Расчет и конструирование. Рубрика в журнале - Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Машиностроение
Обзор методов оценки коэффициентов жесткости и демпфирования опор скольжения
Статья научная
Турбонаддув двигателей внутреннего сгорания играет важную роль в обеспечении необходимых показателей качества и эффективности. Оценка стабильности работы ротора турбокомпрессора должна быть выполнена еще на стадии проектирования, с учетом характеристик опор. В современной инженерной практике доступный функционал для анализа динамики ротора на опорах скольжения ограничен и, как правило, требует предварительного знания коэффициентов жесткости и демпфирования. Основной целью данной статьи является обзор методов оценки динамических характеристик подшипников скольжения, которые применяются в качестве опор современных турбокомпрессоров. Приведена общепринятая модель схематизации подшипника с масляной смазкой в виде пружин и демпферов с соответствующими характеристиками. В работе представлены описание основных принципов определения коэффициентов жесткости и демпфирования. Приведены описания коммерческих программных комплексов для решения данного типа задач. Обозначены основные типы подшипников скольжения, для которых возможет анализ динамических характеристик. Также отражены основные методы, применяемые современными ученными при оценке коэффициентов жесткости и демпфирования подшипников скольжения различных типов. Сформулированы основные пробелы современных исследований. Приведен недостаток общепринятого подхода к оценке динамических характеристик, на основании чего обозначена цель дальнейших изысканий. Современные турбокомпрессоры даже при работе на стационарных режимах могут подвергаться ударным нагрузкам, вибрациям с большими амплитудами, которые неизбежно влекут за собой большие отклонения ротора, не соответствующие предположению малых орбит вокруг положения равновесия. Данное обстоятельство ставит вопрос о ином подходе к определению коэффициентов жесткости, который может быть основан на комбинации линеаризации силы в положении равновесия и дополнительной математической моделью, описывающей область больших смещений, которая будет коррелировать с результатами нелинейного анализа.
Бесплатно
Статья научная
Рассмотрены наиболее известные реологические модели моторных масел, используемые при расчётах динамики подшипников скольжения коленчатого вала. Наибольшее распространение получили модели, учитывающие нелинейное поведение вязкости. Выполнен обзор некоторых методик расчёта подшипников скольжения, учитывающих неньютоновское поведение смазочного материала.
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
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
Статья научная
Одним из направлений совершенствования конструкций насосных установок является снижение внутренних потерь: механических, объемных и гидравлических. Существующие методы позволяют определять с достаточной точностью численные значения механических потерь и потерь изза объемных утечек. Наибольшую трудность здесь представляют гидравлические потери, на которые влияют не только многие факторы, но и не представляется возможным установить величину их суммарного влияния. Анализ отечественных и зарубежных литературных источников подтверждает, что гидравлические потери являются наиболее значимыми для совершенствования конструкций насосов. Рассматривая гидравлические потери, следует отметить, что при внутренних перетоках через щелевые уплотнения рабочих колес часть вышедшей из колеса жидкости вновь входит в него обратно. Такое приводит к ухудшению эксплуатационных показателей насосов. Разработчики конструкций насосов связывали изменения их основных эксплуатационных показателей, как правило, только с объемными оттоками через щелевые уплотнения рабочих колес, не учитывая влияние высоконапорных струйных течений на основной поток перекачиваемой жидкости. В статье результатом проведенного исследования процессов, происходящих на входе в рабочее колесо динамического насоса, является внесение в его конструкцию изменений: представленная в статье конструктивная схема фрагмента центробежного насоса, в котором предложены изменения углов встречи перетоков из высоконапорной области в низконапорную через переднее щелевое уплотнение и разгрузочное отверстие рабочего колеса с основным потоком перекачиваемой жидкости. Внесение предложенных конструктивных изменений позволило минимизировать тормозящее действие потока объемных утечек через заднее щелевое уплотнение основному перекачиваемому потоку, а также получить позитивное воздействие продвижению эжектируемого основного потока перекачивающей среды.
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 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 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
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
Определение параметров гидроударников ковша
Статья научная
Задачу разработки мерзлого грунта в стесненных условиях, на площадках с небольшим фронтом работ и на участках вблизи промышленных и гражданских объектов можно решить, оснастив экскаватор сменным оборудованием гидромолота (для подготовки грунта к разработке) и ковша активного действия с гидроударниками (для непосредственной разработки). Эффективность работы этих машин объясняется тем, что часть мощности передается непосредственно на рабочий орган, минуя промежуточные звенья. Предложен вариант совершенствования ковша экскаватора путем добавления в конструкцию двух гидроударников. В статье содержится общий вид в двух проекциях усовершенствованного рабочего оборудования. Также в статье представлена гидравлическая схема гидроударников модернизированного рабочего оборудования. Оснащение экскаватора сменным оборудованием в виде ковша активного действия сохраняет все возможности базовой машины: универсальность, мобильность, маневренность, автономность. Перед проведением работ по имитационному моделированию необходимо провести ряд теоретических исследований, позволяющих определить основные параметры гидроударника ковша активного действия. Это стало целью проведения данных теоретических исследований. Приведены численные выражения для определения таких параметров, как диаметр штока, длина устройства запорно-регулирующего устройства, площадь проходного сечения, максимальный диаметр камеры управления, объем камеры управления, давление на выходе из насоса. В результате проведенных теоретических исследований был построен ряд графических зависимостей, позволяющих установить взаимосвязь параметров. В качестве примера в статье представлена графическая зависимость частоты ударов бойка от расхода насоса при изменении диаметра настроечного дросселя. Исследования показали работоспособность конструктивных схем предлагаемых конструкций гидроударных устройств.
Бесплатно
Определение рационального профиля камеры сгорания форсированного транспортного дизеля
Статья научная
Рассматривается методика проектирования рационального профиля открытых камер сгорания в поршнях без выточек под клапаны при условии отсутствия организованного движения воздушного заряда. Методика базируется на теоретических исследованиях процесса взаимодействия топливного факела со стенкой камеры сгорания и результатах экспериментальных исследований влияния конструктивных параметров камеры сгорания на показатели рабочего процесса дизеля.
Бесплатно
Оптимальное распределение движущих сил и моментов шагающих аппаратов с трёхзвенными конечностями
Статья научная
Предложены общие уравнения динамики (УД) шагающих аппаратов (ША) с трёхзвенными конечностями (ТК). Выведены формулы вычисления динамических реакций в опорных точках. Для ША в трёхопорном состоянии шесть обобщённых движущих сил (ОДС) звеньев опорных ТК (ОТК) выражены через оставшиеся три ОДС этих ОТК. Получены формулы вычисления ОДС звеньев ОТК, минимизирующих квадратичный (относительно ОДС) критерий качества. Приведён пример.
Бесплатно
Статья научная
Приведены результаты имитационного моделирования переходных режимов криволинейного движения быстроходной гусеничной машины с дифференциальным гидрообъемным механизмом поворота с целью оптимизации включения блокировочного фрикциона ГОП при перегрузке последнего по давлению.
Бесплатно
Оптимизация низкочастотной балансировки ротора ГД-40
Статья научная
Для борьбы с роторной вибрацией малоразмерных роторов массой до трёх килограмм в России широко используются низкочастотные балансировочные станки серии ВМ «Морион», осуществляющие их статическую и моментную балансировку. Однако, как показала практика на предприятии, низкочастотная двухплоскостная балансировка (НЧБ) роторов ГД-40, используемых в системе наддува дизелей, в 15-20 % случаев приводит не к уменьшению, а к увеличению вибрации ротора. В предлагаемой работе исследуется причина этого явления и способы её устранения. Построена дискретно-континуальная модель ротора и определены его критические частоты вращения и собственные формы. Разработана вероятностно-статистическая модель исходного дисбаланса ротора ГД-40 с насадными деталями. Показано, что две плоскости коррекции, используемые при балансировке, расположены вблизи пучностей I и II форм ротора, так что корректирующие массы, уравновешивающие статический и моментный дисбалансы, создают достаточно большие обобщённые вынуждающие силы на его I и, особенно, на II собственных формах. Это и приводит к увеличению вибронагруженности ротора после двухплоскостной НЧБ. Предложено проводить балансировку не в двух, а в трёх плоскостях коррекции, используя в качестве исходных данных результаты предварительного экспериментального определения статического и моментного дисбаланса ротора на станке «Морион», что позволяет ортогонализовать силы инерции корректирующих масс к более опасной второй собственной форме. На основании расчёта амплитуд вынужденных колебаний ротора при 50 вариантах распределения случайных дисбалансов показано, что трёхплоскостная балансировка позволяет значительно уменьшить вибронагруженность ротора во всей зоне рабочих частот, полностью исключив случаи её увеличения.
Бесплатно
Статья научная
В статье рассматривается актуальная проблема разработки отечественных гусеничных сельскохозяйственных тракторов мощностью свыше 350 л. с., в частности создание эффективного гидравлического эксцентрикового механизма натяжениясдавания гусеничной резинотросовой ленты. Отмечается, что в отечественном тракторостроении отсутствуют аналоги зарубежных моделей, таких как Challenger, Fendt и John Deere, где применяется гидравлический эксцентриковый механизм, обеспечивающий простоту натяжения, контроль давления и удобство обслуживания. Рассматриваемый механизм натяжениясдавания состоит из эксцентрикового рычага, гидроцилиндра, гидропневмоаккумулятора и блока коммутации. Данный механизм рассчитывается на работу при давлении 190–210 бар, что соответствует номинальному давлению в гидросистеме сельскохозяйственных тракторов. Блок коммутации, оснащенный датчиком давления, позволяет отслеживать состояние натяжения гусеничной ленты и оперативно информировать оператора о необходимости регулировки. В работе предложена методика расчёта механизма, основанная на решении системы треугольников, описывающих геометрию устройства с учётом угла установки эксцентрика β. Рассчитаны зависимости усилия натяжения и сдавания от угла β, а также параметры гидроцилиндра и гидропневмоаккумулятора, обеспечивающего амортизацию. Получена полная характеристика работы механизма, отражающая нелинейность усилий в зависимости от угла установки и растяжения гусеничной ленты. Выводы подчеркивают, что усилия в механизме являются нелинейными функциями, а задача оптимизации сводится к решению трансцендентной системы уравнений. Предложенная методика расчёта позволяет упростить и ускорить выбор оптимальных конструктивных решений, повысить надёжность и эксплуатационные характеристики ходовой части отечественных гусеничных тракторов, что важно для обеспечения продовольственной безопасности страны.
Бесплатно
