Покращення загортання насіння та ущільнення дна посівної борозни (насіннєвого ложа) запропонованим пристроєм обумовлює підтік вологи й поживних речовин до насіння знизу, що підвищує польову схожість ячменю на 2,5 %, кукурудзи на 3% в порівнянні з серійною сівалкою СЗ-3,6А; – у навчальний процес Національного технічного університету України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського» у вигляді методик автоматизованого варіантного моделювання технічних об’єктів машинобудування під час викладання дисципліни «Інженерна та комп’ютерна графіка». За темою дисертаційного дослідження опубліковано 24 роботи. З них: у періодичних наукових виданнях за спеціальністю «131 Прикладна механіка», що індексуються базою даних Scopus, – 1; у фахових наукових виданнях України за спеціальністю «131 Прикладна механіка» – 8, за спеціальністю «133 Галузеве машинобудування» – 1, за спеціальністю «113 Прикладна математика» – 2; 10 праць у матеріалах науково-практичних конференцій; 1 патент на винахід, 1 патент на корисну модель. | |
| dc.description.abstractother | Vorobiov O. M. Modelling of design and operational geometric parameters and characteristics of mechanical disc tillage tools with the prospect of robotics. – Qualifying scientific work on the rights of the manuscript. Dissertation for the degree of Doctor of Philosophy in the field of knowledge «13 Mechanical Engineering» in the specialty «131 Applied Mechanics» - National Technical University of Ukraine «Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute», Kyiv, 2026. The relevance of the research topic is determined by the needs of theory and practice in further improving the design and operational geometric parameters and characteristics of various machines, in particular, disc tools for mechanical soil cultivation. These issues are also important at the current difficult stage of development of our state, associated with military actions on its territory. Agriculture, where disc tillage tools are the most common, plays one of the leading roles in the economy of Ukraine in these difficult times. Therefore, improving its efficiency is an urgent problem for many scientific studies. It is known that the shape, dimensions, position and construction materials of the components of technical objects have significantly affect their design, manufacture, further operation and the quality of industrial products. Disc implements for mechanical soil cultivation, which are the subject of this dissertation research, are no exception to this rule. The outlined parameters and characteristics form the basic indicators of many relevant agricultural processes. This applies, for example, to the impact on crop yields, energy, material, financial and other costs, compliance with environmental requirements, etc. Methods aimed at studying objects by using models similar to them instead of originals form the basis of many scientific studies. This allows us to learn about longterm and fleeting phenomena and processes within a reasonable time frame, while also saving various resources. Models are divided into material, which reflect the studied properties by certain objects, substances, etc., and informational, which represent the objects, phenomena and processes with the necessary descriptions. Depending on the nature of the latter, linguistic, mathematical, computer and other models are distinguished. Each of them is divided into corresponding types according to their characteristics. In particular, mathematical models can be analytical, geometric, deterministic, stochastic, discrete, continuous, static, dynamic, combined (for example, graph-analytical), etc. The rapid development of modern automated design of mechanical engineering products is largely due to achievements in the field of computer geometric modelling based on NURBS (Non-Uniform Rational B-Splines). These tools present all second-order curves and surfaces, as well as higher-order figures. This serves as the basis for the flexible reproduction of virtual solid objects through their boundary representation, in other words B-rep. In this case, а threedimensional body is represented by boundary limits in the form of faces, edges and vertices. A logical extension of this technology is parametric design in the environment of modern mechanical engineering CAD/CAE/CAM (ComputerAided Design / Computer-Aided Engineering / Computer-Aided Manufacturing) systems. This allows for the flexible and productive generation of various design options for the products being developed with the aim of their comprehensive optimisation. A further generalization of this approach is the methodology of structural-parametric shaping proposed by the scientific school «Geometric Modelling of Objects, Processes and Phenomena» of the Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute, which has been tested in the domestic aviation industry. The existing methods, techniques and algorithms can be successfully applied not only to the design of other machinery, such as agricultural equipment, but also properly improved, which is also the task of this study. In particular, this concerns the integration of the design and operation processes of disc implements for mechanical soil cultivation, i.e. the corresponding stages of their life cycle. This allows improving the quality of agricultural machinery and reducing its costs. The basis for reconciling conflicting requirements in multi-criteria optimisation of industrial products is usually geometric models that combine other models (constructional, strength, manufacturing technology, operational, etc.). Thus, the above facts demonstrate the relevance of the chosen topic of scientific research. The dissertation was completed at the Department of Descriptive Geometry, Engineering and Computer Graphics of the National Technical University of Ukraine «Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute» within the framework of scientific and technical work «Automated Variant Geometric Modelling of Technical Objects» with state registration number 0114U0027. The object of the research is the design and operation of mechanical products. The subject of the research is integrated design and operational geometric models of disc coulters and hilling machines. These scientific studies analyzed the current state of design of technical objects in mechanical engineering using the example of agricultural implements for soil cultivation and identified some promising areas for their development. In particular, this applies to disc implements, which, compared to others, are characterized by lower energy consumption in the implementation of various agricultural technologies, better preservation of the useful properties of the soil and greater compliance with existing environmental requirements. The leading place in the specified processes of automated design of computer geometric models was also demonstrated, which for other disciplines play a unifying role in reconciling existing contradictions during complex optimisation. The priority objectives of this study were determined based on the above facts and considerations. The main goal is to develop an appropriate mathematical apparatus for variant integrated modelling of disc implements for mechanical soil cultivation. This involves combining the design and operational geometric parameters and characteristics of the given products. To solve the outlined problems, methods of automated modelling of technical objects, design of mechanical engineering products, soil cultivation mechanics, agricultural technologies, mathematical analysis, computational geometry, set and graph theory, optimisation, programming, computer graphics were used. The dissertation presents a new approach to modelling such disc implements for mechanical soil cultivation as coulters and hilling machines. The proposed mathematical apparatus based on the structural-parametric methodology of shaping is presented. The appropriate models and corresponding computer implementation are considered, the applied and proposed methods, techniques and algorithms are analyzed, and directions for their further improvement are indicated. The research results have been implemented into agricultural production and the educational process of higher school. Promising directions of modelling disc implements for mechanical soil cultivation are outlined. Scientific novelty of the dissertation results. For the first time: – The feasibility of using an integrated approach to modelling the design and operational geometric parameters and characteristics of disc implements for mechanical soil cultivation based on the methodology of structural-parametric shaping was substantiated; – The mathematical apparatus for integrated modelling of design and operational geometric parameters and characteristics of disc coulters and hilling tools was developed; – The method for controlling the resulting furrow profile using disc positioning angles based on the established corresponding analytical dependencies was developed; – The conceptual design of universal double-disc coulters adapted for both conventional and narrow-row sowing was developed; – The double-disc coulter design with a flexible multi-link column in the form of a robotic system with remotely controlled elements was developed; – The method of restrictive estimates of the furrow profile influence on the operational energy characteristics of soil cultivation implements was developed, which was illustrated on the example of double-disc coulters. The theory of automated variant design of mechanical engineering products was improved by the proposed integrated design and operational geometric models of disc implements for mechanical soil cultivation. The methodology of structural-parametric shaping of mechanical engineering technical objects was developed by extending the application of the principle of integration to determine the design and operational geometric parameters and characteristics of disc coulters and hilling tools. Thus, the significance of the research for science lies in making a certain contribution to the development of automated variant design of technical objects of mechanical engineering based on the proposed mathematical apparatus of integrated processing of design and operational geometric parameters and characteristics of disc implements for mechanical soil cultivation, and for practice – in the construction of appropriate models of these objects. The above achievements improve the quality of agricultural machinery, contribute to reducing various costs in its design, manufacture and operation, and can also be used in the creation of other similar products, for example, for demarcation, laying of roads and railways, certain networks, mining and demining, etc. The scientific results obtained in the dissertation research have been implemented: – In the Rostok farm of the Kirovograd region, Ulyanovsky district, Kamenobrodsky village council, during laboratory and field experimental studies. The design of the seed coulter was improved, which consists in the possibility of flexible adjustment of the required depth and width of the seed furrow, the angle of inclination of its side walls in accordance with the size of the seeds. This made it possible to sow barley and corn seeds of different sizes without additional settings provided by the factory instructions. Adjusting the angles of crushing and shifting the surface layer of soil with the coulter discs of the developed design when sowing corn provides a calculated fuel saving of up to 0.15 l/ha, depending on soil and climatic conditions and the depth of seed placement. Improving the depth of seed embedding and compaction of the seed furrow bottom (seed bed) with the proposed device ensures the flow of moisture and nutrients to the seeds from below, increases the field germination of barley by 2.5%, corn – by 3% compared to the SZ-3,6A serial seeder; – In the educational process of the National Technical University of Ukraine «Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute» in the form of methods for automated variant modelling of mechanical engineering technical objects during the teaching of the discipline «Engineering and Computer Graphics». 24 works have been published on the topic of the dissertation research. Of these: in periodical scientific publications in the specialty «131 Applied Mechanics» indexed by the Scopus database – 1; in professional scientific publications of Ukraine in the specialty «131 Applied Mechanics» – 8, in the specialty «133 Industry Mechanical Engineering» – 1, in the specialty «113 Applied Mathematics» – 2; 10 works in the materials of scientific and practical conferences; 1 patent for invention, 1 patent for a utility model. | |
| dc.format.extent | 229 с. | |
| dc.identifier.citation | Воробйов, О. М. Моделювання конструкційно-експлуатаційних геометричних параметрів і характеристик механічних дискових ґрунтообробних знарядь з перспективою роботизації : дис. … д-ра філософії : 131 Прикладна механіка / Воробйов Олексій Миколайович. – Київ, 2026. – 229 с. | |
| dc.identifier.uri | https://ela.kpi.ua/handle/123456789/80551 | |
| dc.language.iso | uk | |
| dc.publisher | КПІ ім. Ігоря Сікорського | |
| dc.publisher.place | Київ | |
| dc.subject | автоматизоване проєктування | |
| dc.subject | механічний обробіток ґрунту | |
| dc.subject | робочий орган | |
| dc.subject | робоча поверхня | |
| dc.subject | профіль борозни | |
| dc.subject | інтегровані конструкційноексплуатаційні геометричні моделі | |
| dc.subject | дискові сошники та підгортачі | |
| dc.subject | кути встановлення | |
| dc.subject | структурно-параметричне формоутворення | |
| dc.subject | синтез варіантів та їх оптимізація | |
| dc.subject | структурні елементи | |
| dc.subject | роботизовані системи | |
| dc.subject | маніпулятор | |
| dc.subject | математичне та комп’ютерне моделювання | |
| dc.subject | економія ресурсів | |
| dc.subject | automated design | |
| dc.subject | mechanical tillage | |
| dc.subject | working body | |
| dc.subject | working surface | |
| dc.subject | furrow profile | |
| dc.subject | integrated design and operational geometric models | |
| dc.subject | disc coulters and hilling machines | |
| dc.subject | installation angles | |
| dc.subject | structural-parametric shaping | |
| dc.subject | synthesis of options and their optimization | |
| dc.subject | structural elements | |
| dc.subject | robotic systems | |
| dc.subject | manipulator | |
| dc.subject | mathematical and computer modelling. resource saving | |
| dc.subject.udc | 621.01:631.31 | |
| dc.title | Моделювання конструкційно-експлуатаційних геометричних параметрів і характеристик механічних дискових ґрунтообробних знарядь з перспективою роботизації | |
| dc.title.alternative | Modelling of design and operational geometric parameters and characteristics of mechanical disc tillage tools with the prospect of robotics | |
| dc.type | Thesis Doctoral |
Файли
Контейнер файлів
1 - 1 з 1
Ліцензійна угода
1 - 1 з 1
Ескіз недоступний
- Назва:
- license.txt
- Розмір:
- 8.98 KB
- Формат:
- Item-specific license agreed upon to submission
- Опис: