Статьи журнала - Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Машиностроение
Все статьи: 631
Расчет теплового режима электрического генератора микрогазотурбинной установки
Статья научная
Приведен метод расчета теплового режима работы электрического генератора микрогазотурбинной установки. Выполнен анализ влияния параметров процесса на уровень температур в элементах генератора.
Бесплатно
Расчет упругих характеристик измерительных диафрагм датчиков давления
Статья научная
Рассмотрен процесс деформирования тонких металлических оболочек в виде гофрированных мембран, используемых в датчиках давления.
Бесплатно
Расчет характеристик виброактивности буксы вагона
Статья научная
Рассмотрена математическая модель виброактивности буксы вагона при его движении по рельсам. Представленная модель позволяет учесть эксплуатационные нагрузки в вертикальном и горизонтальном направлениях. Эксплуатационные нагрузки рассчитаны на основании реальных отклонений рельсовых нитей от их осей.
Бесплатно
Расчет характеристик водометных движителей глиссирующих катеров
Статья научная
Рассматривается задача расчета характеристик водометных движителей глиссирующих катеров. Предложен метод проектирования рабочих колес водометных движителей. Проводится расчет тяговых, насосных и мощностных характеристик водометного движителя с помощью трехмерного численного моделирования рабочего процесса.
Бесплатно
Расчетная модель и характеристики бесклапанного поршневого насоса одностороннего действия
Статья научная
Рассмотрен рабочий процесс в поршневом насосе одностороннего действия, в котором клапаны заменены резисторными гидродиодами - проточными элементами, не содержащими подвижных механических частей и отличающимися тем, что при различных направлениях течения жидкости через них, ее расход при одинаковой потере напора оказывается существенно различным. Предложена расчетная модель процесса. Последняя построена на представлении сложного течения суммой двух простых: обусловленного гармоническим движением поршня и перепадом напоров в успокоителях. При этом полагалось, что всасывающий и напорный патрубки короткие, а их диаметры одинаковые. Анализом расчетной модели выявлены размерные и безразмерные параметры насоса, важнейшими из которых являются напор и подача, рабочий объем и частота хода поршня, диодность и прямое сопротивление гидродиодов, относительная площадь поршня. Получены аналитические выражения расходно-напорной характеристики и КПД насоса. Показано, что в отличие от поршневого насоса с клапанным распределением, расходно-напорная характеристика насоса с гидродиодами является нисходяще пологой. С уменьшением напора насоса его подача увеличивается, достигая максимума при нулевом значении напора. На характеристике имеется интервал значений напоров, на котором КПД насоса максимален. Проведен анализ влияния параметров насоса на его характеристики. Установлено, что с увеличением частоты хода и относительной площади поршня, рабочего объема и диодности гидродиодов достижимый напор и подача возрастают. КПД бесклапанного насоса зависит главным образом от диодности по сопротивлению D гидродиодов. При диодности D = 40 КПД насоса равен 26 %, а при D = 60 КПД достигает 33 %.
Бесплатно
Статья научная
В настоящее время в опорных катках тихоходных гусеничных движителей применяются подшипники скольжения с антифрикционными втулками из дорогостоящих сплавов цветных металлов. Возможной альтернативой могут стать более дешевые композитные втулки на основе пористого стеклопластика, полученные радиальной намоткой. Они выдерживают высокие нагрузки и могут работать в условиях ограниченной маслоподачи, используя смазочный материал, содержащийся в открытых порах втулки. Из-за пористой структуры втулки имеют низкую жесткость в радиальном направлении, что способствует образованию развитой площадки контакта со стальным валом. Низкие контактные нормальные и касательные напряжения приводят к снижению износа вала. Фактором, ограничивающим применение композитной втулки, является ее низкая межслойная прочность. По этой причине актуальной становится задача определения максимальных радиальных и сдвиговых напряжений, возникающих в процессе эксплуатации узла трения для расчетной оценки его работоспособности. В экспериментальной части работы для композитной втулки из пористого стеклопластика были найдены коэффициенты трения покоя и скольжения. Используя расчетно-экспериментальный метод, найдено критическое межслойное сдвиговое напряжение, приводящее к разрушению стеклопластика. В расчетной части представлена разработанная численная модель, позволяющая определить напряженно-деформированное состояние антифрикционных втулок в составе опорного катка трубоукладчика ТР-20. Используя численное моделирование в пакете ANSYS Workbench, для втулок из стеклопластика и бронзы были найдены картины распределения нормальных напряжений по поверхности контакта с валом. Получены зависимости значения максимального нормального напряжения от величины радиального зазора между валом и втулкой. Установлено, что на величину локальных нормальных напряжений существенное влияние оказывают сама кососимметричность нагружения подшипникового узла, зазоры, обусловленные его сборкой, и зазоры, образующиеся в процессе эксплуатации. Определена максимально допустимая величина радиального зазора между валом и втулками из бронзы и стеклопластика. Расчетным путем установлено, что применение антифрикционных композитных втулок в катках тихоходных гусеничных движителей не только возможно, но и позволяет увеличить значение максимального допускаемого зазора в узле трения.
Бесплатно
Статья научная
Предлагается уравнение для численной оценки величины коэффициента наполнения цилиндров двигателя свежим зарядом. Результаты расчетно-теоретических исследований сопоставляются с результатами эксперимента.
Бесплатно
Статья научная
Композитные материалы широко применяются в современной промышленности (авиа- и автомобилестроение, строительство и др.). Следует отметить, что современные высокопрочные и легкие композитные материалы (стекло-, угле- или органопластики) существенно дороже стали и алюминиевых сплавов, проявляют свойства упругой и прочностной анизотропии, имеют нелинейность деформирования и сравнительно малые (по сравнению с металлами) деформации разрушения. Наиболее важной задачей при проектировании конструкций из композитных материалов представляется минимизация ее массы без потери прочностных свойств. В первой части работы был разработан программный комплекс на языке С# для создания конечно-элементных моделей однонаправленного волокнистого композитного материала со случайно расположенными прямолинейными волокнами. Программный комплекс позволяет построить композитный материал с укладкой [0°/90°/0°], задавая входные параметры: размеры слоев и волокон в 90 слое. Программный комплекс выдает текстовый файл с расширением *.lgw, который в дальнейшем используется в численных расчетах. Во второй части работы представлены методика моделирования однонаправленного волокнистого композитного материала со случайно расположенными прямолинейными волокнами на микро- и мезоуровне. Задачи разного уровня рассматривали на примере задачи растяжения композитной панели. Механические характеристики в мезомодели подбирались на основании данных из модели микроуровня. В мезомодели постепенное разрушение серединного слоя (90° слой) задавали с помощью критерия Stochastic Failure (случайный разброс прочностных свойств по Мотту). Расчетные кривые деформирования, полученные в микро- и мезомоделях, хорошо коррелируют друг с другом.
Бесплатно
Расчетная оценка причин образования трещин в кожухе воздуховода горячего дутья
Статья научная
Воздухонагреватель доменной печи имеет металлический корпус, футерованный изнутри огнеупорным кирпичом. Технологический процесс предполагает циклическое изменение температуры газов внутри нагревателя от 400 до 1200 °С с длительностью цикла 3 часа. После определенной наработки в металлическом корпусе появляются трещины. Внутренне давление в корпусе невелико, но трещины тем не менее представляют опасность, поскольку поток горячего (1200 °С) обогащенного кислородом воздуха из трещины может повредить окружающие конструкции. Способы борьбы с трещинами зависят от механизма их образования. В качестве возможных механизмов рассматривались нескомпенсированные силы от теплового расширения всей конструкции в целом, вибрации и термические напряжения от локальной неравномерности нагрева кожуха. Наблюдаемые трещины имеют различную ориентацию и в ряде случаев расположены достаточно близко друг к другу. Такая картина характерна для тепловых трещин и не характерна для трещин, вызванных механическими нагрузками и/или вибрациями. Расчетный анализ показал, что наблюдаемая неравномерность температуры (весьма малая на наружной поверхности кожуха) может быть причиной появления термоусталостных трещин. Фрактографические исследования подтвердили термоусталостный характер трещин. В качестве возможной меры борьбы рассмотрено создание 2-слойного кожуха, оценена эффективность такого решения.
Бесплатно
Статья научная
Выполнены расчеты характеристик малогабаритной центробежной форсунки с использованием трех инженерных методик и с применением численного моделирования. На основании сравнения результатов расчета с экспериментальными данными сделаны выводы о степени пригодности различных инженерных методик для расчетно-теоретического исследования малогабаритных форсунок.
Бесплатно
Статья научная
Разработана физико-статистическая математическая модель расходования ресурса конвертированного дизеля типа В-2. Предложены уравнения для определения относительной скорости накопления повреждений двигателя в зависимости от конструктивных и регулировочных параметров, режимов нагружения объектов применения. Сформулированы рекомендации по выбору номинальных значений частоты вращения и мощности конвертированного дизеля типа В-2, обеспечивающих требуемые показатели долговечности.
Бесплатно
Расчетно-экспериментальное исследование амплитудно-частотной характеристики тензопреобразователя
Статья научная
Рычажные тензопреобразователи используют в датчиках давления для преобразования поперечного перемещения рычага в электрический сигнал. Для анализа возможности применения рычажного тензопреобразователя при определении нагруженности элементов рельсового транспорта от воздействия неровностей со стороны дорожного полотна в статье найдена его амплитудно-частотная характеристика. Выполнено экспериментальное исследование, позволившее идентифицировать две первые собственные частоты изгибных колебаний тензопреобразователя и определить декремент колебаний на этих частотах. Диаметр рычага датчика составляет 4,5 мм, а масса менее 5 г, поэтому контактные методы измерения амплитуд колебаний здесь оказываются неприменимыми. Поэтому амплитудно-частотная характеристика тензопреобразователя определена экспериментально с помощью тензочуствительной схемы самого тензопреобразователя и с помощью одноточечного трехкомпонентного лазерного виброметра Polytec 3D LV, который измеряет три линейных компоненты виброскорости в точке колеблющегося объекта. Испытаны два тензопреобразователя. Испытания проведены методом плавного изменения частоты синусоидальных колебаний. Определены две первые резонансные частоты изгибных колебаний тензопреобразователя. Резонансным методом определен декремент колебаний. Найден допустимый уровень вибронагрузки на резонансе, превышение которого приведет к поломке тензопреобразователя. С помощью конечно-элементной модели получена зависимость первой частоты собственных колебаний тензопреобразователя от жесткости системы. Эта зависимость позволяет прогнозировать собственную частоту колебаний тензопреобразователя по данным, приведенным в паспорте изделия. Экспериментально найденные резонансные частоты и декремент колебаний позволяют построить расчетную модель тензопреобразователя, верифицированную результатами испытаний. Модель можно использовать на ранних стадиях проектирования датчиков давления и датчиков, измеряющих нагруженность элементов рельсового транспорта от воздействия неровностей со стороны дорожного полотна.
Бесплатно
Статья научная
В связи с задачей обеспечения точности и надежности измерений массового расхода флюида кориолисовым расходомером рассматривается вопрос об интерпретации замеченной ранее в эксперименте связи между жесткостью крепления расходомера и основной наблюдаемой величиной - сдвигом фаз между колебаниями двух соответственных точек на противоположных плечах измерительной трубки. Установлено, что в случае близости одной из собственных частот системы «кориолисов расходомер - трубопроводы», зависящей от жесткости закрепления, к частоте резонансных колебаний, на которой работает расходомер, наблюдается недопустимое увеличение погрешности измерений, связанное со смещением нуля прибора. Смещение нуля кориолисового расходомера - это величина разности фаз при нулевом расходе. Численные эксперименты, выполненные на конечноэлементной модели системы «кориолисов расходомер - трубопровод», в балочно-оболочечном приближении показали, что наблюдаемый на опыте сдвиг фаз зависит не только от массового расхода флюида, но также и от свойств системы - наличия в окрестности рабочей частоты одной из собственных частот системы «кориолисов расходомер - трубопроводы», зависящей от жесткости закрепления, демпфирующих свойств системы и величины дисбаланса двух измерительных трубок. Расчетно-экспериментальным путем установлено, что наблюдаемое смещение нуля обусловлено появлением в окрестности рабочей частоты одной из собственных частот системы «кориолисов расходомер - трубопроводы», приводящим к увеличению более чем на два порядка разности фаз двух соответствующих точек измерительных трубок на рабочей форме колебаний расходомера, росту амплитуд колебаний корпуса расходомера и изменению фазы его колебаний на 180°.
Бесплатно
Статья научная
Микрогазотурбинная энергоустановка (МГТУ) предназначена для выработки и децентрализованного снабжения внешних потребителей электрической энергией с номинальной мощностью 100 кВт и тепловой 200 кВт. Ответственной частью МГТУ является ротор, рабочая частота вращения которого составляет 65 000 мин-1. Он состоит из двух подсистем - ротора турбокомпрессора (ТК) и ротора стартер-генератора (СГ), соединенных упругой связью. Одним из требований, предъявляемых к конструкции ротора, является отсутствие его критических частот в диапазоне ± 30 % от рабочей частоты вращения. Статья посвящена анализу собственных и критических частот и форм ротора микрогазотурбинной установки. Собственные частоты ротора МГТУ оценены как для системы в целом, так и для каждой из двух подсистем отдельно. Для ротора ТК такая оценка получена методом конечных элементов. Собственные частоты и формы стартер-генератора вследствие сложности его конструкции определены расчетным и подтверждены экспериментальным путем с применением технологии LMS модального анализа. Проведено исследование собственных частот ротора МГТУ в зависимости от жесткостей подшипниковых опор и установлен допустимый диапазон последних. Решение задачи об определении критических частот ротора МГТУ выполнено расчетным путем в два этапа. На первом, с целью верификации алгоритма определения критических частот в пакете Ansys Workbench решена известная тестовая задача. На втором этапе выполнен расчет критических частот трехмерной модели ротора МГТУ методом конечных элементов. На основании результатов выполненных расчетов даны рекомендации относительно конструкции элементов ротора, позволяющие увести его критические частоты из недопустимой области.
Бесплатно
Статья научная
Применение манипуляционных роботов для механообработки, например, для операций сверления все еще носит ограниченный характер. Это обусловлено относительно низкой жесткостью таких роботов. Низкая жесткость является причиной низкой точности получаемых поверхностей деталей, в том числе и точности расположения осей отверстий. В связи с этим расчетное прогнозирование технологами возможной величины увода сверл с использованием роботов является актуальной задачей машиностроения. Наиболее точным методом расчета жесткости сборных конструкций является метод конечных элементов. Однако расчет конечно-элементных сеток роботов на основе их CAD-моделей обуславливает формирование таких сеток с несколькими миллионами элементов. Компьютеры, доступные сегодня технологам, не позволяют выполнить такие громоздкие расчеты. Следовательно, возникает задача выполнения подобных расчетов с адекватными сетками меньших размеров. В работе предлагается метод расчета сеток, основанный на воксельном моделировании, а именно на получении облака узловых точек вокселей с использованием CAD-моделей роботов. Используя четыре допущения, в числе которых: замена сборки робота эквивалентной деталью; использование полученных на основе экспериментов эквивалентных по жесткости шарниров; неизменность положения звеньев робота в процессе сверления и допущение по силовым нагрузкам на роботе, - получили воксельную модель робота и на этой основе рассчитали регулярные конечно-элементные сетки численностью до одного миллиона элементов. Была выполнена верификация данного способа расчета на примере смещений конца последнего звена трехосевого робота. Отклонения расчетных и экспериментальных данных не превысили 18 %. Учитывая множество мало формализованных факторов расчета, например, сил резания, такое отклонение приемлемо для целей прогнозирования точности расположения отверстий в процессе их сверления роботами. Следовательно, предлагаемый метод расчета является перспективным для технологической подготовки производства.
Бесплатно
Статья научная
Разработан численный метод расчета демпфирующих свойств защитного радиального демпфера, устанавливаемого на контейнеры с размещаемыми в них грузами с целью минимизировать разрушающие повреждения грузов при возможных аварийных падениях в процессе их транспортировки до места предполагаемого использования. Особенностью методики является включение в рассмотрение пластических свойств материала, определяемых диаграммой пластического течения, и реальных контактов с трением между составляющими элементами демпфера. Метод позволяет определить напряженно-деформированное состояние и ускорение торможения демпфера при ударе контейнера о жесткую бетонную поверхность с помощью программного комплекса ANSYS Workbench 16.1. Предлагаемый алгоритм расчета ускорений торможения демпфера по силе реакции полностью подтверждается аналитическим решением дифференциального уравнения движения контейнера с демпфером в упругой области деформирования. Обе приведенные методики проиллюстрированы на примере расчета данного радиального амортизатора, который предлагается сделать из двух рядов цилиндрических труб, изготовленных из алюминиевого сплава АМг6 и соединенных между собой. В результате решения поставленной задачи продемонстрировано, что использование двух слоев труб с различным креплением друг к другу и обусловленной этим различной жесткостью слоев приводит к двум этапам деформирования и разрушения при ударе. Сначала деформируется внешний слой труб, затем - внутренний. В результате расчета установлено, что энергия упруго-пластического деформирования демпфера при ударе о жесткую бетонную поверхность составит около половины кинетической энергии движения. Определена зависимость ускорения торможения демпфера от величины его смятия.
Бесплатно
Статья научная
В статье рассмотрены виды изнашивания и отказы подшипников скольжения. Основываясь на физике отказов, предложена методика определения предотказного состояния подшипников скольжения включающая в себя: определение предельного зазора в подшипнике; определение предельного значения вязкости масла; определение предельного значения овальности шейки вала и вкладышей; определение предельной площади выкрашивания поверхности вкладышей; определение предельного значения концентрации активных абразивных частиц в смазочном материале. Решение этих задач базируется на расчётном определении гидромеханических характеристик (ГМХ) подшипников с помощью гидродинамической теории смазки, определении зон контактного взаимодействия элементов ПС, продолжительности граничного режима смазки, величинах износа поверхностей втулки и шейки вала. Расчётные исследования выполнены на примере расчета динамики шатунного подшипника коленчатого вала теплового двигателя. В частности показано, что при величине диаметрального зазора в шатунном подшипнике в 90-120 мкм продолжительность граничного режима смазки составляет более 25 %, что является предельным значением. Снижение вязкости масла (измеренной при 100 С) ниже 9,5 мПа∙с недопустимо, поскольку приводит к повышению продолжительности граничного режима смазки до 42 %. По тем же причинам эллиптичность вкладышей более 5 мкм недопустима. Массовая концентрация активных абразивных частиц в масле более 0,1 % приводит к резкому повышению максимальной скорости изнашивания подшипника, и данную концентрацию следует считать предельной с точки зрения его предотказного состояния. Методика позволяет на ранних стадиях проектирования машин, в состав которых входят гидродинамические подшипники скольжения, определять критерии их предотказного состояния.
Бесплатно
Расширение рабочего пространства технологического оборудования, построенного на основе ротопода
Статья научная
Показано, что неоднозначность решения обратной задачи для ротопода позволяет расширить рабочее пространство оборудования, выполненного на его основе
Бесплатно
Статья научная
Рассмотрены проблемы, возникающие при производстве порошков, волокон и гранулоподобной стружки из вязких и хрупких материалов, применяемых в различных отраслях. Особенность данной проблемы заключается в обеспечении жестких требований к размерам, отклонениям размеров и формы дисперсных частиц, которые не могут быть получены при использовании традиционных устаревших технологиях переработки материалов. Обосновано применение нового способа возбуждения резонансных колебаний в виброприводах, обеспечивающего улучшение технологических параметров вибрационных станков-диспергаторов. Новизна способа состоит в получении синхронных колебаний в технологической системе и поддержании их на заданном уровне, а также в обеспечении возможности управления формой генерируемых колебаний. Предлагаемый способ позволяет повысить мощность, универсальность и эффективность работы виброприводов за счет обеспечения возможности управления формой траектории колебаний рабочего органа и одновременной синхронизации высокочастотной и низкочастотной составляющих колебаний. Показано, что функциональные возможности виброприводов могут быть расширены за счет возбуждения механических колебаний на резонансных частотах. Для более полного и наглядного представления процесса возбуждения резонансных колебаний средствами суперкомпьютерных ресурсов ЮУрГУ были выполнены расчёты частотных характеристик колебаний роторов вибропривода. Для сравнения траекторий и форм колебаний были представлены векторные диаграммы движения радиус-векторов суммарных амплитуд колебаний при несинхронном и синхронном режимах работы. В результате расчётов были выявлены три формы собственных резонансных колебаний каждого из роторов вибропривода. Для мониторинга и поддержания требуемых технологических параметров вибропривода была разработана система автоматизированного управления, позволяющая производить сбор у виброприводов параметрической информации, ее автоматическую обработку и поднастройку устойчивой синхронной работы посредством электрической обратной связи.
Бесплатно
Статья научная
Предлагается методика рационального совмещения характеристик двигателя внутреннего сгорания и двухмашинного электрического привода постоянного тока промышленного дизель-электрического трактора, обеспечивающая получение максимального значения средней выходной мощности силовой установки промышленного трактора при выполнении им рабочей операции.
Бесплатно
