Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Машиностроение @vestnik-susu-engineering
Статьи журнала - Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Машиностроение
Все статьи: 658
Статья научная
На примере операций круглого шлифования с поперечной подачей, выполняемых на металлорежущих станках с автоматическим циклом обработки и управлением от прибора активного контроля, приведено краткое описание методики расчета оптимальных управляющих программ. Оптимизация параметров цикла шлифования выполнена методом динамического программирования.
Бесплатно
Статья научная
Несмотря на появление новых высокопроизводительных металлообрабатывающих станков с ЧПУ, в отечественном машиностроении до сих пор не решена проблема, связанная с существующей низкой производительностью операций, выполняемых на данных станках. Причиной этого является отсутствие нормативно-справочной литературы, САПРов и инженерных методик, позволяющих проектировать циклы для станков с ЧПУ, которые удовлетворяли бы требованиям современного автоматизированного производства. На практике данную проблему решают двумя путями: 1) покупкой режимов резания у производителей оборудования, 2) методом побора режимов резания путем обработки ряда пробных заготовок. Оба пути требуют значительных дополнительных затрат, которые в итоге накладываются на конечную себестоимость выпускаемой продукции и не решают проблемы повышения производительности операций, выполняемых на станках с ЧПУ, в целом по всему отечественному машиностроению. Решением данной проблемы является рассматриваемая в данной статье методология проектирования оптимальных циклов внутреннего шлифования, которая базируется на двух основополагающих моделях: модели составляющих силы резания и модели съема металла. Силовая модель процесса внутреннего шлифования связывает силы резания с режимами обработки и охватывает большую часть основных технологических параметров. Модель съема металла отражает взаимосвязь программного и фактического значений радиальной подачи с упругими деформациями технологической системы, а также позволяет рассчитывать величину фактически снятого припуска, текущие значения радиусов обрабатываемого отверстия, силы резания, времени съема для заданного цикла шлифования и др. В качестве математического метода оптимизации циклов шлифования используется метод динамического программирования. Применение данного метода обусловлено тем, что он не требует построения заранее границ области допустимых ограничений и не является чувствительным к свойствам моделей управления и ограничений. Методология проектирования оптимальных циклов внутреннего шлифования позволяет с математической точностью рассчитывать оптимальные значения радиальной и осевой подач на всех ступенях цикла, оптимальное распределение снимаемого припуска по ступеням цикла для радиальной и осевой подач, при которых обеспечивается минимальное время цикла с учетом заданных технологических ограничений целевой функции.
Бесплатно
Статья научная
Рассматривается методика и примеры синтеза многозвенных механических систем на основе полученных целочисленных решений исходного структурного уравнения механики. Установлено, что данное алгебраическое уравнение с двумя неизвестными имеет конечное множество из девяти решений в целых числах, которые могут быть использованы для построения (на основе этих решений) возможных структур механических систем взаимосвязанных твердых тел.
Бесплатно
Статья научная
В работе представлен метод формирования точного автомодельного решения задачи гидродинамического расчета клиновидной опоры (ползун, направляющая), работающей на электропроводящем жидком смазочном материале, обусловленном расплавом направляющей, с учетом зависимости вязкости и электропроводности жидкого смазочного материала от давления. Решение задачи найдено на основе системы уравнений, описывающих движения несжимаемого жидкого электропроводящего смазочного материала для случая «тонкого слоя» с учетом зависимости вязкости и электропроводности жидкого смазочного материала от давления, уравнения неразрывности и выражения для скорости диссипации механической энергий для определения функции, обусловленной расплавом поверхности направляющей, покрытой расплавом легкоплавкого покрытия. Асимптотическое решение системы дифференциальных уравнений с учетом граничных условий на поверхности направляющей, ползуна и контура y=-Ф(х) найдено в виде рядов по степеням малого параметра К, обусловленного расплавом и скоростью диссипации механической энергии. Для определения поля скоростей и давления в смазочном и расплавленном слое находится точное автомодельное решение для нулевого и первого приближения. В результате нахождения точного автомодельного решения найдено значение функции Ф1(х), обусловленной расплавом направляющей (параметр М, характеризующий толщину расплавленной пленки). Дана оценка влияния следующих параметров: А (обусловленного наличием электрического поля), N (числа Гартмана), М (характеризующий толщину расплавленной пленки), К (обусловленного расплавом и скоростью диссипации механической энергии), альфа (параметр характеризующий зависимость вязкости смазочного материла от давления), В (вектора магнитной индукции) и Е (вектора напряженности электрического поля) на основные рабочие характеристики упорного подшипника скольжения (несущую способность и силу трения). Результаты численного анализа показывают, что значительно уточнены расчетные модели упорных подшипников скольжения в результате дополнительного одновременного учета при их разработке зависимости от гидродинамического давления таких важных факторов, как вязкость жидкого электропроводящего смазочного материала, электропроводность, а также влияния толщины расплавленной пленки легкоплавкого металлического покрытия, магнитной индукции и напряженности электрического поля. Триботехнические расчетные величины уточнены в следующем порядке: сила трения на 43 %, несущая способность на 18 %.
Бесплатно
Статья научная
Анализ напряженного и деформированного состояний твердотельной детали тонкостенной формы, выполнен с помощью конечно-элементного пакета COSMOSWorks. Граничные условия сформированы особенностью конструкции и эксплуатационными нагрузками. Напряжения вычислены по критерию Мизеса. В расчетную модель детали введены сферические пустоты, имитирующие дефекты литья: раковины и неметаллические включения.
Бесплатно
Моделирование нестационарной эжекции
Статья научная
Апробирован способ компьютерного трёхмерного моделирования в программном пакете ANSYS CFX для исследования рабочих процессов в динамических насосах трения путём сравнения его результатов с данными физического эксперимента. Выполнено трёхмерное моделирование рабочего процесса струйного насоса при его запуске и выходе на стационарный режим работы. Сравнение результатов моделирования с данными, полученными при расчёте по одномерной физико-математической модели нестационарной эжекции, подтвердило её адекватность и перспективность применения методов численного трёхмерного моделирования.
Бесплатно
Моделирование обработанной поверхности при шлифовании некруговым торцовым абразивным инструментом
Статья научная
Топография поверхности оказывает значительное влияние на её эксплуатационные показатели, в частности - на износостойкость. Наибольшим сопротивлением износу обладает поверхность с перекрещивающимся типом направлений неровностей. Для получения таких поверхностей на цилиндрической поверхности разработан абразивный инструмент в форме диска с торцовой некруговой рабочей поверхностью. Такой инструмент имеет широкие возможности по формированию на цилиндрической поверхности микрорельефов различной направленности. Тем не менее, прогнозирование шероховатости, получаемой в результате этого сложного процесса, с целью управления им, является задачей, требующей отдельного рассмотрения. В статье приводится обзор проблематики прогнозирования шероховатости обработанной поверхности при шлифовании некруговым торцовым инструментом. Ставится задача разработки математической модели прогнозирования шероховатости, указываются основные особенности процесса, учитываемые при моделировании. Разработанная модель строится на основе представления единичного абразивного зерна произвольной формы совокупностью отдельных режущих элементов, имеющих различные условия контакта с обрабатываемой поверхностью. Для каждой точки определяются режущая, деформирующая и не контактирующая с поверхностью детали. Таким образом формируется царапина от единичного зерна, а совокупность таких царапин образует обработанную поверхность с перекрещивающимся типом направления неровностей. Модель дает возможность прогнозировать параметры шероховатости обработанной поверхности и определять характеристики контакта с сопрягаемой поверхностью. Для проверки адекватности разработанной модели проведен ряд экспериментов, выполненных в промышленных условиях на валках листопрокатных станов. Эксперимент показал, что износостойкость поверхности, обработанной торцовым абразивным инструментом, выше на 30-40 % по сравнению с обработанной по традиционной технологии.
Бесплатно
Статья научная
Неэффективное использование станков с ЧПУ на внутришлифовальных операциях из-за отсутствия нормативов и методик расчета оптимальных циклов привело к тому, что в современных автоматизированных производствах выбор параметров цикла производится вручную экспериментальным путем подбора режимов резания при существенном занижении их уровня. Для решения данной проблемы разработана методика расчета оптимальных циклов внутреннего шлифования, которая включает в себя модель процесса шлифования, математический метод оптимизации, целевую функцию и модели ограничений. Требование по обеспечению точности обрабатываемой поверхности является обязательным для любой операции шлифования. Поэтому ограничение по точности обработки относится к числу важнейших и обязательных в системе оптимизации режимных параметров цикла. В связи с тем, что внутреннее шлифование используется для обработки точных отверстий 6-7 квалитета, допуски на операционных картах задаются не только для диаметральных размеров, но и для отклонений формы и расположения, выполнение которых требует существенной корректировки цикла. Поэтому разработанная модель ограничений по точности для операций внутреннего шлифования позволяет рассчитать все основные виды погрешностей, возникающих в процессе внутреннего шлифования: погрешность диаметральных размеров, отклонение от круглости и цилиндричности, отклонение профиля продольного сечения, радиальное и полное радиальное биение. Все виды погрешностей в модели ограничений по точности определяются через фактические значения радиусов обрабатываемой поверхности, рассчитываемые путем моделирования процесса съема металла с каждого радиуса. Причем расчет фактических радиусов ведется с учетом исходного биения обрабатываемого отверстия и особенностей упругих деформаций технологической системы. Разработанная модель ограничений по точности обработки предназначена для использования в системе оптимизации автоматических циклов внутреннего шлифования с целью оптимального распределения по ступеням цикла значений программных подач и снимаемой части припуска, обеспечивающих заданную точность обрабатываемой поверхности.
Бесплатно
Статья научная
Представлена математическая модель динамики и смазки многослойных гидродинамических подшипников с учетом потерь на трение в источниках смазки и в зоне кавитации, результаты параметрические исследования влияния конструктивных и режимных параметров на уровень вибраций цапф ротора турбокомпрессора и гидромеханические характеристики его подшипников. Представлены созданные на основе использования алгоритмов расчеха и программного обеспечения расчетов многослойных подшипников скольжения быстровращающихся роторов конструкции подшипников для турбокомпрессора ТКР-8,5С.
Бесплатно
Моделирование процесса разрушения покрытия водоледяной струей при очистке деталей машин
Статья научная
В период эксплуатации агрегаты и детали машин подвергаются негативному воздействию окружающей среды, которое, в свою очередь, приводит к образованию налета, в виде остатков старого лакокрасочного покрытия, продуктов горения горюче-смазочных материалов, различных масляных и жировых пленок, а так же следов коррозии. Различные виды загрязнений снижают эксплуатационные характеристики изделий, ухудшают их внешний вид, усложняют процесс ремонта оборудования. В статье сформирована классификация загрязнений, наиболее часто встречающихся на поверхностях деталей машин после длительной эксплуатации. Рассмотрены и проанализированы известные методы очистки поверхностей. Описан процесс очистки поверхностей деталей машин от загрязнений водоледяной струей с заранее подготовленными частицами, а также процесс формирование водоледяной струи. Описаны преимущества данного метода: низкая себестоимость, безотходность, повышение качества обработанной поверхности и экологичность, что значительно отличает его от ранее известных. Показана схема взаимодействия частицы льда с покрытием, на основе которой разработана теплофизическая модель разрушения загрязнений водоледяной струей. Теплофизическая модель позволяет научно обоснованно назначать режимы обработки и параметры водоледяной струи. В заключении представлены зависимости силы трения ледяной частицы с преградой (загрязнением), изменения размера частицы льда при очистке и количества тепла, перешедшего в частицу льда.
Бесплатно
Моделирование процесса распыления расплава в газовой струе
Краткое сообщение
Проведены математические расчеты и компьютерное моделирование процесса распыления расплава в струе газа с использованием пакета ANSYS. При моделировании жидкая медь рассматривается как совокупность сферических дисперсных частиц, движущихся в потоке газа. Сравнение результатов компьютерного моделирования с результатами экспериментов показало удовлетворительное совпадение.
Бесплатно
Статья научная
Приведены результаты расчета процесса свободного резания заготовки из композитного материала методом конечных элементов. В результате расчета определено напряженно-деформированное состояние фрагмента заготовки, описаны начальные и граничные условия. Результаты расчета имеют качественную сходимость с экспериментальными данными
Бесплатно
Моделирование процесса сгорания в ДВС с воспламенением гомогенного заряда от сжатия
Статья научная
Разработана модель процесса сгорания топливно-воздушной смеси в двигателях внутреннего сгорания, основанная на уравнениях химической кинетики и учитывающая динамику изменения параметров рабочего тела. Введен новый параметр - условная продолжительность реакции окисления молекулы топлива. Произведена серия расчетов рабочего цикла двигателя с воспламенением гомогенного заряда от сжатия при использовании в качестве топлива диметилового эфира и метана.
Бесплатно
Моделирование рабочего пространства станка с параллельной кинематикой
Статья научная
Выполнено математическое моделирование рабочего пространства шестикоординатного станка, построенного на основе параллельной кинематики.
Бесплатно
Моделирование режимов работы низкотемпературного газогенератора
Статья научная
Низкотемпературный газогенератор (НТГГ) предназначен для получения газа с температурой 350...450 К. Он состоит из двух основных частей - камеры сгорания с зарядом твёрдого топлива и камеры охлаждения с гранулами твёрдого охладителя. Продукты сгорания твёрдого топлива имеют высокую температуру, что не позволяет использовать их в целом ряде технических устройств. Охлаждение газа происходит в результате его взаимодействия с гранулами твёрдого охладителя, на термическое разложение которого расходуется часть внутренней энергии газа. Для описания процессов тепло- и массообмена в НТГГ разработана математическая модель на основе одномерных уравнений неразрывности, импульса, энергии, баланса массы компонентов газовой смеси. Газовая смесь состоит из продуктов сгорания твёрдого топлива, продуктов разложения охладителя и воздуха. Математическая модель учитывает воспламенение и горение топлива, течение газовой смеси в НТГГ, теплообмен с элементами конструкции НТГГ и кинетику разложения гранул охладителя. Для реализации математической модели разработан численный метод решения краевой задачи на основе метода конечных разностей. Система уравнений аппроксимирована неявными разностными схемами. Для решения нелинейных разностных уравнений применён метод Ньютона. Краевая задача решалась ортогональной прогонкой. Результаты расчётов сравнены с экспериментальными данными. Выяснено влияние конструктивных и режимных параметров на изменение температуры, давления, расхода, скорости разложения охладителя.
Бесплатно
Статья научная
Скорость и стоимость внедрения в производство новой техники напрямую зависят от эффективности работы каждой технологической цепочки на всех этапах от конструирования и проектирования изделия до создания его первоначального макета в натуральную величину. Резко ускорить прохождение этих этапов помогают высокотехнологичные методы 3-мерного компьютерного моделирования и создания твердых копий деталей машин. В настоящее время во всем мире проводятся интенсивные научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы не только по созданию новых, но и по совершенствованию развитых ранее технологических методик и систем послойного лазерного синтеза объемных изделий (ЛСОИ) деталей машин. Методы селективного лазерного спекания (СЛС), плавления (СЛП) и трехмерной лазерной наплавки (DMD) являются одним из наиболее перспективных способов реализации технологии быстрого прототипирования. Поэтому изучение данной темы на данный момент является актуальным. В настоящее время в ряде отраслей промышленности имеются большие тепловые потоки от одной поверхности к другой, вследствие чего даже незначительные контактные сопротивления вызывают местные перегревы, что часто крайне нежелательно. В работе была изучена эффективная теплопроводность зернистых систем, которая рассматривалась как функция пористости, теплопроводности газа, заполняющего поры материала, теплопроводности газового микрозазора, теплопроводности самих частиц и контактной теплопроводности на стыке частиц. Для теоретических исследований процессов селективного лазерного спекания необходимым является разработка методов описания эффективных коэффициентов теплопроводности (ЭКТ) порошковой среды, которые учитывают, что при нагреве может происходить частичное или полное плавление материала сфер, приводящее к изменению структуры среды. Отсюда следует важное требование к моделям ЭКТ: структурная модель в пределе полного плавления материала твердых частиц должна давать значение эффективной теплопроводности, которое сшивается с эффективной теплопроводностью, даваемой бесструктурной моделью. Для случая полного плавления частиц предлагается метод расчета эффективной теплопроводности расплава с газовыми включениями, который описан в работе.
Бесплатно
Моделирование технологических ограничений при оптимизации автоматических циклов шлифования
Статья научная
Приведена методика моделирования ограничений по осыпаемости шлифовального круга и количеству ступеней переключения программной скорости подачи при оптимизации автоматических циклов круглого шлифования методом динамического программирования.
Бесплатно
Модель вибратора для проектирования вибромашин
Статья научная
Одним из направлений развития машиностроения является проектирование и производство вибромашин для уплотнения сыпучих сред, начиная от низкочастотных дорожных виброкатков и виброплит для трамбовки дорожного полотна и укладки асфальта и завершая литейными установками и высокочастотными компактерами для создания новых материалов. Актуальной проблемой при проектировании такого типа вибромашин является выбор параметров вибрации рабочего инструмента, значения которых должны зависеть от параметров обрабатываемого материала, и, как следствие, выбор устройства, удовлетворяющего этим требованиям. Универсальных устройств на рынке нет, однако можно создать универсальную модель и конструкцию пригодную для проектирования вибромашин различного назначения. В работе рассматривается модель универсального вибратора, принцип действия которого основан на изгибных поперечных колебаниях пластин. В отличие от полуволновых преобразователей стержневого типа, данная конструкция при тех же габаритных размерах и энергопотреблении обладает в широком диапазоне частот большим динамическим диапазоном колебаний рабочего инструмента, форму рабочей поверхности которого можно задавать произвольной. Конструкция и структура могут быть изменены в рамках базового набора элементов путем выбора, например, нулевых значений соответствующих параметров. Получена распределенная модель на основе уравнений математической физики, которая сведена к интегральному виду за счет определения импульсной характеристики (функции Грина) круглой пластины и затем всего датчика. Проведено параметрическое исследование, показана возможность изменения частотной характеристики вибратора. Разработанная математическая модель применима как для низкочастотных, так и высокочастотных применений, так как является линейной и выполнена с использованием безразмерных комплексов теории подобия. Модель учитывает упругий гистерезис элементов конструкции, обеспечивая тем самым достоверные величины амплитуды резонансных колебаний рабочего инструмента. Валидация модели показала высокую точность определения резонансных частот.
Бесплатно
Статья научная
При проектировании самоходной дорожно-строительной техники важное значение имеет обеспечение выполнения санитарных норм на рабочем месте водителя-оператора. При этом для обоснованного выбора характеристик виброизоляции рабочего места широко применяется математическое моделирование динамики машины. Проблема снижения вибрационной нагруженности особенно актуальна для бульдозеров на базе гусеничных тракторов с полужесткой подвеской. В статье представлена математическая модель, описывающая динамику системы «гусеничная тележка - корпус - кабина - виброзащитное сиденье с водителем» гусеничного трактора с полужесткой подвеской. Модель описывает низкочастотные вибрации, вызванные движением опорных катков по звенчатой гусенице. Предложенная модель отличается подробным описанием гусеничного движителя, что позволяет исследовать влияние на вибрации машины свойств грунта, расстановки опорных катков, формы опорной поверхности траков и др. При моделировании динамики виброзащитного сиденья с оператором использована многомассовая модель, что позволяет исследовать вибрационную нагруженность различных частей тела водителя-оператора. Приведены дифференциальные уравнения движения системы. Для получения функций спектральной плотности вертикальных виброускорений на месте водителя использован спектральный метод. Рассмотрена методика получения функций спектральной плотности вертикальных и угловых перемещений гусеничной тележки. Также представлены методики получения частотных передаточных функций, связывающих обобщенные координаты математической модели с входным воздействием, и расчета средних квадратических значений виброускорений в стандартных частотных полосах. Приведенные в статье результаты подтверждают необходимость использования многомассовой модели виброзащитного сиденья с водителем-оператором для получения адекватной оценки вибронагруженности рабочего места. Разработанная модель и методика расчета в дальнейшем будут использованы для решения ряда практических задач.
Бесплатно
Модель отклонения трактора от прямолинейного движения под действием внешних нецентральных сил
Статья научная
Особенностью тракторных агрегатов и строительно-дорожных машин является особое взаимодействие с грунтом. Силовое воздействие на базовый трактор осуществляется не только через движитель, но и со стороны рабочего органа. Часто внешняя сила со стороны рабочего органа является нецентральной, то есть ее линия действия не проходит через центр тяжести машины. Это приводит к неуправляемому вращательному сдвигу базового трактора. Машина теряет курсовую устойчивость и отклоняется от прямолинейного движения под действием внешних сил. Это неуправляемое криволинейное движение на сегодняшний день мало исследовано. Оно представляет собой совокупность прямолинейного управляемого движения и неуправляемого криволинейного сдвига. В статье разработана математическая модель неуправляемого движения трактора, состоящая из уравнений движения и системы силового равновесия. Силовое взаимодействие движителя с грунтом основано на математической теории трения. Результирующая касательная сила и стабилизирующий момент в контакте являются функциями координат мгновенного центра скольжения движителя относительно грунта. Различные коэффициенты трения в продольном и поперечном направлении позволили учесть анизотропию взаимодействия в контакте. Упругие свойства грунта и шины учитывались за счет переменного коэффициента трения. Квазистатическая математическая модель позволила построить реальную траекторию движения с учетом внешних факторов, определить боковое отклонение трактора от прямолинейного движения в любом месте пути. Исследование влияния значения внешней силы, ее направления и точки приложения на траекторию движения на различных типах грунта позволит в дальнейшем найти способы сохранения курсовой устойчивости машины при действии на нее внецентренных внешних сил.
Бесплатно
