Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Машиностроение @vestnik-susu-engineering
Статьи журнала - Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Машиностроение
Все статьи: 658
Статья научная
Представлены основные положения методики расчёта, позволяющей учитывать влияние неньютоновских свойств моторных масел на работу сложнонагруженных подшипников скольжения; а также область её возможного применения и результаты оценки влияния указанных свойств на работу подшипников скольжения коленчатого вала двигателя 4ЧН 13/15.
Бесплатно
Статья научная
Обеспечение требуемого уровня надёжности машин и механизмов на этапе проектирования всегда было актуальным. Для этого на разных этапах проектирования применяется широкий спектр специализированного программного обеспечения, основу которого составляют математические модели, методы и методики расчёта отдельных сопряжений деталей машин. Подшипники скольжения, как правило, являются сопряжениями, лимитирующими надёжность и ресурс машин, поскольку отказы подшипников приводят к остановке машин и производственных процессов. Всё большую актуальность проблема прогнозирования и обеспечения технического ресурса машин приобретает в связи с ростом их нагруженности (в частности, ДВС). Данная статья описывает методику расчёта ресурса гидродинамических подшипников скольжения, основанную на совместном решении гидродинамической и контактной задач. Основу методики и её отличительную особенность составляет математическая модель вязкости смазочного материала, которая отражает явление образования и разрушения адсорбционного граничного слоя на поверхностях трения подшипника. Результатом решения гидродинамической задачи для подшипника скольжения является набор взаимосвязанных гидромеханических характеристик. Минимальная толщина смазочного слоя и её распределение по угловой координате или за цикл нагружения, параметры шероховатости поверхностей подшипника являются ключевыми для расчёта скорости изнашивания и ресурса подшипника. Представлен пример практического применения методики для оценки влияния индивидуальных противоизносных свойств моторного масла на скорость изнашивания шатунного подшипника коленчатого вала двигателя КамАЗ-740, а также влияние величины шероховатости поверхности вкладыша на нагрузочную способность подшипника. В качестве дальнейших направлений развития методики отмечены: оценка абразивного изнашивания подшипника, оценка усталостной долговечности поверхности вкладыша, а также разработка алгоритмов построения кривой износа подшипника.
Бесплатно
Статья научная
Рассмотрены особенности методики решения связанной задачи гидродинамической теории смазки и нелинейной динамики для механической системы «коленчатый вал на подшипниках скольжения». Цель исследования состоит в разработке комплексной расчетной методики оценки работоспособности коренных подшипников коленчатого вала для учета краевых эффектов, обусловленных перекосами осей подвижных и опорных элементов подшипников скольжения. Рассмотрена система коренных подшипников, взаимосвязанных посредством коленчатого вала и картера. Методика основана на совместном численном решении уравнений движения шеек коленчатого вала на смазочных слоях, дифференциального уравнения Рейнольдса для неньютоновской жидкости и теплового баланса для определения гидромеханических характеристик подшипников, а также уравнений пяти моментов для определения нагрузок, действующих на все коренные подшипники с учетом упругих свойств картера, многоопорного коленчатого вала, а также нелинейных свойств смазочных слоев, возможных смещений центров опор и шеек из-за технологических, тепловых и других факторов. При моделировании течения смазочного материала в зазоре каждого подшипника использована модель структурированного смазочного слоя, учитывающая образование на поверхностях трения высоковязких граничных слоев. Для определения упругих свойств блок-картера двигателя и коленчатого вала использованы трехмерные конечноэлементные модели конструкций. Методика позволяет оценивать одновременное влияние ряда конструктивных, технологических и эксплуатационных факторов на работоспособность системы коренных подшипников. Выполнена расчетная оценка гидромеханических характеристик коренных подшипников дизеля типа ЧН 13/15. Показано влияние газовых сил на упругие перемещения опор коленчатого вала.
Бесплатно
Методические аспекты применения численного прочностного анализа силового каркаса квадроцикла
Статья научная
Проектирование конструкции квадроцикла является сложной комплексной инженерной задачей, где разработка силовой несущей рамы является одной из приоритетных, что требует системной методологии. Сугубо аналитические подходы к расчетам, результаты которых могут использоваться при разработке объемной трубчатой рамной структуры, в настоящее время уходят в прошлое, поскольку применяемые в аналитических методах допущения дают существенную расчетную погрешность, что позволяет получить лишь очень приближенную картину распределения напряжений и возникающих деформаций конструкции. Также необходимо учесть, что современные технологии проектирования предусматривают одновременное применение разнообразных профилей не только круглого, но и более сложного сечения, что должно обеспечивать необходимую функциональность разных участков рамы (при обеспечении достаточно большого количества конструкционных требований, предъявляемых к ней), но существенно усложняет расчетные процедуры. При таких вводных данных предварительное виртуальное электронное моделирование реальных изделий в сочетании с последующим численным инженерным анализом является оптимальным и позволяет учесть различные конструктивные и технологические нюансы. Такие программные комплексы, как CATIA, относящиеся к PLM-системам (PLM - англ. product lifecycle management system), дают возможность в рамках единой интерактивной среды производить как моделирование изделий, так и, собственно, серию численных экспериментов. В условиях реального проектирования на производственных мощностях такие работы являются методологически не освоенными и новаторскими. Целью статьи является рассмотрение подходов к оптимизации конструкции силовой рамы квадроцикла с использованием программных компьютерных средств инженерного анализа и предварительно созданной электронной геометрической модели квадроцикла. В частности, затрагиваются вопросы подготовки модели для последующего конечно-элементного разбиения, оценки результатов численного исследования применительно к оценке работоспособности проектируемого силового каркаса квадроцикла в условиях использования компонентной базы ранее разработанных силовых рам мотоциклов и багги.
Бесплатно
Методологические принципы оптимизации распределения мощности между движителями колесных машин
Статья обзорная
Приведены методологические принципы и результаты определения оптимального характера распределения мощности между движителями колесной машины согласно сформулированной целевой функции и системе ограничений.
Бесплатно
Статья научная
Рассмотрены основные типы бесконтактных опор высокоскоростных роторных систем: принцип работы, их преимущества и недостатки, применение. В настоящее время наиболее распространены следующие типы бесконтактных опор: электромагнитные опоры, опоры на постоянных магнитах, газостатические, газодинамические и гибридные. Рассмотрены теоретические и практические методы их исследования. Отмечена высокая сложность классического теоретического расчета, основанного на совместном решении уравнений газовой динамики и механики, что приводит к невозможности аналитического решения и, соответственно, требует использования численных методов. Это, в свою очередь, вводит дополнительную погрешность уже на этапе расчета в дополнение к неизбежным допущениям в исходных уравнениях. В конечном итоге такой расчет можно использовать как оценочный и требующий обязательной экспериментальной проверки, в результате чего процесс проектирования бесконтактной опоры становится итерационным и, соответственно, дорогостоящим. Стоит отметить, что даже при незначительной разнице в характеристиках высокоскоростных роторных систем, такой проектировочный цикл требуется для каждой. На основании анализа публикаций предложен способ упрощения данной проблемы и намечены пути дальнейших исследований.
Бесплатно
Метрологическое обеспечение компьютерного моделирования точности обработки деталей
Статья научная
В статье рассмотрены проблемы применения стандартных определений параметров точности для различных поверхностей. Приведены примеры невозможности применения стандартных характеристик для оценки точности некоторых поверхностей. Показано, что аналогичные проблемы возникают при компьютерном моделировании процессов формообразования отверстий и расчете параметров точности. Приведены методики оценки параметров точности обработки отверстий.
Бесплатно
Статья научная
С каждым годом все сильнее расширяется область применения изделий из волоконно-армированных композитов (ВК). Несмотря на то, что зачастую подобные изделия изготавливаются готовой формы, полностью избежать обработки резанием в настоящее время не удается. Особенности структуры ВК и их компонентов обуславливают необходимость поиска специализированных решений для их механической обработки. Помимо традиционных операций, к которым относятся фрезерование и сверление, в настоящее время возникла потребность в резьбонарезании непосредственно в самих композитных заготовках, однако стандартный резьбонарезной инструмент не обеспечивает требуемое качество обрабатываемой резьбы. Инструменты для обработки заготовок из ВК должны обладать существенными конструктивными отличиями от традиционных с целью формирования рациональных условий резания на режущих клиньях. Таким образом, авторами данной статьи была разработана конструкция специального метчика с четным количеством встречно-направленных винтовых стружечных канавок. К особенностям данного метчика также относится и то, что при шлифовании резьбы на таком метчике дополнительно срезаются участки зубьев с четных и нечетных перьев в шахматном порядке, что позволяет исключить из работы неблагоприятные с точки зрения условий резания участки режущих кромок. Однако такая конструктивная особенность обуславливает необходимость разработки специализированных технологических решений, которые позволят эффективно изготовить подобный метчик. Одной из наиболее проблемных операций в изготовлении данного метчика становится затылование по профилю резьбы. Таким образом, в данной работе помимо определения основных конструктивных параметров таких метчиков проведен расчет максимального радиуса абразивного инструмента для их затылования по профилю резьбы.
Бесплатно
Механизм свободного хода релейного типа
Статья научная
Описываются новые перспективные конструкции механизмов свободного хода. В этих конструкциях через заклинивающие элементы механизмов передается только часть вращающего момента, а основная его часть передается через фрикционные поверхности, что позволяет разгрузить заклинивающие элементы и значительно повысить надежность и долговечность механизмов свободного хода по сравнению с известными схемами. Проведено исследование перераспределения величины крутящего момента, передаваемого через заклинивающие элементы и фрикционные дисковые поверхности. Показана принципиальная возможность снижения величины передаваемого момента через заклинивающие элементы в десятки и сотни раз.
Бесплатно
Многоспицевая безвоздушная шина из композита: прочность и жесткость
Статья научная
Представлена многоспицевая модель безвоздушного колеса, обладающая характеристиками прочности и жесткости, сравнимыми с традиционными пневматическими шинами. В качестве начальной схемы была выбрана конструкция колеса с наклонными спицами, отличающаяся надёжностью и универсальностью за счет возможности изменения формы и угла наклона спиц. Для обоснования конструкции безвоздушного колеса были выполнены предварительные аналитические исследования. Начальные параметры конструкции колеса и действующие нагрузки выбраны на основе аналога - пневматической шины 7,50-20. Были определены зависимости жесткости и прочности гибких спиц от их геометрических параметров и физико-механических свойств конструкционного материала методом сопротивления материалов. Работоспособность полученной конструкции была проверена с помощью анализа напряженно-деформированного состояния методом конечных элементов (МКЭ), при двух основных режимах нагружения транспортного средства: максимальная сила тяги и максимальная статическая нагрузка. МКЭ позволил уточнить параметры спиц, принимая во внимание неравномерность нагружения спиц по окружности колеса, получить нелинейную нагрузочную характеристику безвоздушного колеса (аналогично пневматическому колесу) учитывая возможность контакта спиц между собой при превышении определенного уровня нагрузки. Таким образом, обеспечены размеры необходимого пятна контакта колеса с опорной поверхностью и высокая жесткость при повышенных нагрузках. Полученные результаты позволяют считать предложенную многоспицевую конструкцию безвоздушной шины вполне работоспособной, обладающей повышенной надежностью и возможностью применения в гражданских и военных транспортных средствах.
Бесплатно
Многоспицевая безвоздушная шина из композита: тепловое состояние
Статья научная
В работе представлен анализ установившегося теплового состояния композитных спиц безвоздушного колеса (шины) при движении. Нагрев спиц на высоких скоростях движения - один из основных недостатков безвоздушных колес, проявляемый вследствие наличия внутреннего трения в материалах, поглощающего часть энергии деформации. Повышенная температура материалов колеса оказывает существенное влияние на его работоспособность, так как снижает механические свойства материалов, создает дополнительное термонапряженное состояние и ведет к деградации материала. Рациональным решением данного вопроса является использование современных расчетных методов вместе с применением композитных материалов, обладающих малым внутренним гистерезисным демпфированием. Рассеянная энергия деформирования, представляющая собой площадь петли гистерезиса, определяется вязкоупругими свойствами материала и деформациями при нагружении. Необходимые для расчета теплового состояния вязкоупругие свойства стеклопластика были определены экспериментальным путем на динамическом механическом анализаторе DMA 242 C (NETZSCH). Деформации спиц колеса определены из расчета на статическую прочность, с учетом нюансов предложенной конструкции. Полученные данные были использованы для расчета внутреннего нагрева спиц колеса при движении на двух скоростях: 5 и 90 км/ч. Результаты проведенной работы позволяют считать предложенную многоспицевую конструкцию безвоздушной шины вполне работоспособной, обладающей низким тепловыделением и возможностью применения в гражданских и военных транспортных средствах, в целях повышения надежности и снижения инфракрасной заметности.
Бесплатно
Многоступенчатая электромеханическая трансмиссия промышленного дизель-электрического трактора
Статья научная
Предлагается принципиальная схема многоступенчатой электромеханической трансмиссии промышленного дизель-электрического трактора, обеспечивающей автоматическое регулирование тяговых усилий и скоростей движения трактора в широком диапазоне при относительной стабилизации нагрузки приводного теплового двигателя за счет его работы в режимах с наиболее высокой эффективностью.
Бесплатно
Статья научная
Рассмотрены вопросы описания взаимодействия гусениц с грунтом в математической модели управляемого движения быстроходной гусеничной машины
Бесплатно
Статья научная
Представлена математическая модель, позволяющая определить распределение топлива, отраженного при управляемом взаимодействии топливного факела со стенкой камеры сгорания в различные области пространства сжатия форсированного дизеля с «объемно-пристеночным» смесеобразованием. Результаты расчетов позволяют спроектировать рациональный профиль камеры сгорания с поршнем без выточек под клапаны и увеличенным за счет этого надпоршневым зазором.
Бесплатно
Статья научная
Проблема прогнозирования и обеспечения технического ресурса машин приобретает всё большую актуальность в связи с ростом нагруженности современной техники. Подшипники скольжения являются одними из самых распространённых узлов трения в машинах и механизмах. Решающую роль в процессах изнашивания подшипников скольжения играют смазочные материалы. Современные смазочные материалы содержат различные добавки, улучшающие их свойства, в частности противоизносные присадки. Вопросам изучения и моделирования работы подшипников скольжения посвящено большое количество работ отечественных и зарубежных исследователей. Наименее изученными остаются вопросы граничного трения и смазки. До сих пор не разработаны корректные инженерные методики расчёта деталей машин, в том числе и подшипников скольжения, работающих при граничной смазке. Конструктивные параметры подшипников скольжения машин и механизмов выбираются на ранних стадиях проектирования, где особенно важно использовать модели, отражающие наиболее важные физические явления и процессы, которые влияют на надёжность машины в целом. Данная статья описывает методику моделирования гидродинамических подшипников скольжения с учётом индивидуальных противоизносных свойств смазочных материалов. Построение адекватной математической модели граничного слоя смазки выполнено на основе представлений о закономерностях полимолекулярной адсорбции углеводородных жидкостей, содержащих поверхностно-активные вещества определенной структуры. Выдвинута гипотеза, что каждый из граничных слоёв смазочного материала, адсорбированных на поверхности трения, состоит из двух областей, имеющих между собой условную границу. Модель отражает процессы разрушения адсорбционного граничного слоя смазки. Выполнены тестовые расчеты для статически нагруженного подшипника скольжения с использованием предложенной модели. Дальнейшие исследования направлены на экспериментальное определение параметров модели граничного слоя.
Бесплатно
Статья научная
Одним из важнейших показателей маневренности быстроходной гусеничной машины является время разгона до определенной скорости. На время разгона влияет много факторов: удельная мощность двигателя, сцепные свойства грунта; разбивка передаточных чисел в коробке передач; квалификация человека, управляющего машиной и переключающего передачи вручную, или алгоритм автоматического переключения передач, если машина оборудована автоматической трансмиссией. Объектом исследования в данной статье является моделирование движения гусеничной машины при разгоне с переключением передач «снизу вверх». Математическая модель необходима для отработки алгоритмов управления коробкой передач и оптимизации с ее помощью ряда целевых функций: минимального времени разгона, минимальной работы буксования управляющих фрикционных устройств, максимального использования мощности двигателя, сцепных свойств грунта, минимального расхода топлива. В различных условиях целесообразно оптимизировать алгоритм переключения по разным критериям (из перечисленных). Научной новизной является развитие математической модели движения быстроходной гусеничной машины в части описания работы фрикционных управляющих устройств, тормозов и фрикционов, фиксирующих те или иные основные звенья планетарных механизмов, из которых состоит коробка передач исследуемой машины. В частности, определены моменты, передаваемые фрикционами во включенном состоянии, после окончания буксования. Этот метод предложен Ю.В. Беренгардом и успешно использован авторами для математического описания не только фрикционов, но и тормозов, которые останавливают эпициклы планетарных механизмов первой и второй передач. Интерес представляют новые возможности моделирования: во-первых, не требуется изменения структуры математической модели в буксующем состоянии и во включенном, и во-вторых, модель позволила правильно описывать работу фрикциона при перегрузке по моменту - теперь он пробуксовывает и вновь замыкается после снятия внешней перегрузки.
Бесплатно
Статья научная
Статья посвящена исследованию динамических характеристик виброзащитного кресла и механической системы «кресло - оператор» промышленного гусеничного трактора. Исследования проводились для виброзащитного кресла Sibeco. Система подрессоривания кресла включает настраиваемый по массе и росту водителя пневматический упругий элемент и гидравлический амортизатор, а также податливую подушку. Целью работы является определение нелинейных упругих характеристик системы подрессоривания и подушки, а также характеристик эквивалентного вязкого трения. Упругие характеристики получены при статических испытаниях. При этом на кресло последовательно помещались грузы и регистрировались перемещения. Упругая характеристика стстемы подрессоривания регистрировалась при различных настройках пневматической рессоры. По результатам испытаний получена нелинейная регрессионная зависимость, связывающая усилие на кресле с его перемещением и параметром, характеризующим настройку. Аналогично получена статическая упругая характеристика подушки кресла. Для определения характеристик эквивалентного вязкого трения проведены динамические испытания. Кресло с установленными на нем грузами помещалось на вибростенд. Во время определения характеристик системы подрессоривания подушка кресла демонтировалась. При исследовании характеристик подушки воздух из пневматической рессоры выпускался, система подрессоривания кресла фиксировалась. В процессе испытаний определялись амплитудно-частотные характеристики (АЧХ) системы. Коэффициенты эквивалентного вязкого трения определялись на основе сравнения расчетных и экспериментальных АЧХ. По результатам испытаний установлено, что динамическая жесткость подушки кресла существенно превышает статическую. Полученные характеристики в дальнейшем будут использованы при разработке динамической модели системы «гусеничный трактор - виброзащитное кресло - тело оператора». Расчетные исследования с помощью модели позволят на ранних стадиях проектирования прогнозировать вибрации на месте водителя, вызванные перемещением опорных катков по звеньям гусеницы, и осуществлять корректировку параметров системы с целью выполнения санитарных норм.
Бесплатно
Статья научная
Статья посвящена разработке математической модели промышленного трактора с полужесткой подвеской. Модель предназначена для расчетного исследования вибраций на месте водителя, вызванных низкочастотным воздействием со стороны гусеничного движителя. Выполнен обзор известных математических моделей, описывающих динамику системы «грунт - гусеничный движитель - корпус трактора - кабина - виброзащитное кресло - водитель». Рассмотрены различные методы моделирования грунта и гусениц трактора. Для моделирования подсистемы «грунт - гусеница - опорные катки - тележка» предложено использовать пакет программ ANSYS Motion. Модель подробно описывает ходовую систему с учетом реальной геометрии траков гусениц, расстановки опорных катков, а также других конструктивных особенностей. Для описания деформирования грунта в пакете программ используются зависимости, предложенные Беккером и Вонгом. В статье представлены результаты моделирования динамики гусеничной тележки промышленного трактора Т-130 Челябинского тракторного завода при движении по деформируемому грунту. Расчеты выполнены для трех видов грунта и для различного расположения опорных катков. Получены процессы вертикальных и угловых перемещений тележки. Анализ результатов расчетов показал, что предложенная модель отображает влияние свойств грунта и конструкции ходовой системы на колебания движущегося трактора. Полученные в результате моделирования процессы будут использованы в качестве входного воздействия для модели, описывающей подсистему «корпус трактора - кабина - виброзащитное кресло - водитель». Модель будет использована для расчетных исследований при оптимизации виброзащиты оператора трактора. Предполагается разработать рекомендации по изменению расстановки опорных катков и упругодемпфирующих характеристик элементов виброзащиты для минимизации вибрационного воздействия на оператора трактора.
Бесплатно
Моделирование динамики совершенного газа в кольцевых соплах летательных аппаратов
Статья научная
Рассмотрена динамика совершенного газа в кольцевых соплах летательных аппаратов. Представлены расчетная область кольцевого сопла и система уравнений для математического моделирования нестационарных осесимметричных смешанных течений совершенного газа в интегральной форме. Решение системы уравнений проводится методом установления с использованием конечно-разностной схемы С.К. Годунова - В.П. Колгана. Представлены результаты математического моделирования течений совершенного газа в кольцевом сопле с укороченным центральным телом.
Бесплатно
Моделирование и анимация ходьбы плоских моделей шагающих аппаратов
Статья научная
Предложены алгоритмы моделирования и анимации ходьбы шагающих аппаратов, описанных в статье [1]. Продемонстрировано применение для этих целей свободно распространяемых информационных технологий (SVG, CSS, JavaScript). Для построения среды имитационного моделирования ручного управления ходьбой применена архитектура MVC. Описан опыт использования полученных результатов в учебном процессе.
Бесплатно
