Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Машиностроение @vestnik-susu-engineering
Статьи журнала - Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Машиностроение
Все статьи: 658
Обзор современных методов уплотнения композиционных материалов
Статья научная
В статье рассмотрены различные способы уплотнения композиционных материалов: статический, вибрационный, ударный, а также комбинированного действия. Приведены конструкции механизмов для уплотнения, а именно: вибропресс, виброплита, механизм с трамбующим брусом, пресс непрерывного действия для формования изделий из порошкообразных масс с шатунно-коромысловым ударным механизмом, машина для уплотнения труднодеформируемых (жёстких) бетонных смесей и другие. Рассмотрен их принцип работы, указаны преимущества и недостатки. Анализ существующих методов уплотнения позволяет синтезировать накопленные знания в данной области, объединить их в единую систему, найти недостатки и пути усовершенствования в применяемых методах уплотнения с целью повышения производительности процесса, уменьшения требуемой мощности привода механизма, улучшения эксплуатационных характеристик изделий. Рассмотрены работы российских исследователей: Е.А. Шишкин, А.А. Смоляков, О.Г. Клевцова, В.И. Иванчура, А.П. Прокопьев и других. Рассмотрены также работы зарубежных исследователей: Donghai Liu, Ning Wang, Erbo Song, Carl Wersall, K. Rainer Massarsch, Johan Spross и других. В исследованиях рассматриваются современные методы уплотнения, в том числе с проведением практических экспериментов, направленных на выявление наиболее оптимальных параметров эксплуатации оборудования и доработки конструкций существующих механизмов. Авторы отмечают, что многие процессы, связанные с уплотнением, требуют проведения дополнительных экспериментальных исследований, а существующие методы уплотнения недостаточно эффективны и имеют недостатки, которые невозможно устранить без внесения существенных изменений. Таким образом, возникает необходимость в применении новых методов, удовлетворяющих требованиям современных технологических процессов.
Бесплатно
Статья научная
На сегодняшний день снижение количества внезапных отказов и времени нахождения горного оборудования в ремонте является актуальной и приоритетной задачей на всех горнодобывающих предприятиях России. Наибольшую часть затрат составляют расходы, связанные с поддержанием работоспособности карьерных автосамосвалов. Это связанно с повышением цен на новые единицы техники, запасные части, топливо, а также на смазочные материалы. Автосамосвалы являются наиболее распространенным горно-транспортным оборудованием, так как обладают повышенной маневренностью, имеют большую проходимость, а также повышают производительность экскаваторов. На отечественных предприятиях в основном эксплуатируются автосамосвалы, выпускаемые белорусской компанией ОАО «БелАЗ». Они являются хорошо изученными и наиболее подходящими к эксплуатации в современных условиях на угледобывающих предприятиях России. С целью определения возможностей снижения продолжительности нахождения оборудования в ремонте и увеличения времени его работы на разрезе «Черногорский» был произведен анализ данных внезапных отказов карьерных автосамосвалов БелАЗ за период с 2018 года по 2021 год. Все внезапные ремонты были структурированы по группам. Основные агрегаты, включающие в себя узлы трения, были объединены в отдельную группу. Потому что именно от основных агрегатов зависит функционирование карьерного автосамосвала БелАЗ. В ходе анализа базы данных было установлено, что за четыре года средняя доля внезапных отказов, приходящаяся на основные агрегаты, составила от 12 % до 16 %. Несмотря на ежегодное обновление парка новыми автосамосвалами, доля внезапных отказов основных агрегатов остается около 14 %. Авторами были даны рекомендации, позволяющие уменьшить количество и продолжительность простоев карьерных автосамосвалов БелАЗ в ремонте.
Бесплатно
Обобщенная модель стационарного поворота произвольного транспортного средства
Статья научная
Статья посвящена методике построения математической модели криволинейного движения произвольного транспортного средства. Предлагаемый подход позволяет описать поворот машины с любой схемой трансмиссии при ее движении по любому грунтовому фону. Вертикальными колебаниями корпуса на данном этапе пренебрегли и ограничились рассмотрением плоского движения. Поэтому уравнения движения имеют вид алгебраических уравнений. Входящие в них неизвестные реакции грунта записаны на основе математической теории трения. В этом случае тяговое усилие, боковая сдвигающая сила и стабилизирующий момент в контакте колеса с грунтом являются функцией неизвестных координат мгновенного центра скольжения. Это сводит силовую задачу к кинематике движения колеса и позволяет решать их одновременно, учитывая их взаимосвязь и взаимозависимость. Далее в статье рассмотрена кинематика движения колеса при повороте машины и выведены недостающие уравнения голономных и неголономных связей, накладываемых на неизвестные координаты мгновенных центров скольжения. Уравнения голономных (геометрических) связей отражают положение колеса и угол установки его относительно корпуса машины. Уравнений неголономных (кинематических) связей описывают тип трансмиссии и режим движения колеса (ведущее, ведомое, тормозное). В статье даны примеры уравнений неголономных связей для различных видов трансмиссий. Описание каждого колеса индивидуально, с учетом его размеров контакта и нормальной нагрузки, в результате позволяет получить развиваемое им тяговое усилие и величину буксования. Для наглядности реализации предложенной методики в статье приведен пример составления математической модели для колесного малогабаритного трактора «Уралец» производства Челябинского тракторного завода с нетрадиционной схемой управления поворотом. Данная модель проверена экспериментально, что подтверждает применимость предложенного подхода.
Бесплатно
Оборудование и технология обработки давлением труднодеформируемых уплотняемых материалов
Статья научная
Приведен обзор способов и устройств, применяемых для обработки давлением труднодеформируемых материалов. Описаны особенности прокатки таких материалов с многосторонним обжатием
Бесплатно
Обоснование выбора конструкции питателя роторного снегоочистителя, исходя из условий эксплуатации
Статья научная
Проектная деятельность в области машиностроения должна быть обеспечена наличием относительно простых соотношений, на основании которых можно делать выводы об эффективности, ресурсном состоянии или о вариантах применения рабочих органов строительно-дорожных машин. Наличие таких показателей дает возможность делать обоснованный выбор в пользу той или иной конструктивной схемы, геометрических и кинематических параметров рабочих органов машин, в том числе роторных снегоочистителей. Таким образом, задача, поставленная при проведении исследования, в первую очередь, заключается в необходимости оценить возможность обоснования эффективности внедрения и применения каких-либо конструкторских решений на ранних стадиях проектирования машин, что, в свою очередь, подразумевает решение таких вопросов, как обоснование показателей, на основе которых будет даваться оценка об эффективности и описание механизма получения их расчетных значений. В результате проведенных исследований были получены аналитические выражения вырезаемых объемов снежной массы горизонтальной и вертикальной фрезами питателя роторного снегоочистителя. Произведена оценка времени транспортирования вырезанной снежной массы. Показана степень влияния ряда конструктивных и технологических параметров на величину вырезаемой снежной массы и время ее транспортирования. В результате исследований определена область значений, в которой длина траектории вырезания снежной массы для горизонтальной фрезы меньше длины траектории вырезания снежной массы для вертикальной фрезы.
Бесплатно
Обоснование методов проведения расчётных исследований быстроходных гусеничных машин
Статья научная
В статье описывается современный подход к изучению динамических характеристик быстроходных гусеничных машин. Вопросами моделирования различных систем и отдельных агрегатов гусеничных машин занималось большое количество отечественных и зарубежных специалистов из различных отраслей машиностроения. Благодаря использованию расчётно-имитационных моделей у инженеров появляется возможность исследовать характеристики проектируемого изделия с высокой точностью до этапа его изготовления. Модели, построенные в современных программных пакетах, насыщенны математическим аппаратом. Для полной реализации потенциала таких пакетов требуется не только глубокое изучение их алгоритмов и методов работы, но и уравнений, из которых составляются модели. Целью данной статьи является изучение математического аппарата программного пакета, в котором ранее была реализована одномерная расчётно-имитационная модель быстроходной гусеничной машины, для нахождения её динамических характеристик. Рассмотренные в статье дифференциальные алгебраические уравнения, обыкновенные дифференциальные уравнения и дифференциальные уравнения с частными производными, методы и проблематика, связанная с их решением (наличием разрывов), позволяют инженеру глубже понять алгоритмы функционирования программных пакетов имитационного моделирования. Как следствие, в будущем это даёт возможность создавать более качественные расчётно-имитационные модели, что на самых ранних этапах проектирования позволит прогнозировать поведение разрабатываемых систем и комплексов более точно. В дальнейшем планируется более углублённое изучение представленных в статье уравнений и методов, а также определение оптимальных из них для получения необходимых результатов с минимальными затратами времени, компьютерных ресурсов и с высокой точностью.
Бесплатно
Статья научная
Рассмотрены вопросы выбора оптимальных режимов электронно-лучевой сварки нагартованных алюминиевых сплавов типа АМг6Н и АМг6НПП с различной степенью упрочнения (15, 30 %). Цель оптимизации режимов - обеспечить наименьшую степень разупрочнения и размеры разупрочненных зон в диапазоне значений, гарантирующих равнопрочность сварных соединений основному металлу оболочковых конструкций. Приведены особенности изготовления цилиндрических изделий из алюминиевых нагартованных сплавов с применением электронно-лучевой сварки. Для уменьшения размеров разупрочненных участков использована новая охлаждающая оснастка c экранирующим устройством и жидкий азот в качестве хладагента. Представлены принцип работы и схема экранирующего устройства. Доказано, что при совместном применении теплоотводящей оснастки и экранирующего устройства достигается минимальная ширина зоны разупрочнения. Приведены результаты испытаний цилиндрических образцов в условиях двухосного нагружения при различных значениях параметра двухосности. По данным испытаний определены допустимые размеры зон разупрочнения, при которых несущая способность сварных соединений, ослабленных разупрочненными прослойками, находится на уровне прочности основного упрочненного металла. Доказана эффективность применения предложенной теплоотводяшей оснастки и экранирующей насадки для обеспечения равнопрочности сварных соединений основному металлу изделия. Полученные результаты могут быть использованы на стадии конструктивно-технологического проектирования и изготовления оболочковых изделий из нагартованных алюминиевых сплавов.
Бесплатно
Статья научная
Оценено соответствие нормам выбросов содержание наиболее токсичного оксида азота в отработавших газах двигателей внутреннего сгорания. Разработана методика определения параметров химической реакции образования NO и влияния на него процесса смесеобразования и сгорания в поршневых и газотурбинных двигателях. Предложен альтернативный объемному и послойному методам, подтвержденный экспериментально, пленочно-вихревой способ сжигания бедных смесей, позволяющий повысить экологические показатели по NO, CH и СО без ухудшения ресурсосберегающих параметров.
Бесплатно
Общий и частные виды уравнения динамики систем абсолютно твёрдых тел
Статья научная
Получены общие виды уравнений динамики (УД) для нескольких классов систем абсолютно твёрдых тел (СТТ), на основе которых просто и быстро выписываются УД конкретных СТТ и вычисляются реакции связей. Приведены примеры.
Бесплатно
Определение КПД турбопитательной насосной установки термодинамическим способом
Статья научная
Приводятся результаты промышленных испытаний питательных насосов с целью определения КПД проточной части. Проведен подробный сравнительный анализ эффективности использования питательных насосов с различными КПД проточной части. Определены полные затраты на турбопитательную установку за время работы до списания и условия выбора насосов при реконструкции.
Бесплатно
Определение величины механического износа абразивных зерен при шлифовании
Статья научная
Среди различных механизмов износа абразивного инструмента при шлифовании преобладающим является механический, проявляющийся в виде удаления элементарных микрообъемов абразивного материала с рабочей поверхности зерен. Природа образования площадки затупления на зерне в результате данного вида износа до сих пор не раскрыта. В статье предлагается кинетический подход к механическому изнашиванию абразивных зерен при шлифовании на основе термофлуктуационной природы разрушения твердых тел. Полагается, что в результате многократного квазипериодического контакта с обрабатываемым материалом в материале абразивного зерна на межатомных связях возникают перенапряжения, которые служат толчком для преодоления атомами энергетического барьера и разрыва единичной связи. В результате, в абразивном материале происходит накопление разорванных межатомных связей, образуются несплошности и развивается процесс разрушения. При этом немаловажную роль играет температура в зоне обработки. Предложенная методика имитационного моделирования контактного взаимодействия абразивного зерна с материалом позволяет определить напряжения, действующие в зерне при шлифовании и величину долговечности абразивного материала. Установлена характерная зависимость напряжения и долговечности от размера площадки затупления, имеющейся на абразивном зерне. Переход от элементарных объемов абразивного материала, испытывающих напряжения, к макрообъемам позволяет определить величину абразивного материала, изношенного в результате механического взаимодействия с обрабатываемым материалом. Методика прогнозирования величины износа абразивного зерна при эксплуатации шлифовальных кругов различных характеристик в широком диапазоне технологических условий позволит создать совершенно иной подход к проектированию операций абразивной обработки - когда инструмент с определенным ресурсом работоспособности является исходным данным и задача технолога состоит в его эффективной эксплуатации.
Бесплатно
Определение внутрибаллистических характеристик топлив на основе пиросмесей
Статья научная
Рассматриваются причины разбросов внутренних баллистических характеристик (ВБХ), полученные в экспериментах при сжигании смеси порошков алюминия и перхлората калия различной фракции. Даётся теоретическое обоснование зависимости ВБХ от физико-химического состояния состава продуктов горения пиротехнической смеси в момент их образования и нахождения в камере сгорания.
Бесплатно
Статья научная
Разработка и проектирование золотниковых электрогидравлических усилителей мощности с высокими требованиями к динамическим характеристикам сопряжены с необходимостью точного расчета силовых воздействий на золотник. При работе усилителя наибольшее воздействие на золотник оказывает гидродинамическая сила, которая определяется расходом жидкости и углом отклонения струи. Вместе с тем существующие методики расчета величины гидродинамической силы не учитывают действительную форму гильзы и буртов золотника, что негативно сказывается на точности расчета. Статья посвящена разработке методики расчета величины результирующего воздействия гидродинамической силы на золотник электрогидравлического усилителя мощности с применением средств вычислительной гидродинамики, учитывающей действительную форму гильзы и буртов золотника. В статье представлены параметры и результаты моделирования течения жидкости через золотниковую пару электрогидравлического усилителя мощности в различных положениях золотника при перепаде давлений на усилителе 7МПа в условиях отсутствия нагрузки. По результатам моделирования для каждого из рассматриваемых положений золотника определен фактический расход жидкости через гидроусилитель, а также углы отклонения струй с учетом действительной геометрии пары золотник - гильза. По данным о фактических расходах определены коэффициенты расхода усилителя и построена его расходная характеристика. С применением данных об углах отклонения струй и полученной расходной характеристики рассчитана зависимость результирующего воздействия гидродинамической силы на золотник электрогидравлического усилителя мощности от положения золотника. По результатам исследования сформулирована пошаговая методика расчета результирующего воздействия гидродинамической силы на золотник, которая применима для различных режимов работы гидроусилителя, определяющихся давлением питания и величиной нагрузки.
Бесплатно
Определение износа шлифовального круга по параметрам вибрации станка
Статья научная
Рассматривается проблема оценки и прогнозирования параметров качества шлифовального круга в эксплуатационных условиях. Величина переменной составляющей силы резания при шлифовании изменяется за счет совокупности процессов, пластической деформации трения и разрушения шлифовального круга и влияет на параметры вибрации станка. Расчет детерминированных параметров случайного процесса вибрации позволяет идентифицировать износ инструмента.
Бесплатно
Определение касательных напряжений при малых числах Рейнольдса
Статья научная
Проводится исследование газового истечения через сопло-поршень за-датчика давления «Воздух-1600» при малых числах Рейнольдса. Анализируется, насколько точно можно определять параметры потока путем численного моделирования при заданных условиях, и какое влияние оказывает состояние кромки на интегральную силовую характеристику. Представленные результаты говорят о том, что использование численного эксперимента является не только удобным методом решения задач такого уровня, но и дает возможность провести полный анализ течения.
Бесплатно
Статья научная
Проводится обзор существующих подходов для снижения дистанции пробега и горизонтальной скорости приземления беспилотного летательного аппарата. В настоящей работе исследуется динамика движения беспилотного летательного аппарата с постоянным углом стреловидности крыла. Для совершения маневра приземления используется балансирный способ управления. Такой способ управления осуществляется путем смещения части аппарата, именуемой грузом, относительно платформы, основной части аппарата. Для математического описания выбранного принципа управления используются уравнения динамики движения системы твердых тел. Математические модели коэффициентов аэродинамических сил апроксимируются тригонометрическими функциями, для их использования в широком диапазоне углов атаки. Реализация математической модели движения осуществляется средствами библиотеки SimMechanics программного комплекса Matlab/Simulink. На фоне общей динамики движения дополнительно рассматривается использование гоширования (перекоса) крыла для увеличения силы сопротивления с целью сокращения горизонтальной скорости приземления. Рассматриваются конструктивные решения привода гоширования, выделяются конструктивные параметры, влияющие на динамику движения беспилотного летательного аппарата в целом. Предлагается к рассмотрению следующая структура математической модели, состоящая из двух частей: общая динамика движения системы твердых тел и внутренняя динамика работы привода. Указанный подход позволяет оценить влияние на общую динамику движения беспилотного летательного аппарата с изменяемой в полете структурой внутренней динамики привода. В настоящей работе выполняется численное моделирование и обсуждаются полученные результаты, характеризующие работу привода. Исследуется кинематические параметры привода: угол поворота, скорость вращения и угловое ускорение, а также исходный задаваемый закон управления. Полученные результаты позволяют сделать вывод о целесообразности предлагаемого подхода.
Бесплатно
Статья научная
Учет особенностей теплоотдачи в проточных частях турбонасосных агрегатов (ТНА) жидкостных ракетных двигателей (ЖРД) является важной задачей. Сопряженная задача течения с теплообменом, в том числе и при вращательных течениях в элементах проточных частей ТНА ЖРД, решается с помощью следующих подходов: численные методы, аналитическое совместное решение уравнений движения и энергии и использование эмпирических уравнений. Наличие теплообмена значительно влияет на рабочие характеристики ТНА ЖРД. При проектировании проточных частей узлов и агрегатов ТНА ЖРД важно учитывать влияние теплообмена и как следствие - температуры потока рабочего тела по длине проточного тракта, в связи с тем, что вязкость напрямую зависит от температуры и определяет потери и режим течения. В агрегатах подачи, особенно при использовании криогенных компонентов топлива, незначительный подогрев рабочего тела может привести к вскипанию компонентов и падению рабочих характеристик. С другой стороны, недостаточная (нерасчетная) температура компонента в проточной части для некоторых видов рабочих тел (например гелеобразных компонентов) приводит к повышенной вязкости и снижению КПД агрегата. При исследовании задачи вращательных течений с теплообменом необходимо совместное решение уравнений движения и энергии в граничных условиях проточных частей ТНА ЖРД с учетом теории пространственного пограничного слоя. Процессы теплоотдачи в энергетических установках во многом схожи, но при анализе и выводе уравнений теплообмена для граничных условий ЖРД существуют определенные отличия. Основные отличия заключаются в следующем: экстремально высокие значения тепловых потоков, температур и давлений, наличие высоких скоростей потоков, начальное турбулентное состояние потоков в активной зоне, рабочие тела могут находиться в газообразном и жидком состоянии, эффекты кривизны поверхности. С использованием аналитического подхода определены уравнения для расчета локальных коэффициентов теплоотдачи в виде критериев Стантона для наиболее важных случаев, реализующихся при течении в полостях вращения ТНА ЖРД. Получены локальные коэффициенты теплоотдачи при прямолинейном течении, вращательных течениях, реализующихся в полостях между рабочим колесом и корпусом турбины и центробежного насоса (течение по закону твердого тела), в подводящих и отводящих аппаратах (течение по закону свободного вихря). Полученные аналитические выражения для локальных коэффициентов теплоотдачи хорошо согласуются с результатами исследований других авторов и имеют практическое применение при расчете характеристик тракта ТНА ЖРД.
Бесплатно
Определение массогеометрических характеристик элементов баллистических летательных аппаратов
Статья научная
Предложен подход к определению маесогеометрических характеристик элементов баллистического летательного аппарата. Показано, что для определения всех массогеометрических характеристик двух элементов необходимы максимум три цикла измерения маесогеометричееких характеристик баллистического летательного аппарата в целом. Поставлена задача вычисления такой пространственной ориентации элементов баллистического летательного аппарата, которая удовлетворяет требованиям конструкторской документации к массогеометрическим характеристикам всего аппарата. Предложен подход к ее решению.
Бесплатно
Статья научная
Один из наиболее часто применяемых сплавов в аддитивных технологиях - титановый сплав TiAl6V4. В последние годы большое количество работ посвящалось исследованию селективного лазерного сплавления данного сплава при использовании оптоволоконного лазера. В данной работе исследовались режимы SLM с применением углекислотного лазера. Для исследования влияния параметров селективного лазерного сплавления на пористость получаемого материала использовалась установка SINTERSTATION® Pro DM125 SLM System. Образцы выращивались в инертной атмосфере (содержание кислорода в рабочей камере составляло 500 ppm). В работе использовался порошок титанового сплава с размером частиц от 20 мкм до 63 мкм, средним размером частиц - 44 мкм, средней сферичностью по параметру ISO Roundness - 63,74 %. С использованием девяти различных режимов сплавления были изготовлены образцы кубической формы. Пористость определялась методом исследования шлифа на оптическом микроскопе (изготавливались 2 шлифа: совпадающий с направлением выращивания образца и перпендикулярный направлению выращивания). Все полученные образцы имеют плотную структуру и удовлетворительное качество поверхности. Наибольшую пористость (22,6 %) имеет образец, для сплавления которого использовалась мощность лазера - 100 Вт, время выдержки лазера в координате - 50 мкс (поры в данном случае имеют неправильную форму и большой размер). Наименьшую пористость (0,5 %) имеет образец, для сплавления которого использовалась мощность лазера - 200 Вт, время выдержки лазера в координате - 150 мкс (поры в данном случае имеют сферическую форму и меньшие размеры).
Бесплатно
Статья научная
Представлены результаты численного моделирования проточной части вихревого расходомера для трех сеток с разным количеством ячеек. Суть решаемой задачи заключается в определении влияния количества ячеек расчетной сетки для геометрии проточной части на точность результатов моделирования, а конкретнее на амплитудно-частотные характеристики вихревого расходомера. Для решения используется метод сравнительных численных расчетов для трех типов сеток одной проточной части и одного режима течения. Численное моделирование проточной части вихревого расходомера с телом обтекания в виде крыла, осуществлялось с помощью суперкомпьютера «СКИФ-УРАЛ» на программном обеспечении ANSYS CFX и Cosmos Flow Simulation. Для проверки сходимости результатов расчеты проведены на трех типах сеток, содержащих 2 млн ячеек, 6 млн ячеек и 18 млн ячеек. Частота колебаний вихрей получена в результате применения метода частотного анализа, основанного на разложении Фурье, для результирующего перепада давления на крыле. Результаты представлены для несжимаемой среды (вода) в виде зависимостей амплитудно-частотных характеристик от времени. Выявлена зависимость точности результатов численного моделирования в зависимости от количества ячеек сетки. Анализ полученных результатов указывает на удовлетворительное согласование результатов численного моделирования между собой и данными физического эксперимента. Относительная погрешность данных численного моделирования не превышает 9 %, при этом наибольшее совпадение получено на расчетной сетке, содержащей 6 млн ячеек и использующей SST-модель турбулентности (расхождения не более 2,4 %). Сравнение данных численного и физического экспериментов показало удовлетворительное количественное совпадение. В качестве рабочей сетки рекомендовано принять сетку, содержащей 6 млн ячеек и использующей SST-модель турбулентности.
Бесплатно
