Статьи журнала - Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Машиностроение
Все статьи: 631
Разработка стенда для испытания системы управления беспилотным зерноуборочным комбайном
Статья научная
В настоящее время робототехника стремительно развивается и охватывает все больше сфер человеческой деятельности, в том числе и сельское хозяйство. Приоритетным направлением развития производства сельскохозяйственных мобильных энергосредств (МЭС) является их роботизация и возможность выполнять свои задачи без участия человека, то есть создание беспилотных МЭС. МЭС становится беспилотным при оснащении его системой автоматического управления. Прежде чем устанавливать систему управления на МЭС, необходимо разработать алгоритмы управляющего воздействия и реакции системы управления на возможные варианты событий при работе МЭС на полях. Также необходимо выполнить отладку системы управления, выявить ошибки в работе и устранить их. Для этого рационально создать специализированные стационарные стенды, имитирующие реальные условия работы беспилотных зерноуборочных комбайнов. Для того чтобы разработанная конструкция стенда была оптимальной, составлена многокритериальная задача оптимизации конструкции с четырьмя входными и семью выходными параметрами, представляющими критерии качества функционирования стенда. На основании решения задачи оптимизации конструкции разработаны концепция стенда для испытания системы управления беспилотным зерноуборочным комбайном, гидравлическая схема стенда и его конструкция. В статье представлена 3D-модель стенда, выполненная в программе «КОМПАС-3D», на основании которой разработан комплект конструкторской документации для изготовления опытного образца стенда. Для имитации воздействия почвы различных типов на ведущие и поворотные колеса комбайна разработаны математические модели, которые используются для подачи управляющего сигнала на порошковые электромагнитные тормоза и на регуляторы расхода с электронным пропорциональным управлением.
Бесплатно
Статья научная
В статье изложены результаты разработки стенда для полунатурного моделирования системы управления движением гусеничной машины с гидростатической трансмиссией, предназначенного как для обучения программированию логических контроллеров, так и для тестирования алгоритмов управления на стадии их разработки. Выполнен анализ известных на рынке технических решений с выявлением у них основных недостатков. В рамках концепции полунатурного моделирования составлена и реализована структура. Представлена математическая модель системы управления движением гусеничной машины с гидростатической трансмиссией, выполненная на базе промышленного гусеничного трактора класса тяги 15т производства ОАО «Завод дорожно-строительной техники «Урал» и адаптированная под потребности стенда. Сформирован комплекс алгоритмов управления, включающий в себя алгоритм управления движением гусеничной машины, алгоритм включения тормоза забегающего борта при угрозе возникновения заноса и алгоритм включения тормоза отстающего борта при перегрузке гидрообъемного механизма по давлению. Для организации ввода исходных данных, а также наблюдений за результатами моделирования в программном пакете Altair Embed разработана система визуализации, включающая в себя мнемосхему панели оператора с демонстрацией изменения основных параметров движения гусеничной машины (скорости центра тяжести; траектории движения центра тяжести; параметров регулирования подачи насосов; кривизны траектории (заданной и текущей); скорости вращения гусениц на левом и правом бортах; коэффициента сопротивления грунта под каждой гусеницей), панель настройки алгоритмов управления движением гусеничной машины, панель настройки параметров грунта и панель выбора траектории движения гусеничной машины.
Бесплатно
Статья научная
Работа посвящена теме разработки тестового полетного задания для ракеты-носителя. Актуальность темы обусловлена тем, что синтез системы управления в современное время обычно производится на основе цифрового и/или полунатурного моделирования движения летательного аппарата. Задачей является синтез параметров корректирующих устройств системы управления. При этом необходимо знать входное задание системы управления, то есть иметь полетное задание. Сама задача получения полетного задания является весьма сложной, так как необходимо учитывать как характеристики ракеты и двигателей, рассматриваемые в их моделях, так и внешние воздействующие факторы - воздействие Земли и атмосферы. Также необходимо учесть ограничения управления и перегрузки. Вследствие этого законы движения летательного аппарата получаются сложными, зависящими от вида маневра и выделенного участка траектории движения. В работе рассматривается только активный участок траектории движения. Рассмотрены применяемые системы координат, уравнения движения центра масс с учетом влияния Земли и аэродинамики аппарата. Рассматривается управление движением изменением тяги двигателей. Приводятся все необходимые формулы для расчета траектории, необходимые допущения. По всей программной траектории были рассчитаны коэффициенты модели возмущенного движения ракеты-носителя. Производилось компьютерное моделирование приведенной методики расчета тестового полетного задания, приведены полученные по результатам моделирования графики, позволяющие сделать вывод о том, что основные ограничения на программную траекторию выполняются. Исходя из этого, можно считать, что полученное полетное задание может использоваться на этапе предварительной разработки системы управления многоразовой одноступенчатой ракеты-носителя.
Бесплатно
Статья научная
Рассмотрена технология проектирования оптимальных кольцевых сопел высокоэффективных ракетных двигателей. С использованием системного подхода проведена декомпозиция системы «ракета-носитель - ракетный двигатель - сопло ракетного двигателя». Исследованы подсистемы в рассматриваемой системе, особое внимание уделено подсистеме «сопло ракетного двигателя». Изложенные принципы использованы при разработке технологии проектирования оптимальных по энерготяговым характеристикам кольцевых сопел с учетом особенностей течения, характерных для кольцевых сопел. Предложена система математического моделирования, реализующая технологию проектирования кольцевых сопел высокоэффективных ракетных двигателей в составе ракеты-носителя.
Бесплатно
Разрывные колебания механических бесступенчатых передач переменной структуры
Статья научная
На основе метода точечных отображений исследуется периодический режим движения привода машин с бесступенчатой передачей.
Бесплатно
Распределение остаточных напряжений при дорновании с учетом повторных деформаций
Статья научная
В статье обоснована необходимость учета повторного деформирования при технологической операции дорнования или деформирующего протягивания, приведены экспериментальные распределения остаточных наряжений при дорновании. Представлено моделирование остаточных напряжений в полом толстостенном цилиндре при дорновании с учетом вторичных деформаций и повторного деформирования. Рассмотрены области, в которых прошли пластическое нагружение и упругая разгрузка, упругое нагружение и упругая разгрузка; приведены примеры моделирования окружных остаточных напряжений, т. е. результаты расчетного определения окружных остаточных напряжений в полом цилиндре по приведенным математическим моделям. Даны рекомендации по назначению количества дорнующих колец на дорнующем инструменте: их для формирования нужного распределения остаточных напряжений в приповерхностном слое достаточно двух, третье кольцо обеспечивает шероховатость. Рассмотрены особенности распределения окружных сжимающих остаточных напряжений в зонах вторичных и повторных деформаций; повторные деформации проявляются в приповерхностном слое, прилежащем к обработанной поверхности, т. е. остаточные напряжения от повторного деформирования накладываются на вторичные остаточные напряжения. Сформулированы подробные выводы по влиянию на остаточные напряжения в приповерхностном слое изменений давления (натяга) при дорновании, изменений толщины стенки цилиндра и изменений предела текучести обрабатываемого материала. Результаты моделирования не противоречат экспериментальным данным.
Бесплатно
Расчет вращающего момента электромеханического привода трамвайного пантографа
Статья научная
Рассмотрен расчет вращающего момента электромеханического привода плоского трехзвенного рычажного механизма трамвайного пантографа. Механизм предназначен для осуществления токосъема и электропитания трамваев от контактной сети. В процессе подъема и опускания механизма необходимо обеспечить требуемый закон изменения вращающего момента в зависимости от угла поворота ведущего звена.
Бесплатно
Расчет геометрических параметров метчика со встречно расположенными винтовыми стружечными канавками
Статья научная
С распространением изделий из волоконно-армированных композитов (ВК) в различных отраслях промышленности все актуальнее становится вопрос их эффективной сборки. Наиболее распространенные методы соединений деталей из ВК, к которым относятся склеивание, клепка и применение различных вставок, обладают рядом существенных недостатков, обуславливающих необходимость поиска новых более эффективных решений. Одним из наиболее перспективных методов сборки деталей из ВК является применение резьбовых соединений, которые получили широкое распространение в виде металлических и полимерных вставок. Однако ряд технологических ограничений, накладываемых на процесс установки данных вставок, вынуждает обратиться к резьбам, полученным в самих композитах. При этом получение резьб возможно как на этапе формовки неотвержденных изделий, что накладывает ограничения на их форму и размеры, так и методами лезвийной обработки, которые в настоящее время мало изучены. Процесс механической обработки заготовок из ВК значительно отличается от обработки гомогенных материалов. Специфические дефекты обработанных поверхностей, которые свойственны только ВК, обуславливают необходимость разработки специальных инструментов, учитывающих особенности различных видов композитов. Анализ результатов предварительных экспериментальных исследований по нарезанию резьб традиционными метчиками показал, что наибольшее влияние на качество нарезаемой резьбы в заготовках из ВК оказывают углы резания на вспомогательных режущих кромках, образованных боковыми сторонами профиля резьбы. Для обеспечения благоприятных условий резания на данных участках разработана конструкция специального метчика со встречными винтовыми стружечными канавками. Для данной конструкции подготовлена методика расчета углов резания на вспомогательных режущих кромках, позволяющая подготовить конструкцию данного метчика под обработку конкретного вида ВК за счет обеспечения оптимальных углов резания, взятых из литературных источников или полученных по итогам натурных экспериментов.
Бесплатно
Статья научная
Предложены методики расчета отклонений от прямолинейности, плоскостности, круглости, смещений торцов отсеков летательных аппаратов при их сборке на основе координат точек, полученных от электронно-оптического координатно-измерительного устройства. На основе методик разработана компьютерная программа, с использованием которой решен ряд контрольных примеров с параметрами, полученными от CAD-системы. Показано, что данные методики позволяют получить требуемые параметры для контроля качества изготовления летательных аппаратов.
Бесплатно
Статья научная
Использование цилиндрических передач с арочными зубьями в приводах энергонасыщенных машин (локомотивов, бортовых редукторов тракторов, верхних приводов буровых установок, вертолетов) позволяет по сравнению с прямозубыми и косозубыми колесами кратно увеличить долговечность передач. К настоящему времени предложено полтора десятка различных приемов и методов проектирования и производства арочных зубьев цилиндрических колес. Среди них перспективным является способ нарезания арочных зубьев на станках ЧПУ круговыми резцовыми головками методом обкатки с единичным делением. Цель статьи - на основе теории пространственных зацеплений реализовать построение математических моделей формообразования арочных зубьев и исследовать геометро-кинематические характеристики их зацепления в условиях ненулевых погрешностей относительного положения колеса и шестерни в передаче. Объект исследования - цилиндрическая передача с арочными зубьями. В статье получены зависимости для радиусов-векторов и ортов нормалей поверхностей арочных зубьев цилиндрических колес, разработана математическая модель для расчета точек касания арочных зубьев в зацеплении при наличии угла перекоса, угла непараллельности и смещения колеса. На примере конечной передачи локомотива впервые исследовано влияние плотности прилегания поверхностей зубьев в зацеплении на смещение рабочих линий из среднего сечения зуба вследствие погрешностей положения элементов передачи. Путем расчета погрешности функции положения в передаче рассмотрена процедура количественной оценки ее несопряженности. Установлено, что геометрия арочных зубьев исследуемого способа в условиях отклонения положений элементов передачи от номинальных приводит к несопряженности зацепления, функция погрешности положения имеет пилообразную форму, вследствие чего неизбежны удары при входе зубьев в зацепление. Предложены пути достижения в рамках рассматриваемого способа изготовления арочных зубьев приближенного характера зацепления зубьев в передаче.
Бесплатно
Статья научная
Расчет деформаций нежесткого технологического оборудования (специальных станков и обрабатывающих роботов) необходим для прогнозирования достижимости требуемой точности обработки. В настоящее время эта задача теоретически разрешима с применением численных методов расчета, в частности метода конечных элементов, для применения которого используются CAD-модели устройств. Такие расчеты требуют многомиллионных конечно-элементных сеток и выполняются, как правило, на суперкомпьютерах крупных компаний по производству данного оборудования. Применение этого подхода для решения этой же задачи в технологических службах машиностроительных предприятий вызывает как трудности вычислительного порядка, так и трудности с получением CAD-моделей данного оборудования, поскольку они являются технической тайной их производителей. Для преодоления этих трудностей предлагается подход, в основу которого положены три решения. Первое решение связано с отказом от использования полноценных твердотельных CAD-моделей оборудования. Вместо этого предлагается использовать STL-модели, в которых представлены лишь триангулированные поверхности сборок с перемещаемыми друг относительно друга узлами оборудования. Второе решение связано с использованием воксельного подхода и связанного с ним расчета кубических элементов конечно-элементных моделей. Третье решение связано с заменой реальных моделей деталей контактирующих пар приводов подач на их эквивалентные по жесткости модели эквивалентных деталей. Приведены примеры результатов перечисленных видов моделирования оборудования и расчеты его деформаций от сил резания. Показано, что такие расчеты доступны для современных персональных компьютеров технологических служб предприятий и не требуют раскрытия технических тайн производителей технологического оборудования. Данный подход имеет перспективы для использования в продвинутых CAM-системах расчета управляющих программ станков с ЧПУ с учетом влияния таких технологических факторов, как деформации оборудования.
Бесплатно
Статья научная
Проектирование дисковых модульных фрез для нарезания косозубых колес включает в себя определение профиля инструмента. Задача профилирования инструментов, работающих по методу обката, решалась в течение десятилетий с использованием аналитических, графоаналитических и графических подходов. Современная практика проектирования инструментов все более основывается на применении CAD/CAM/CAE-систем. Такие программы, как Solidworks позволяют формировать сложные объемные тела путем протягивания элементарного объемного тела вдоль некоторой направляющей линии. Это соответствует формированию вогнутой поверхности детали выпуклой поверхностью инструмента. Таким образом, в настоящее время появилась основа для решения задачи формообразования фасонных дисковых инструментов с использованием указанных CAD- или CAM-систем. Между тем примеров решения таких задач с использованием CAD-систем в литературе найти не удалось. В работе предложено решение данной задачи для случая профилирования дисковой модульной фрезы при обработке косозубого колеса. Решение прямой задачи выполнено с использованием одной из наиболее распространенных программ - Solidworks. Обратную задачу удалось решить только с использованием метода дискретного твердотельного моделирования. Наложение исходного CAD-профиля впадины зубчатого колеса на полученную моделированием обработки рассчитанной фрезой подобную впадину колеса показало их качественное совпадение. Следовательно, данное моделирование позволяет применять указанные методы расчета в производственной практике проектных работ по зубообработке.
Бесплатно
Расчет и проектирование магнитореологических камер гидравлического оборудования
Статья научная
Магнитореологические системы демпфирования и виброгашения отличаются адаптивностью, хорошими показателями диссипации ударной и вибрационной нагрузки и незначительными перемещениями поршня под нагрузкой. Исследовательская работа посвящена созданию конструктивных решений в области магнитореологических рабочих камер с распределенными диссипативно-жесткостными свойствами и их компоновке в гидравлическом демпфирующем оборудовании. В статье представлены два варианта исполнения магнитореологических рабочих камер: магнитореологическая камера с распределенными диссипативно-жесткостными свойствами и магнитореологическая камера с распределенными диссипативно-жесткостными свойствами, разделенная на субполости. Предложенные конструкции магнитореологических рабочих камер обладают большей энергоэффективностью и стабильностью рабочих процессов. Разработанный способ демпфирования и его конструктивная реализация значительно улучшают динамику рабочего процесса и уменьшают время диссипации ударных и вибрационных нагрузок. Демпфирование в рабочей камере, в случае применения магнитореологической камеры с распределенными диссипативно-жесткостными свойствами, осуществляется за счет нейтрализации ударной волны или изменения скорости ее распространения путем генерации акустической волны. Магнитореологическая камера с распределенными диссипативно-жесткостными свойствами, разделенная на субполости, производит диссипацию механической энергии посредством моделирования характеристик вязкостного трения в объеме магнитореологической среды. Описанные численные модели позволяют производить расчет и проектирование модификаций магнитореологических камер предложенной конструкции. Приведена методика расчета конструктивных параметров магнитореологических камер по значениям коэффициентов, учитывающих частотные характеристики управляющих электромагнитных полей. Результаты численного моделирования иллюстрируют динамику изменения значений вязкостных характеристик в управляющих бегущих электромагнитных полях, по которым формируются значения коэффициентов, учитывающих частотные характеристики управляющих электромагнитных полей.
Бесплатно
Статья научная
В работе представлен расчет предельной механической характеристики тягового электродвигателя в составе электрической трансмиссии транспортного средства на примере типового автомобиля С класса. Указаны параметры необходимые для проведения расчета предельной механической характеристики. В статье приведены основные типы, используемых в настоящее время, электрических двигателей в качестве тяговых приводов, применяемых в электрических трансмиссиях: коллекторный двигатель постоянного тока, асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором, синхронный двигатель с возбуждением от постоянных магнитов, вентильный двигатель с самовозбуждением и вентильный двигатель с независимым возбуждением. Отмечены их главные достоинства и недостатки с точки зрения применения в качестве тягового электрического двигателя. В работе указаны силы, действующие на транспортное средство, на основе которых составлено уравнение тягового баланса. В результате, автор обосновывает то, что наилучшим вариантом предельной тяговой характеристики является равноплечая гипербола, которая соответствует характеристике постоянства мощности. Для построения предельной тяговой характеристики автор предлагает определять ключевые точки гиперболы, которые определяются в соответствии с эксплуатационными показателями транспортного средства. Рассмотрены ездовые циклы, используемые для измерения расхода топлива и запаса хода транспортного средства. Автор говорит о необходимости использования современного испытательного ездового цикла WLTC при расчете предельной механической характеристики тягового электродвигателя в составе электрической трансмиссии автомобиля для определения некоторых эксплуатационных параметров и основных механических характеристик тягового электрического двигателя.
Бесплатно
Статья научная
Рассматривается обработка точением внутренней цилиндрической поверхности детали с некруглой направляющей линией. Точение производится резцом, совершающим синхронные с вращением заготовки радиальные перемещения. Для исключения удара задней поверхности резца о заготовку необходимо обеспечить достаточную величину заднего угла. Статья посвящена расчету минимальной величины последнего на основе определения огибающей семейства линий - направляющих поверхности детали при ее движении относительно инструмента
Бесплатно
Статья научная
Авторами статьи определен уровень надежности бесступенчатого дифференциального механизма поворота со следящей системой управления (БДМПсССУ), достигнутый на стадии его проектирования и изготовления. По результатам анализа структуры данного механизма определено понятие отказа БДМПсССУ. Математическая модель надежности БДМПсССУ как восстанавливаемого изделия получена по графу состояний с учетом ряда допущений, основным из которых является допущение о стационарности, отсутствии последействия и ординарности процесса функционирования изделия. При определении параметров математической модели БДМПсССУ использованы статистические данные об интенсивностях отказов и наработок на отказ составных частей изделия, полученные в процессе испытаний приборов-аналогов. Решением системы дифференциальных уравнений Колмогорова при заданных начальных условиях определена функция готовности изделия. Функция готовности рассчитана с учетом нагрузок, которые возникают при эксплуатации БДМПсССУ в составе подвижного объекта, введением поправочного коэффициента для интенсивностей отказов элементов изделия. С использованием функции готовности определены величина наработки на отказ (показатель безотказности) и величина срока службы (показателя долговечности). Оба показателя надежности удовлетворяют требованиям задания. Особенность приведенных расчетов надежности БДМПсССУ в том, что в них сделан акцент на конструктивные, а не на производственные и эксплуатационные отказы. Это позволило убедиться в грамотности принятых на этапе проектирования БДМПсССУ решений, в том числе решения об унификации и стандартизации деталей, узлов, решения об использовании высоконадежных элементов и узлов. Это оправдано не только повышением надежности изделия, но и сокращением его стоимости.
Бесплатно
Статья научная
Для оценки нагруженности и долговечности элементов ходовых систем транспортных гусеничных машин в настоящее время широко применяются расчетные методы, которые предполагают компьютерное моделирование движения машины по трассе. В процессе движения по трассе гусеничная машина большую часть времени преодолевает криволинейные участки. Такой режим сопровождается интенсивными динамическими нагрузками, действующими на ходовую систему машины, поэтому при математическом моделировании движения важно адекватно описывать силы сопротивления, возникающие при поворотах. В статье приведен обзор известных методов расчета сил сопротивления при криволинейном движении машины. Предложен новый метод определения сил сопротивления. Взаимодействие гусеницы с грунтом рассматривается на ограниченных «активных» участках, прилегающих к опорным катками. Для расчета сил, возникающих в контакте траков и грунта, использован метод конечных элементов. По результатам конечно-элементных расчетов получены зависимости, связывающие нагрузки, действующие на трак, с его перемещением относительно грунта. Представлена методика расчета сил сопротивления повороту с использованием этих зависимостей и алгоритм интегрирования дифференциальных уравнений движения математической модели. Приведены результаты моделирования движения гусеничной машины класса 10 тонн. Использование предлагаемой методики при моделировании движения машины по трассе позволяет получить результаты с учетом формы опорной поверхности траков, свойств грунта и реального распределения нагрузки, действующей на гусеницу со стороны опорных катков. При этом могут быть получены процессы изменения нагрузок, действующих на каждый опорный каток машины. В дальнейшем эти процессы используются для расчета напряжений в исследуемых элементах и получения оценок их долговечности.
Бесплатно
Статья научная
Рассмотрены условия работы трибосопряжения «поршневой палец -верхняя головка шатуна». Выполнен расчет гидромеханических характеристик на примере расчета динамики сложнонагруженного подшипника. Показаны условия перехода жидкостного режима трения в граничный режим. Выполнено сравнение расчетных и экспериментальных данных.
Бесплатно
Расчет размерных цепей со звеньями-эксцентриситетами
Статья научная
Предлагается методика вероятностного расчета технологических и сборочных размерных цепей, содержащих звенья-эксцентриситеты, в качестве математических моделей которых приняты случайные векторы, имеющие круговое или сферическое нормальное распределение. Векторная размерная цепь приводится к линейной размерной цепи, в которую в качестве составляющего звена входит модуль вектора результирующего эксцентриситета. Приведены алгоритмы вычисления математического ожидания и дисперсии этого звена для различных условий обработки и сборки.
Бесплатно
Расчет ресурса деталей при случайном независимом многопараметрическом нагружении
Статья научная
Приводится новая методика расчетной оценки долговечности деталей при многоцикловом усталостном повреждении, основанная на использовании структурной модели материала. Методика позволяет рассматривать случай многопараметрического нагружения при сложном напряженном состоянии с учетом рассеяния усталостных характеристик материала. Применение методики иллюстрируется на примере расчета тяжелонагруженных элементов машин, работающих в условиях взаимодействия со случайной средой.
Бесплатно
