Статьи журнала - Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Машиностроение
Все статьи: 618
Оценка надежности системы водитель - автомобиль - дорога - среда (ВАДС) в горных условиях
Статья научная
В статье приведена оценка факторов, влияющих на надежность системы ВАДС в горных условиях. Предложена более подробная классификация факторов, влияющих на надежность системы ВАДС в горных условиях по таким группам признаков, как конструкторско-технологическая, эксплуатационная и дорожно-климатическая. Кроме того, в статье изложена классификация факторов, влияющих на надежность системы ВАДС в горных условиях по признаку управляемости. В классификациях уделено особое значение таким факторам, как высота над уровнем моря, структура надежности элементов системы ВАДС, структура надежности элементов автомобиля, как подсистемы системы ВАДС, вероятностный характер влияния внешних воздействий на элементы автомобиля, виды и частота маневров, их динамичность и т. д. Проанализирована и обоснована специфика влияния основных факторов, определяющих безотказность и долговечность большегрузных карьерных автомобилей в сложных и экстремальных условиях грузоперевозки в горных условиях. Для оценки влияния стохастического характера внешних воздействий, определяющих динамику взаимодействия автомобиля с дорожным полотном, в зависимости от объема выборки, характера протекания процесса, состояния исследуемого объекта и других факторов, выбраны наиболее рациональные методы, основанные на теории вероятностей. Три из них рекомендованы для адекватной оценки влияния внешних воздействий на выходные показатели автомобиля, в частности для оценки процесса взаимодействия автомобиля с дорожным полотном, имеющего вероятностный характер. К числу рекомендованных методов оценки принадлежат такие методы, как метод аппроксимации внешней нагрузки периодической функцией типа синусоиды с определенными значениями амплитуды и периода колебаний, метод разложения периодической функции в ряды Фурье и вероятностно-статистический метод, который основан на учете действия множества случайных факторов, характеризующихся устойчивой частотой.
Бесплатно
Статья научная
С каждым годом возрастают требования к показателям эффективности и экологичности поршневых двигателей внутреннего сгорания (ДВС). Снижение потерь на трение является одним из перспективных способов форсирования ДВС и повышения долговечности его узлов. Особое внимание среди общих механических потерь на трение стоит уделить гидродинамическим потерям на трение различных сложнонагруженных трибосопряжений (ТС). Данные узлы подвергаются высоким температурным и механическим нагрузкам, переменным по времени и величине. Применение микротекстурирования контактирующих поверхностей позволяет снизить величину потерь на трение и предотвратить «масляное голодание», а также увеличить несущую способность узла за счет образования множества «микроклиньев», способствующих увеличению реакции смазочного слоя. Использование текстурирования оказывает влияние на образование зон дивергенции и турбулентности, что является малоизученным аспектом в современной литературе. Текстурирование вкладышей коленчатого вала может иметь вид эллиптических микроямок различных размеров. Данная работа представлена в виде двух частей. В первой части особое внимание уделено анализу научных источников, методикам математического моделирования гидродинамических явлений в смазочном слое. Во второй части работы будут представлены теоретические результаты исследования на примере шатунного подшипника с разными типами текстурирования поверхностей трения. Исходные данные будут базироваться на экспериментальных результатах. Расчеты будут проводиться в программном комплексе Ansys Fluent и разработанном авторами программном обеспечении. Целью данной статьи является рассмотрение текущей теоретической базы рассматриваемых физических явлений и, исходя из этого, формирование общего алгоритма расчета фрикционных потерь в радиальном подшипнике с текстурированием.
Бесплатно
Статья научная
Одним из способов уменьшения фрикционных потерь является применение текстурирования поверхности трения. Использование текстурирования оказывает влияние на образование зон кавитации и турбулентности, что является мало изученным аспектом в современной литературе. Текстурирование вкладышей коленчатого вала может иметь вид эллиптических микроямок различных размеров. Предыдущая часть была посвящена описанию методики моделирования гидродинамических потерь в смазочном слое с учетом явлений кавитации и турбулентности и анализу научных источников. Подробно рассмотрен параметр безразмерного расстояния до стенки y+, а также его влияние на расчет значений напряжений сдвига при использовании современных численных методов. В настоящей работе представлены результаты моделирования смазочного слоя в шатунных подшипниках с разными типами текстурирования поверхности вкладыша, при разных нагрузках. Исходные данные для моделирования базируются на экспериментальных результатах. Расчеты проводились в коммерческом программном комплексе ANSYS Fluent и разработанном авторами программном обеспечении. Полученные данные указывают на положительное воздействие текстурирования поверхности трения шатунного подшипника на его гидромеханические характеристики при правильном подборе геометрических параметров текстуры, что в свою очередь требует проведения оптимизационных и параметрических исследований. Значения доли насыщенных паров зависит как от значения нагрузки, так и от типа текстурирования. Целью данной статьи является оценка влияния текстурирования на гидромеханические характеристики шатунного подшипника.
Бесплатно
Оценка прочности диска турбины проектируемой микрогазотурбинной установки
Статья научная
Проектируемая в ЮУрГУ микротурбинная установка использует радиальную газовую турбину для вращения электрического генератора. Разрабатываемая турбина имеет малые габариты (диаметр колеса турбины 150 мм), высокие обороты (65 000 об/мин на номинальном режиме) и должна надежно работать в течение длительного времени (60 000 ч). Эксплуатация турбины включает как длительные этапы стационарной работы, так и многочисленные переходные режимы при запуске, останове, изменении мощности в связи с изменением нагрузки на генератор. Обеспечение прочности в этих условиях требует анализа длительной прочности и циклической долговечности. Оценка длительной прочности выполнена с учетом перераспределения напряжений на стационарном режиме за счет ползучести. Предположение о том, что деформаций ползучести достаточно для необходимого перераспределения напряжений, позволяет использовать статический подход теории предельного равновесия, что в рамках МКЭ соответствует расчету с использованием идеально упругопластической схематизации материала с предельным напряжением, соответствующим пределу длительной прочности. В статье приведены результаты анализа имеющихся исходных данных и выполненных расчетов. Показано, что один из предложенных вариантов конструкции позволяет обеспечить требуемое значение коэффициента запаса. Расчеты позволяют также оценить возможные механизмы разрушения конструкции для последующего анализа безопасности в аварийных ситуациях. Выполнены также предварительные оценки напряжений на нестационарных режимах. Показано, что инерционные силы при быстром пуске турбины не лимитируют ее прочность. Однако тепловые напряжения при гипотетическом мгновенном увеличении расхода топлива до полного ограничивают допускаемую долговечность 200 циклами «пуск-останов», что свидетельствует о необходимости выработки смягченного регламента пуска.
Бесплатно
Статья научная
В работе приводятся результаты численного и экспериментального исследования, которое направлено на повышение точности неинтрузивных измерений температуры жидкой среды в трубопроводах, являющихся обязательными элементами гидросистем машин и механизмов. Решается вспомогательная задача оценки скорости потока жидкости путем измерения интенсивности шума на поверхности трубопровода. Источником шума в трубопроводе являются флуктуации скорости жидкости в турбулентном потоке, которые мы воспринимаем в виде флуктуаций давления и звука, при этом для больших скоростей потока распределение средней скорости в поперечном сечении трубы достаточно равномерно и имеет логарифмический характер, а общая температура потока близка к температуре в центре трубы. Однако при малых и умеренных скоростях потока распределение температур неравномерно и составляющая от неравномерности может давать существенный вклад в общую погрешность измерений, особенно при измерениях с помощью сравнительно точных термометров сопротивления. Поэтому, для повышения точности неинтрузивных измерений температуры необходимо вводить поправку, являющуюся функцией средней скорости потока и способную компенсировать погрешность измерений от недостаточной степени однородности потока. В работе проведен обоснованный выбор среды численного моделирования, подходящей для требований данной задачи, и рассчитана величина плотности энергии турбулентности в трубопроводе с двумя коленами (термокомпенсаторами), а также порождающей ее диссипацией энергии турбулентности, представлены распределения энергии турбулентности в поперечном сечении потока в районе одного из колен. Это исследование позволяет сказать, что максимальные величины плотности энергии турбулентности возникают на боковых стенках колен в пограничном слое потока, а зависимость энергии от скорости описывается полиномом третьей степени, что согласуется с результатами других авторов. Кроме того, введение логарифмической шкалы для зависимости энергии турбулентности от скорости позволяет линеаризовать эту зависимость и построить тем самым линейную шкалу измерений для диапазона умеренных и больших чисел Рейнольдса. Экспериментальное исследование проведено на проливном стенде в диапазоне расходов до 0,1 кг/с на трубопроводе ДУ50 и температурах 20 и 80 °С, при этом в качестве датчика акустического сигнала использованы пьезопленочные датчики, обладающие равномерной полосой пропускания от единиц герц до мегагерцовых частот. Определены спектральные характеристики сигналов на поверхности трубопровода и, в частности, выявлено, что для поверхностного шума, как и для шума в центре трубопровода, свойственно наличие трех характерных зон спектра, причем первая зона (энергонесущая) является информационной и должна являться объектом измерений. Ширина этой зоны пропорциональна скорости потока и может определяться методами частотного детектирования. Для определения интенсивности энергии шумового сигнала в энергонесущей полосе частот спектра можно использовать квадратичный амплитудный детектор.
Бесплатно
Оценка соответствия системы ROPS трактора Б10 требованиям безопасности
Статья научная
Безопасность водителя при опрокидывании машины является весьма актуальной задачей. Поэтому оценка безопасности защитных конструкций кабины ROPS является обязательным условием сертификации любого транспортного средства. Безопасность кабины тракторных агрегатов оценивается на основе результатов натурного эксперимента. Современное развитие компьютерных технологий позволило оценить безопасность кабины трактора на основе численного эксперимента. В статье приведена математическая модель оценки защитной конструкции ROPS на примере промышленного трактора Б10. Опрокидывание трактора имитируется последовательной серией статических нагружений (боковое, вертикальное и продольное). Пластическая деформация защитной конструкции позволяет погасить предполагаемую энергию удара. Математическая модель имитационных испытаний составлена на основе метода конечных элементов. Для учета пластического состояния конструкции статическая задача решалась в постановке нелинейного анализа с учетом эффекта больших перемещений. Расчет показал, что для трактора Б10 массой 25 т энергия предполагаемого удара 40 867 Дж достигается при перемещении 261 мм и боковом усилии 229 кН. После вертикального усилия 500 кН и продольного усилия 170 кН конструкция сохранила свою работоспособность. Критерием работоспособности конструкции явилось сохранение неприкосновенным ограниченного объема предполагаемого расположения водителя. Для оценки адекватности математической модели был проведен натурный эксперимент, который подтвердил безопасность защитной конструкции. Экспериментально энергия удара набрана при перемещении 261 мм и боковом усилии 243 кН. Расхождение между экспериментальным значением усилия и расчетным значением не превысило 4 %. Дополнительно была проверена скорость набора энергии. Для этого построены экспериментальная и расчетная зависимости усилия от деформации конструкции. Энергия деформации рассчитывалась как площадь под этой кривой. Расхождение значений энергии не превысило 7,3 % во всем диапазоне исследуемых деформаций конструкции.
Бесплатно
Статья научная
В данной статье представлены технические возможности достижения заданных характеристик работы узлов и деталей двигателя с учетом обеспечения геометрических характеристик кривошипно-шатунного механизма (КШМ), а также с учетом оценки и достижения необходимого уровня прочностных параметров некоторых элементов конструкции главного шатуна и всего механизма в целом. Как известно, вносить изменения в отработанную конструкцию и налаженное производство - задача сложная и многофакторная. Необходимо внести такие изменения, которые бы минимизировали производственные и технологические потери, при этом они должны гармонично вписываться в существующую технологию и возможности производства, обеспечивая выполнение новых технических требований и характеристик. При решении задачи по обеспечению одинакового хода поршней для двигателя типа В-2 анализ конструкторской документации показал, что кроме внесения изменений в конструкцию кривошипно-шатунного механизма необходимо внести изменения и в другие детали двигателя. Необходимость этих изменений была определена с использованием программ 3D-моделирования деталей с проверкой их работоспособности методом «прокрутки» сборки деталей КШМ в объеме картера двигателя. В результате оценки кинематики КШМ двигателей типа В-2 было определено, что кроме изменения конструкции главного шатуна необходимо выполнить дообработку ребра осевой жесткости верхней половины картера, а также выполнить изменения в конструкции прицепного шатуна с целью исключения контакта с гильзой цилиндра и, возможно, самой гильзы. Однако изменения в конструкции двигателя повлекут за собой существенные изменения технологического процесса его изготовления. Очевидно, что эти изменения должны быть минимальными. Они могут повлиять на значительные производственные и технологические изменения, что в условиях серийного производства требует достаточно веских теоретических и практических обоснований. Поэтому при реализации данных технических решений необходимо было выполнить расчетный и кинематический анализ на основе 3D-моделирования и логического анализа, исключающий нарушение работы двигателя. Кроме того, для оценки нагруженности нижней головки шатуна был выполнен гидродинамический расчет, результатом которого являются гидромеханические характеристики сложнонагруженного подшипника и эпюра гидродинамических давлений, действующих в тонком смазочном слое.
Бесплатно
Статья научная
Приводятся результаты регрессионного анализа результатов экспериментального определения выбросов вредных веществ с отработавшими газами дизелей производства ОАО «ПО Алтайский моторный завод» (АМЗ) одного типоразмерного ряда. Сформулированы рекомендации по использованию регрессионных зависимостей для расчетной оценки выбросов оксидов азота.
Бесплатно
Оценка уровня надежности технической системы на этапе проектирования
Статья научная
Сокращению количества испытуемых опытных образцов машин и видов испытаний, их продолжительности, а, следовательно, экономии затрат на их проведение способствует определение оценки уровня надежности технической системы при ее проектировании. В статье рассматривается расчётный метод, позволяющий в соответствии с выбранными критериями достижения технической системой предельного состояния оценить средний ресурс до капитального ремонта машины на этапе ее проектирования. С учетом этого для машинно-тракторного агрегата на базе трактора общего назначения класса 5 была составлена структурная схема технической системы, анализ которой позволил выполнить вероятностное описание событий, определяющих выработку ресурсов агрегатов и систем машины, записана вероятностная функция надежности сложной технической системы. Полученные по результатам подконтрольной эксплуатации тракторных агрегатов - аналогов данные об отказах и рассчитанные на их основе значения показателей надежности составляющих техническую систему элементов (вероятность безотказной работы - показатель безотказности) позволили определить надежность (вероятность безотказной работы) самой технической системы. (При этом в зачет принимались только отказы, характеризующие несовершенство конструкций узлов, агрегатов и систем МТА). Это в свою очередь дает возможность оценить ее уровень долговечности, применив Вейбулловское распределение случайной величины (ресурса); получили значение среднего ресурса тракторного агрегата до капитального ремонта, которое соответствует техническому заданию. Исследование уровня надежности технической системы от составляющих ее элементов показало, что при одинаковом повышении надежности составляющих элементов существенное влияние оказывают силовая установка и рабочее оборудование тракторного агрегата. Предложенный в статье метод позволяет решить задачу перераспределения надежности между элементами, составляющими сложную техническую систему.
Бесплатно
Статья научная
Предлагается методика оценки численных значений коэффициента избытка воздуха при низкотемпературном пуске дизелей с использованием разогрева впускного заряда продуктами сгорания углеводородных топлив.
Бесплатно
Оценка энергии отработавших газов поршневых ДВС, оборудованных каталитическим нейтрализатором
Статья научная
Приведены результаты определения энергетических показателей газов, выбрасываемых в атмосферу из каталитического нейтрализатора (КН), установленного в выпускной системе дизеля КамАЗ-740 в виде многопараметровых характеристик, а также и при его работе на эксплуатационных режимах дизелей грузовых автомобилей при движении по городскому и междугороднему циклам.
Бесплатно
Краткое сообщение
Система водитель-автомобиль-дорога-среда (ВАДС) - большая и сложная система, эффективность функционирования которой тесно связана со значительными затратами энергии. Оценка энергетических затрат при функционировании системы ВАДС и изыскание резервов повышения эффективности системы остается важной задачей в настоящее время. Функционирование системы ВАДС характеризуется изменением параметров и динамических свойств составляющих ее элементов в широких пределах и иногда непредсказуемым образом. На практике парциальное исследование влияния отдельных факторов или их сочетаний на эффективность системы ВАДС представляется достаточно сложной задачей. Этим вызвана необходимость комплексной энергетической оценки эффективности функционирования системы ВАДС. Исследования проводились с целью оценки эффективности функционирования системы ВАДС и выработки предложений по выявлению резервов для снижения энергетических и материально-технических затрат при решении вопросов, связанных с эффективностью транспортного процесса в горных условиях. До сих пор при оценке эффективности функционирования системы ВАДС по энергетическому показателю применялись методы, основанные на оценке эффективности отдельных ее элементов. Целесообразным является применение системного подхода в решении подобных задач. Полученные результаты эффективности функционирования системы ВАДС свидетельствуют о низкой производительности системы по энергетическим показателям, а также об имеющихся достаточно широких возможностях и путях повышения ее рентабельности. Предложенные математические модели для оценки энергетической эффективности функционирования системы ВАДС в относительных единицах, а также в количественных выражениях (по линейному расходу топлива) отличаются достаточной адекватностью для практических целей. В статье предлагается математическая модель для комплексной энергетической оценки эффективности функционирования системы ВАДС по линейному расходу топлива. Результаты исследований могут быть внедрены в производство при расчетах эффективности транспортного процесса.
Бесплатно
Параметрическая идентификация модели механизма с параллельными кинематическими цепями
Статья научная
Показана возможность экспериментального уточнения параметров кинематической модели, описывающей реальный механизм с параллельными кинематическими цепями, используемый при построении технологического оборудования.
Бесплатно
Статья научная
Обсуждены возможности наблюдения и идентификации реологических свойств нелинейно вязких жидкостей (модель Оствальда-Вейля) вибрационным методом в режиме затухающих колебаний при отсутствии вынуждающей силы. Для ньютоновских сред для такого режима построено вискозиметрическое уравнение.
Бесплатно
Параметрическая оптимизация рабочих процессов магнитореологических приводных систем
Статья научная
В статье рассмотрен вариант оптимизации рабочих процессов магнитореологических приводных систем, применяющих комбинированный способ реализации регулирования. Рассмотрено влияние спиральности потока на расходные характеристики магнитодинамического устройства комбинированного типа, что является хорошей качественной и количественной характеристикой вихревых течений. Принимая во внимание наличие дифференциальных электромагнитных блоков управления, целесообразно использование многофазного алгоритма управления, так как регулирование гидравлического сопротивления в рабочей зоне магнитореологических устройств осуществляется в зависимости от скорости изменения характеристик электромагнитного поля и частоты переключения элементов дифференциальной обмотки блоков электромагнитного управления. Очевидно, что значительного улучшения динамики и увеличения глубины регулирования магнитореологических приводных систем возможно добиться за счет оптимизации параметров управляющего электромагнитного поля. Поэтому направлением параметрической оптимизации рабочего процесса в данной работе выбран частотно-фазовый принцип. Рационализация значений параметров осуществляется на основании описанной численной модели рабочего процесса магнитодинамического устройства комбинированного типа. Результаты численного моделирования иллюстрируют рациональность выбранного подхода оптимизации, доказывают адекватность модели, эффективность и хорошую динамику комбинированного способа регулирования в магнитореологических приводных системах. Также результаты численного моделирования показывают, что скорость изменения спиральности потока является хорошей мерой динамики скоростных параметров вихревого движения потока магнитореологической жидкости в рабочих полостях. Обоснована целесообразность моделирования сигнала управления в виде синусоиды для магнитореологических и магнитодинамических устройств. Продемонстрирован способ достижения стабильности расходных характеристик и общей динамики магнитореологических и магнитодинамических устройств с дифференциальными блоками электромагнитного управления.
Бесплатно
Статья научная
Определены характеристики выгорания топлива и кинетические константы процесса сгорания. Выполнен расчетно-экспериментальный анализ параметров процесса сгорания и показателей рабочего цикла при использовании рециркуляции отработавших газов с промежуточным охлаждением на разных нагрузках бензинового двигателя. Отмечается эффективность рециркуляции отработавших газов в повышении топливной экономичности на средних нагрузках двигателя.
Бесплатно
Статья научная
Экспериментально исследовано влияние давления начала впрыскивания топлива на параметры процесса сгорания, мощностные и экономические показатели дизеля с камерой ЦНИДИ. Установлено изменение температуры отработавших газов и удельного эффективного расхода топлива при повышении давления начала впрыскивания топлива.
Бесплатно
Параметры характеризации текстуры после хонингования
Статья научная
Ресурс агрегатов зависит от условий работы узлов, состоящих из взаимодействующих деталей, формирующих пары трения. Условия контактирования определяются параметрами шероховатости трущихся поверхностей, формируемых финишной механической обработкой. Один из распространённых процессов финишной обработки - хонингование. В конструкторско-технологической документации при назначении операций хонингования нормируются параметры макро- (возможно исправление формы) и микрогеометрии. Традиционно обозначаемая термином «шероховатость» группа параметров, характеризующих микрогеометрию, в настоящее время определяется термином «текстура» поверхности в современных стандартах. Модернизация производства с использованием концепции «Индустрия 4.0» обозначена в стратегии научно-технологического развития Российской Федерации как «переход к передовым цифровым, интеллектуальным производственным технологиям». Для области «Технологии машиностроения» данный приоритет обуславливает необходимость в достоверных моделях, отражающих технологические процессы, включая целевые функции и их оценку (формообразование - погрешности формы, шероховатость - параметры шероховатости) каждого из технологических процессов для включения в дальнейшем данных процессов в единую государственную информационную систему контроля за производственными цепочками, разрабатываемую в настоящее время в Министерстве промышленности и торговли Российской Федерации. Экономическая целесообразность развития данного направления связана с ростом вклада государства (госкомпаний) в ВВП с 35 % в 2005 году до 70 % в 2015 году, согласно данным Федеральной антимонопольной службы Российский Федерации. Какие параметры микрогеометрии применяются исследователями для оценки получаемой поверхности после хонингования при проведении экспериментальных исследований и при построении моделей и какие параметры являются приоритетными для машиностроительных предприятий, рассмотрено в данной статье. Приведен обзор публикаций в области хонингования включая анализ нормируемых исследователями параметров текстуры. Рассмотрены основные пути развития хонингования, в части нормирования параметров, получаемых после обработки.
Бесплатно
Перспективные малогабаритные погрузчики
Статья научная
Рассматриваются особенности конструкций малогабаритных ковшовых погрузчиков и предлагаются новые навесные рабочие органы, расширяющие потребительские свойства машин. Приводится методика расчета новых устройств.
Бесплатно
Статья научная
В данной статье рассмотрена принципиальная схема ударно-вибрационного механизма для уплотнения смесей любых жесткостей (в том числе особо жестких) и принцип его действия, основанный на рычаге Архимеда и распорно-стержневой системы. Этот механизм спроектирован и смонтирован в ЮУрГУ на кафедре «Колесные и гусеничные машины». Там же были произведены первые опытные испытания ударно-вибрационного механизма. В ходе испытания этой установки, были подтверждены технологические возможности и преимущества этого механизма в сравнении с вибрационной технологией уплотнения, принятой на современных бетоноукладчиках, а именно экземпляры из формовочной машины при плохом качестве песка и цемента, крупнозернистом щебне и с малым соотношением воды получили марочную прочность М100. В ходе проведенных испытаний были обнаружены небольшие недостатки разработанной конструкции. Далее изложены решения по их устранению этих недостатков, одним из решений является установка специального толкателя, совершающего поступательные движения для доставки материала в зону прессования. Другое решение заключается в модернизации механизма, а именно замене распорно-стержневой системы на более совершенный четырёхзвенный механизм, состоящий из плиты нагнетателя, кривошипа и маятника. Приведена принципиальная схема четырёхзвенного механизма, разобран принцип его работы, основанный на рычаге Архимеда и четырёхзвенного механизма. В ходе работы описана его математическая модель, приведены формулы для расчета усилий, возникающих в звеньях механизма и на рабочей плите. Выведены формулы для расчета коэффициентов усиления, работы сил, мощности привода, угловой скорости, момента инерции, диаметра маховика и площади обода. Описаны необходимые условия для успешной работы нового механизма. Созданы 3D модели этого механизма и всей формовочной установки. По итогу работы сделаны выводы, предложено техническое решение для модернизации формовочной установки, заключающееся в замене существующей опытной установки, включающей в себя шарнирно-рычажный механизм на более усовершенствованный четырёхзвенный механизм.
Бесплатно
