Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Машиностроение @vestnik-susu-engineering
Статьи журнала - Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Машиностроение
Все статьи: 681
Статья научная
Разработана математическая модель изменения распределения зерен на рабочей поверхности абразивного инструмента в результате их радиального износа скалыванием в процессе шлифования. В модели учитывается смещение всех вершин к периферии на величину износа круга за один оборот. Все разновидности изнашивания поверхности абразивного инструмента объединены в три вида: механическое истирание вершины зерна, скалывание вершины, вырывание зерна из связки. Допускается, что за время контакта на одной вершине можно реализовать все три вида изнашивания. Вид изнашивания определяется по максимальной величине радиального износа за рассматриваемый цикл. Принимается, что каждое зерно за рассматриваемый период взаимодействия подвергается только одному виду изнашивания, а вероятности этих событий составляют полную группу. Существенной новизной проекта является представление процесса изнашивания вершин абразивных зерен при единичном акте взаимодействия, как марковского процесса с дискретным временем состоянием, а процесса формирования рабочей поверхности абразивного инструмента, как суперпозицию таких марковских процессов. В представленной модели переходные вероятности рассчитаны по экспериментально полученному закону распределения износа вершин зерен при скалывании. Изложена методика и результаты экспериментального исследования изнашивания зерен скалыванием при шлифовании. Определен радиальный износ вершин зерен при микроцарапании отдельными зернами и глубина резания, при которой происходит скалывание. Доказано, что распределение износа с наибольшей вероятностью подчиняется закону Вейбулла. Установлены функциональные зависимости параметров закона распределения от глубины скалывания. Модель может быть использована для изучения изменения рельефа рабочей поверхности при шлифовании абразивными инструментами различной зернистости и вида материала.
Бесплатно
Математическое моделирование модернизированного ударно-вибрационного механизма
Статья научная
В данной статье рассмотрена математическая модель модернизированного ударно-вибрационного механизма для уплотнения сыпучих материалов (в том числе трудно деформируемых), основанного на четырёхзвенном механизме, в состав которого входит рычаг Архимеда. В статье указаны плюсы данного механизма относительно предшествующего. Отображены формулы для расчета коэффициентов увеличения движущей силы привода. Описана математическая модель механизма, состоящая из геометрического, кинематического и силового расчетов. Исходя из математической модели, подобраны необходимые условия для успешной работы этого механизма. На кафедре «Колесных и гусеничных машин» ЮУрГУ спроектирована 3D-модель рабочего органа на основе четырехзвенного механизма и всей опытной установки. Специально спроектированная опорная поверхность рамы (столу) позволяет регулировать высоту уплотнения от 10 до 250 мм. Что позволит после изготовления установки, провести не только испытания четырехзвенного механизма, но и понять на какую глубину и с каким эффектом он способен уплотнить. По проведенным раннее испытаниям на ударно-вибрационном стенде с шарнирно-рычажным механизмом при высоте уплотнения 65 мм, были подтверждены технологические возможности и преимущества этого механизма в сравнении с вибрационной технологией уплотнения, принятой на современных колесных или гусеничных бетоноукладчиках, а именно контрольные образцы бетона показали увеличение прочности в 1,2-1,4 раза в сравнении с прочностью образцов, полученных по традиционной технологии уплотнения. Но также были обнаружены относительные недостатки такой конструкции, которые устранены в модернизированном ударно-вибрационном механизме на основе четырехзвенного механизма.
Бесплатно
Математическое моделирование мультиинертного колебательного механизма
Статья научная
Отмечено, что свободные гармонические колебания классического маятника обусловлены взаимным преобразованием кинетической энергии груза в потенциальную энергию пружины. Разработаны осцилляторы с другим характером энергообмена, например преобразованием кинетической энергии груза в энергию магнитного поля соленоида или энергию электрического поля конденсатора. Все эти колебательные системы и подобные им явились предпосылкой создания биинертного осциллятора, в котором ускорение одного груза происходит за счет торможения другого, т.е. происходит обмен только кинетическими энергиями. Целью работы является математическое моделирование мультиинертного колебательного механизма. Основными методами исследования в рамках настоящей работы являются методы математического моделирования и анализа. Использованные методы позволяют получить достоверное описание исследуемых объектов. В предложенном мультиинертном осцилляторе инертные тела массой m каждое осуществляют гармонические колебания, обусловленные взаимным обменом кинетической энергией. Потенциальная энергия пружин для этого не требуется. Колебания тел являются свободными. Особенностью мультиинертного осциллятора является то, что частота его свободных колебаний не фиксирована и определяется преимущественно начальными условиями. Эта особенность может оказаться весьма полезной для технических приложений, например, для самонейтрализации механической реактивной (инерционной) мощности. Образованный инертными телами n-угольник осуществляет сложное движение - орбитальное вращение вокруг центра координат и спиновое вращение вокруг своей оси, проходящей через центр n-угольника. При этом каждый груз совершает линейные гармонические колебания вдоль своей направляющей. При расположении направляющих грузов не в виде звезды, а параллельно друг другу углы между соответствующими кривошипами необходимо составят 360/n градусов.
Бесплатно
Математическое моделирование плазменного подогрева цилиндрической заготовки
Статья научная
В статье рассматривается вопрос математического моделирования процесса плазменно-механической обработки круглых цилиндрических заготовок для случая стационарного и нестационарного режимов. Подогрев заготовки плазменной дугой позволяет значительно снизить прочностные характеристики обрабатываемого материала и существенно повысить производительность операций формообразования. При построении теплофизической модели используется авторская методика, базирующаяся на действии фиктивных приповерхностных внутренних источников теплоты. Основой моделирования служат дифференциальные уравнения переноса тепла в частных производных в предположении анизотропности и температурной инвариантности физико-механических свойств обрабатываемых материалов. Начальные и граничные условия учитывают как конвективный теплообмен с окружающей средой, так и теплоотдачу излучением в инфракрасном диапазоне. Для стационарного и нестационарного режимов методом Фурье рассчитаны температурные поля, позволяющие определить значение и градиентную картину в приповерхностном слое заготовки, подвергающемся наибольшему нагреву. Полученные соотношения приведены к инженерному виду, удобному для проведения практических расчетов. Отличительной особенностью построенных моделей является возможность построения температурных полей вне зависимости от размеров заготовки, так как все соотношения выведены в безразмерном виде с единым характерным размером - радиусом обрабатываемого вала. Проведенный численный эксперимент показал границы применимости и необходимости использования соотношений, учитывающих нестационарность режима на уровне половины характерного размера. При обработке валов длиной более радиуса заготовки влияние времени становится несущественным и процесс можно считать стационарным. Кроме того, расчеты дали возможность найти оптимальное с точки зрения длительности бесперегревной работы инструмента расстояние между резцом и плазменной горелкой в безразмерном виде.
Бесплатно
Математическое моделирование течений в областях отрыва потока
Статья научная
Рассмотрено обтекание гиперзвукового летательного аппарата, движущегося в плотных слоях атмосферы. Значительное влияние на газодинамические и тепловые характеристики гиперзвукового летательного аппарата оказывает отрывная донная область. С помощью численных методов проведено математическое моделирование газодинамических параметров отрывной донной области за гиперзвуковым летательным аппаратом при различных условиях работы. Предложена модель отрывной донной области, позволяющая определять газодинамические параметры отрывного течения за срезом гиперзвукового летательного аппарата.
Бесплатно
Математическое моделирование течений многокомпонентных сред в кольцевых соплах
Статья научная
Рассмотрены течения многокомпонентных сред в кольцевых соплах управляемых газоструйных систем различных геометрических конфигураций на различных режимах работы. Предложен подход для моделирования течений многокомпонентных сред в кольцевых соплах со сложной ударно-волновой структурой. Получены результаты численных исследований динамики многокомпонентных сред в кольцевых соплах.
Бесплатно
Математическое моделирование устройства для глубокого уплотнения грунтов
Статья научная
В данной статье рассмотрена принципиальная схема устройства для глубокого уплотнения грунтов с использованием конусных роликов, расположенных между водилом и забурником через равные углы, за счет чего устройство будет представлять естественную динамически-уравновешенную механическую систему. Указаны преимущества данного устройства относительно предшествующих прототипов. По принципиальной схеме определена половина угла всего устройства, состоящая из угла между центром устройства и осью конусных роликов α и угла наклона образующих конусного ролика β. По схеме конусного ролика выражена формула для определения меньших радиуса и диаметра конусного ролика. Также определены средний радиус и длина образующей конусного ролика. Рассмотрена схема определения площади контакта конусного ролика с грунтом. По этой схеме составлена зависимость, из которой определена длина дуги площади контакта конусного ролика с грунтом. Выражена площадь контакта образующей конусного ролика с поверхностью грунта. По принципиальной схеме устройства определена реакция опорной поверхности конусного ролика на грунт. Записана формула для определения напряжения на контактной поверхности конусного ролика. Составлена формула силы трения, с помощью которой определен необходимый крутящий момент для начала вращения одного конусного ролика. Определена зависимость крутящего момента на приводном валу от геометрических характеристик устройства и от механических характеристик грунта с учетом количества конусных роликов и передаточного отношения. Выведена формула для определения осевой силы внедрения, действующей на один конусный ролик. Определена зависимость осевой силы внедрения от геометрических параметров устройства и от механических характеристик грунта с учетом количества конусных роликов.
Бесплатно
Статья научная
В статье рассмотрены аспекты определения предельной силы тяги на ведущих колёсах наземных транспортно-технологических машин (НТТМ) с колёсной формулой 4×2. Для этого были выявлены критерии, ограничивающие максимальное значение силы тяги на ведущих колесах, которое можно реализовать на машинах такого типа. Эти критерии определяются крутящим моментом, создаваемым двигателем и преобразуемым трансмиссией, и укрупнённо относятся к следующим группам: связанные с началом буксования ведущих колес, определяющие опрокидывание НТТМ и предельные моменты для разрушения элементов трансмиссии. В статье представлены математические зависимости, разработанные для определения предельных значений силы тяги на колесах НТТМ. Авторами разработана модель, которая позволяет проводить численные эксперименты для определения оптимальных параметров двигателя и трансмиссии, что, в свою очередь, позволяет определить и предельную силу тяги, с которой можно оперировать при дальнейшей разработке проекта. Эти зависимости позволяют учесть в уравнении тягового баланса воздействие различных факторов, которые оказывают влияние на реализацию крутящего момента, таких как масса машины, включая распределение массы по осям и относительное положение центра масс, коэффициент трения, угол наклона дороги и другие параметры взаимодействия с опорной поверхностью, а также характеристики трансмиссии, ограничивающие тяговые возможности машины. После преобразования полученных математических выражений авторами статьи описана зависимость, определяющая предельно допустимый момент вращения на коленчатом валу двигателя. Это позволяет учитывать характеристики двигателя при определении предельной силы тяги и обеспечивает возможность выбора мощностных показателей двигателя для конкретной транспортно-технологической машины и передаточных чисел трансмиссии.
Бесплатно
Статья научная
Выполнено отображение в форме аналитических зависимостей внешней скоростной и регуляторных характеристик дизелей. Уравнения содержат в явном виде главный управляющий параметр двигателя - положение органа управления подачей топлива.
Бесплатно
Метод малоизносной эксплуатации автомобильных двигателей
Статья научная
Представлена концепция повышения долговечности автомобильных двигателей методом малоизносной эксплуатации на основе разработанного комплекса теоретико-методических, технических и расчетно-экспериментальных решений контроля и управления смазочным процессом в подшипниках коленчатого вала. Разработан и экспериментально проверен комплекс методик малоизносной эксплуатации автомобильных двигателей. Подробно описана методика определения малоизносных режимов нагружения двигателей с помощью разработанной авторами автоматизированной системы оценки смазочного процесса. Установлены экспериментальные закономерности изменения износостойкости подшипников коленчатых валов в зависимости от нагрузочно-скоростного режима работы дизельного двигателя КамАЗ-740.14-300. Сделан вывод, что максимальная износостойкость подшипников обеспечивается при нагружении двигателя на режимах в диапазонах частот вращения коленчатого вала от 45 до 60 % и крутящего момента на коленчатом валу от 10 до 30 % от номинальных значений. Установлено, что в условиях реального городского и загородного движения автобус НефАЗ-5299-08 с двигателем КАМАЗ движется с оптимальными скоростями, соответствующими максимальной износостойкости подшипников коленчатого вала, в среднем в 20 % случаях, а повышенной износостойкости (рациональными) - в среднем по всем передачам в 52 %. Это свидетельствует о том, что имеется резерв повышения долговечности за счет преимущественной эксплуатации двигателей автотранспортных средств на малоизносных режимах. В целом, при движении автобуса на малоизносных рациональных скоростях увеличение долговечности в среднем составило бы 16,1 %, а на малоизносных оптимальных - 33,8 %. Новый метод определения малоизносных условий эксплуатации автомобильного двигателя требует существенно меньших трудовых, временных и материальных ресурсов, чем при использовании традиционных методов определения параметров процесса изнашивания пар трения. Обеспечение малоизносной эксплуатации двигателей автобусов и автомобилей в автотранспортных предприятиях возможно, например, за счет обучения водителей малоизносным способам запуска и прогрева, а также вождения.
Бесплатно
Метод математического моделирования гидродинамического трения плунжерных пар с учетом микрогеометрии
Статья научная
Система впрыска топлива в значительной степени зависит от топливного насоса высокого давления, который играет решающую роль в ее общей производительности. Топливный насос высокого давления служит ключевым звеном в этой системе, обеспечивая необходимое давление для эффективного впрыска топлива в двигатель. Его работа имеет непосредственное воздействие на эффективность сгорания топлива и, как следствие, на мощность двигателя и выбросы вредных веществ. Особое внимание уделяется плунжеру топливного насоса, поскольку именно он подвергается высоким нагрузкам и нерегулярной смазке при динамических нагрузках. Постоянные циклы давления и движения могут вызвать износ плунжера, что, в свою очередь, может привести к снижению производительности системы впрыска топлива. В промышленном секторе лазерное микротекстурирование поверхности используется для уменьшения трения и улучшения противоизносных свойств, и его положительное влияние подтверждено как теоретическими, так и экспериментальными данными. В статье представлен метод определения гидромеханических характеристик плунжерных пар в условиях гидродинамического трения. Микрогеометрия поверхностей трения учитывалась за счет эффекта кавитации смазывающей жидкости, описываемого модифицированным уравнением Рейнольдса. Программное обеспечение было разработано по предложенному методу. Разработанное программное обеспечение может быть использовано для анализа контактирующих поверхностей плунжерных пар и оценки их триботехнических характеристик на основе параметров микрогеометрии поверхностей трения. Также в статье рассматривается влияние параметров микрогеометрии на критерии качества гидромеханических характеристик плунжерных пар. Приведены расчетные примеры анализа контактирующих поверхностей плунжерных пар, разделенных слоем смазки. Технические характеристики оценены в зависимости от параметров микрогеометрии шероховатости поверхностей трения. Представлено влияние параметров микрогеометрии на критерии качества гидромеханических характеристик плунжерных пар.
Бесплатно
Метод нанесения твердохромового покрытия на внутренние цилиндрические поверхности
Статья научная
Рассмотрены процессы хромирования применительно к внутренним поверхностям цилиндров гидроприводов с гидростатическими направляющими. Проанализированы основные факторы, снижающие производительность электрохимического осаждения хрома вне зависимости от вида поверхности, а именно: применение в качестве электролита смести хромовой кислоты с активными анионами с низкой, рассеивающей способностью, использование нерастворимых анодов и токов высокой плотности. Представлены особенности хромирования внутренних поверхностей гидроцилиндра, а именно ограниченность применения установок в зависимости от типоразмеров деталей и неравномерность скорости осаждения хрома по длине детали. Для нанесения покрытия на внутренние поверхности разработана установка, включающая катод, анод, бак и трубопровод. Отличительными особенностями установки является способ подачи электролита под наклоном к горизонтали, что позволяет подавать электролит в виде турбулентного потока, закручивающегося по винтовой траектории, и корпус установки, который является хромируемой деталью. В процессе работы проводились экспериментальные исследования по подбору режимов нанесения твердохромового покрытия на внутренние поверхности гидроцилиндра. В результате работы определено оптимальное соотношение хромового ангидрида и серной кислоты в составе электролита, которое равно 10:1 соответственно, и режимы его нанесения. Хромовые покрытия, полученные с использованием разработанного концентрированного электролита и способа хромирования, обладают повышенной на 5…20 % твердостью и уменьшенной пористостью в 10…30 раз при образовании блестящих твердых осадков, что соответствует коррозионностойкому и износостойкому покрытию.
Бесплатно
Статья научная
В работе разработан метод определения проектных параметров системы «упругий летательный аппарат - пусковое устройство» при подводном старте, учитывающий упругость корпуса летательного аппарата. В процессе движения летательного аппарата в пусковом устройстве происходит его нестационарное взаимодействие с водой и упругими элементами системы амортизации пускового устройства. Учет упругих колебаний корпуса летательного аппарата в воде представляет собой сложную междисциплинарную задачу вследствие физической разнородности системы «упругий летательный аппарат - вода» и отсутствия унифицированного математического аппарата для комплексного описания ее поведения. На основе применения метода потенциала простого слоя и представления корпуса летательного аппарата в виде свободной балки получены зависимости для определения коэффициентов гидродинамических сил, действующих на упругий летательный аппарат. Для описания динамики летательного аппарата при движении в пусковом устройстве представлена система дифференциальных уравнений. Результаты решения системы дифференциальных уравнений используются для определения распределения внутренних силовых факторов по оси летательного аппарата и динамических сил, действующих на пусковое устройство, а также для определения кратчайших расстояний между летательным аппаратом и пусковым устройством при старте. Демонстрируются сравнительные результаты расчета обжатия элемента амортизации пускового устройства с учетом и без учета упругости корпуса летательного аппарата. Разработанный метод позволяет более точно определять нагрузки, действующие на летательный аппарат, и перемещения относительно пускового устройства, что необходимо при разработке новых конструкций летательных аппаратов и пусковых устройств, обладающих минимальной массой и габаритами.
Бесплатно
Статья научная
Рассмотрен метод оптимизационного кинематического синтеза на примере плоского восьмизвенного рычажного механизма. Механизм предназначен для воспроизведения заданного движения выходного звена и траектории движения указанной точки. Синтез выполняется на основе структурных свойств механизма.
Бесплатно
Метод разделения общего припуска между последовательно выполняемыми операциями точения
Статья научная
Почти все технологические процессы в практике производства предусматривают обработку поверхностей или за несколько проходов, выполняемых на отдельных операциях, или в виде переходов одной операции. Для объективности получения результата важно учитывать максимальное количество факторов и характер их влияния при назначении потребной величины припуска, так как это позволит назначать величину припуска более обоснованно, а это означает снижение затрат на изготовление деталей при сохранении заданного качества. Для экономичной и производительной работы в условиях массового и крупносерийного производства имеет особое значение решение следующей задачи: разделить общий припуск на слои в такой пропорции, чтобы получить величины стойкости резцов, связанные между собой определенным отношением. Представлено аналитическое решение задачи определения припусков при последовательной обработке детали на нескольких токарных операциях. Методика расчета предполагает получение величин стойкости инструментов на последовательных операциях, связанных между собой заранее определенным соотношением стойкости режущего инструмента с учетом ограничивающих параметров по максимальному крутящему моменту на шпинделе станка, по надежности работы зажимного устройства. Решение проводится методом итераций. Показано, что если обработка производится на автоматической линии или на многорезцовом оборудовании, выгодно выполнять переналадку обоих резцов одновременно при одной остановке работы. В этом случае отношение стойкостей должно быть целым числом или дробью, обратной целому числу.
Бесплатно
Метод расчета течения вязкой среды в каналах распылительной форсунки дизеля
Статья научная
Предложен метод расчета течения в каналах распылительного устройства дизеля. Показана эффективность применения конформных отображений для преобразования области течения в параметрический прямоугольник с ортогональной сеткой. Продемонстрировано, как краевые задачи для вычисления отображающих функций могут быть решены методом конечного элемента (МКЭ).
Бесплатно
Метод расчёта аэродинамических характеристик крыла и системы «корпус - крыло»
Статья научная
Основным методом определения аэродинамических характеристик крыла при дозвуковой скорости является непосредственное решение интегродифференциального уравнения крыла. Для решения задачи предлагается использовать приближённый метод расчёта, полученный в результате кардинальной переработки этого способа. Результаты сравниваются с некоторыми известными решениями
Бесплатно
Статья научная
Стандартные спиральные сверла имеют значительный конструктивный недостаток: передние углы на поперечной режущей кромке имеют существенные отрицательные значения. Минимизация этого недостатка связана с подточкой кромки абразивным инструментом. Выбор этого инструмента, его параметров и параметров установки относительно сверла определяет размеры подточки и величины передних углов на участке подточки. Трудности такого выбора обусловлены наличием у спиральных сверл винтовых стружечных канавок и их пересечением с главными задними поверхностями. В работе показана методика определения указанных выше рациональных параметров с использованием классического твердотельного моделирования в программе «КОМПАС 3D». Среди параметров: диаметр абразивного круга, радиус его профиля, межосевое расстояние, расстояние от оси круга до начала режущей части сверла, угол скрещивания их осей и угол поворота базового торца круга относительно базовой осевой плоскости сверла. В качестве критерия выбора принято максимальное значение главного переднего угла сверла на участке подточки. Методика основана на создании параметрической модели стандартных сверл с автоматическим перестроением модели по их размерам из стандартов. Стружечная канавка моделируется винтовым движением исходной инструментальной поверхности стандартной фрезы. Методика предназначена для специалистов предприятий, занимающихся доводкой инструментов под конкретные производственные условия.
Бесплатно
Методика и результаты оптимизации параметров сложнонагруженных подшипников скольжения
Статья научная
Приводится методика и результаты решения задачи оптимизации конструктивных параметров сложнонагруженных подшипников скольжения. Поле гидродинамических давлений в смазочном слое подшипников определяется интегрированием модифицированного уравнения Элрода. Показано, что выбором оптимальных параметров, прежде всего, вязкостно-температурной зависимостью масла, можно существенно улучшить все гидромеханические характеристики, определяющие износостойкость подшипников, усталостную долговечность антифрикционного слоя, потери на трение.
Бесплатно
Методика определения частоты вращения вала центробежного компрессора и дизель-генератора
Статья научная
Измерения выходных параметров энергетических установок, в частности частоты вращения вала, необходимо определять с высокой точностью. Показания значений штатных частотомеров не удовлетворяют этим требованиям, поэтому необходимо использовать современные методы. В данной работе представлен альтернативный метод определения частоты вращения вала центробежного компрессора и коленчатого вала дизель-генератора с применением датчика Холла. Был изучен эффект Холла, проведен эксперимент и полученные результаты были сравнены с результатами со штатных приборов измерения. Для этого была реализована схема измерения, которая включает датчик Холла, осциллограф, элемент питания. Были проведены многократные измерения, необходимые для увеличения точности снятия данных. В результате были получены оптимальные величины зазора (между датчиком и замыкающим элементом), точное отображение на экране осциллографа значений напряжений входного сигнала. Проведены измерения частоты вращения вала центробежного компрессора и дизель-электрического агрегата питания. В эксперименте использовалась программа «DisCo» и осциллограф «ВМ8020». При снятии показаний со штатного частотометра погрешность измерений составляет 2 %, а в предложенном методе измерения погрешность составляет 1 %. Эксперимент подтвердил, что данный метод является более точным, простым и надежным в эксплуатации. Достоинство работы состоит в том, что для проведения настроечных работ на агрегате питания можно, используя компьютерную программу и осциллограф «ВМ8020», с высокой точностью определить частоту вращения коленчатого вала двигателя. Найдено наиболее приемлемое решение точного определения частоты вращения вала компрессора и коленчатого вала дизельного агрегата. Данную методику по определению частоты вращения вала возможно применять в любых установках стационарного типа.
Бесплатно
