Расчет и конструирование. Рубрика в журнале - Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Машиностроение
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
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
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
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
Статья научная
Предложен новый подход к проектированию длинномерных каркасно-панельных кузовов транспортных средств заданной долговечности с применением соединений на эластичных клеях с трансверсальным армированием. В процессе изготовления каркасно-панельного кузова производится вклеивание готовых сэндвич-панелей со стеклопластиковыми обшивками в стальной каркас. Используемые при этом соединения можно отнести к группе нахлёсточных. Для стальных каркасов, имеющих существенные отклонения от проектной геометрии (переменные зазоры между вклеиваемыми панелями и каркасом), высокие требования к долговечности конструкции при ее минимальном весе требуют выравнивания нагрузок на композитные панели и каркас за счет регулирования жесткости клеевого шва переменной толщины. Предложена новая концепция управления жесткостью при помощи самонарезающих винтов малого диаметра. Концепция реализована за счет использования разработанных номограмм, связывающих между собой толщину клеевого слоя, шаг армирования самонарезающими винтами и погонную жесткость соединения, определяемую в расчете на единицу длины соединения. Номограммы позволяют определять требуемый шаг армирования при заданной толщине клеевого слоя и жесткости соединения. На примере кузова трамвайного вагона отработана методика проектирования с использованием отмеченных номограмм. После подбора необходимого шага армирования в рамках методики производится оценка нагруженности армированных соединений и каркаса. Нагрузки определяются с помощью метода конечных элементов (МКЭ), используя упрощенную модель кузова и поправочных коэффициентов, вычисленных на основе детализированного МКЭ моделирования типовых каркасно-панельных конструкций. Проверка статической прочности и долговечности соединений реализована соответственно на основе верифицированных МКЭ моделей армированных соединений и аналитических экспериментальных зависимостей.
Бесплатно
Повышение долговечности силовых передач МЭС за счет снижения их динамической нагруженности
Статья научная
Целью настоящих исследований является определение долговечности элементов конструкции трактора расчетно-экспериментальным методом и по результатам вычислений - определение изменения нагруженности деталей силовой передачи при установке в неё упругодемпфирующего механизма. Полученные результаты расчетно-экспериментальных значений нагружения элементов силовой передачи серийного трактора и трактора с УДМ показывают, что долговечность опытного трактора в среднем до 2,5 раза превышает долговечность трактора с серийной силовой передачей. Повышение долговечности объясняется снижением нагрузки на детали силовой передачи трактора при установке в нем упругодемпфирующего механизма (расчеты проводились по результатам изменения крутящего момента). Приведенные результаты свидетельствуют о том, что использование УДМ в силовой передаче трактора тягового класса 1,4 при работе с основными сельскохозяйственными машинами позволяет существенно снизить нагрузки на конструктивные элементы. Организация статьи построена следующим образом. Раздел «Введение» посвящен проблеме улучшения силовых передач тракторов. Приведены различные работы отечественных и зарубежных исследователей в области улучшения показателей качества работы тракторов. В этом же разделе приведена дополнительная справочная информация о наших предыдущих исследованиях, предыстория исследований упругодемпфирующего механизма (УДМ), установленного в силовой передаче трактора малого класса тяги. Раздел «Материалы и методы» содержит описание применяемого метода и последовательность действий для проведения исследований. Разделы «Результаты исследований и обсуждения» содержат результаты проделанной работы и их обсуждение, в том числе интерпретацию анализа данных. Раздел «Заключение» является обобщением основных результатов, в котором подведены итоги исследований.
Бесплатно
Повышение жесткости нахлесточных клеемеханических соединений, армированных самонарезающими винтами
Статья научная
Рассмотрен метод повышения жесткости нахлесточных клеемеханических соединений стеклопластика и металла с использованием армирования в трансверсальном направлении самонарезающими винтами. Суть метода - заполнение зазоров между резьбовым элементом и стенкой отверстия полимером (эпоксидной смолой холодного отверждения). Это приводит к залечиванию микротрещин, возникающих в композитном материале после вворачивания самонарезающего винта и увеличению эффективной площади контакта винтов и соединяемых деталей. Стеклопластик исследуемых образцов соединений получен методом контактного формования на основе полиэфирной смолы и стекломата плотностью 300 г/м2, стальные пластины - из горячекатаного листа марки Ст3пс. Клеевой слой толщиной 3 мм - полиуретановый конструкционный клей-герметик. Армирующие трансверсальные элементы - стальные самонарезающие винты диаметром 2,5 мм. Испытания на циклическое растяжение-сжатие в продольном направлении проведены для 15 исходных и 15 модифицированных образцов (по 5 на каждом из 3 уровней нагрузки: 500, 600 и 700 Н). Условием достижения предельного состояния было принято: для исходных образцов - увеличение их податливости на 30 % по сравнению с начальным состоянием; для модифицированных образцов - достижение той же податливости, что у исходных образцов. Результаты испытаний показали, что в среднем модифицированные образцы демонстрируют на 35 % большую эквивалентную жесткость (отношение размаха нагрузки к размаху петли гистерезиса диаграммы испытаний), чем необработанные. При этом для обоих типов образцов темпы снижения жесткости соединения монотонно уменьшаются, оценки показывают, что стабилизация процесса деформирования образцов возможна после нескольких сотен циклов.
Бесплатно
Повышение качества переходных процессов при управлении поворотом быстроходной гусеничной машины
Статья научная
Предметом исследования является управляемое движение гусеничной машины с дискретными свойствами механизма управления поворотом. Целью работы является совершенствование качества переходных процессов при регулировании угловой скорости поворота гусеничной машины. В статье приводится обоснование необходимости совершенствования качества переходных процессов при управлении поворотом гусеничной машины для повышения ее быстроходности. Динамика управляемого движения исследуется на основе имитационного моделирования системы дифференциальных уравнений по трем обобщенным координатам. На основе сравнительного анализа результатов имитационного моделирования и экспериментального исследования динамики управляемого движения установлено, что быстроходность ограничивается перерегулированием реакции машины на управляющее воздействие, колебательностью переходного процесса и недостаточной интенсивностью его затухания. Решение задачи повышения быстроходности осуществляется на основе реализации современного информационного подхода - создания автоматизированной системы стабилизации траектории движения машины, реализующей идею перераспределения силового управляющего воздействия (Input Shaper). Исследованием установлено, что применительно к рассматриваемому объекту управления наилучшие результаты демонстрирует алгоритм нулевой вибрации (Zero Vibration Shaper (ZV-Shaper)), который позволяет минимизировать предельное перерегулирование, а переходный процесс становится близким к апериодическому. Качество процесса управления определяется стабильностью собственной частоты системы, на которую настроен предлагаемый Input Shaper. В связи с этим целесообразно в систему управления введение контура мониторинга и идентификации собственной частоты. Результаты исследования создают предпосылки повышения быстроходности машины, в том числе на грунтах с низкими сцепными свойствами.
Бесплатно
Статья научная
Приведены результаты имитационного моделирования криволинейного движения быстроходной гусеничной машины с дифференциальным гидрообъемным механизмом поворота и регулируемой гидродинамической муфтой. Развит вопрос имитационного моделирования работы муфты в условиях переменного заполнения.
Бесплатно
Статья научная
В данной статье приведены результаты исследования параметров криволинейного движения промышленного гусеничного трактора класса тяги 10 тонн с дифференциальным механизмом поворота. В тяжелых грунтовых условиях и при резком маневрировании гидрообъёмная передача, составляющая основу дифференциального механизма поворота, перегружается по давлению. Авторами предложен и обоснован алгоритм управления поворотом совместным действием гидрообъёмной передачи и остановочного тормоза отстающего борта. При этом включение остановочного тормоза осуществляется методом широтно-импульсной модуляции при наступлении определенных условий, определенных в процессе математического имитационного моделирования. Показано, что включение остановочного тормоза в момент перегрузки гидрообъёмной передачи не является результативным, так же как и включение остановочного тормоза отстающего борта на некоторое время переходного процесса изменения траектории. Смоделировано движение трактора по установившейся криволинейной траектории при включении остановочного тормоза отстающего борта. При этом установлено, что трактор не останавливается, несмотря на противоречивые, в данных условиях, усилия остановочного тормоза и гидрообъёмной передачи. Дело в том, что ГОП не является абсолютно жёстким звеном силовой цепи и при противодействии остановочному тормозу либо сбрасывает рабочую жидкость через предохранительный клапан, либо переходит в генераторный режим. Результаты исследования получены в рамках проекта по созданию высокотехнологичного производства «Разработка бесступенчатого дифференциального механизма поворота со следящей системой управления для внедорожных и дорожно-строительных машин нового поколения» по соглашению № 074-11-2018-006 от 31.05.2018 г. между Министерством науки и высшего образования Российской Федерации и Обществом с ограниченной ответственностью Производственная компания «Ходовые системы» в кооперации с Головным исполнителем НИОКТР - Федеральным государственным автономным образовательным учреждением высшего образования «Южно-Уральский государственный университет (национальный исследовательский университет)».
Бесплатно
Статья научная
Представлены результаты исследования, направленные на повышение надежности турбокомпрессоров автотракторных дизельных двигателей. Анализ отказов турбокомпрессоров ТКР7Н-1, их невысокого ресурса, конструктивных особенностей турбо¬компрессора, а также теоретическое рассмотрение протекания рабочих процессов в его подшипниковом узле позволили сделать вывод о недостаточной эффективности организации смазывания подшипникового узла, приводящего к торможению вращения вала ротора за счет образования замкнутой полости внутри подшипникового узла, а низкий расход масла через турбокомпрессор ведет к перегреву корпуса, его термической деформации и последующему заклиниванию вала ротора, а также ускоренному старению и угару моторного масла. Предложенное в работе конструкторское решение, реализованное в виде ремонтного комплекта и разработанной технологии ремонта турбокомпрессоров ТКР7Н-1, позволило значительно улучшить условия смазки подшипникового узла, что привело к снижению гидравлического сопротивления вращению вала ротора и увеличило его частоту вращения на 12 700 мин-1. Вследствие повышения частоты вращения вала давление наддува увеличилось на 0,014 МПа, что улучшило технико-эксплуатационные показатели двигателя. Увеличение расхода масла через турбокомпрессор привело к снижению температуры корпуса турбокомпрессора до 32 %, а температуры масла от 10,3 до 12 % в зависимости от температурного режима работы. Предложенное решение позволило снизить долю отказов турбокомпрессоров в эксплуатации на 35 % за счет снижения тепловой напряженности корпуса, что исключило возникновение такого отказа, как заклинивание вала ротора и исключило перегрев масла, что привело к повышению надежности работы турбокомпрессора.
Бесплатно
Повышение подвижности быстроходной гусеничной машины путем автоматизации механизма поворота
Статья научная
Приведены результаты имитационного моделирования движения машины при автоматизации дополнительного регулирования гидрообъёмного механизма поворота, двигателя и тормозов с целью повышения точности управления поворотом, предотвращения заноса и увеличения средней скорости.
Бесплатно
Статья научная
Приведены результаты имитационного моделирования переходных режимов криволинейного движения быстроходной гусеничной машины с двухпоточным гидрообъемно-механическим механизмом поворота с 4-кратным снижением требований к установочной мощности гидрообъемной передачи.
Бесплатно
Статья научная
Объектом исследования является промышленный гусеничный трактор класса тяги 10…20 т с гидромеханической трансмиссией на базе гидродинамического трансформатора крутящего момента и с дифференциальным механизмом поворота. Обозначены преимущества использования конструкции гидрообъёмного механизма поворота, и обоснована актуальность задачи обеспечения устойчивости движения машины по траектории с различными радиусами. Приведена математическая модель движения гусеничной машины с особенностями соединения двух потоков мощности через планетарный зубчато-рычажный механизм и следящей системы поддержания стабильного радиуса при неизменном положении штурвала. Исследованы переходные процессы в гидродинамической трансмиссии и в гидрообъёмном механизме поворота при входе в поворот и при повороте на месте. Определены граничные грунтовые условия для выполнения трактором бесступенчатого маневрирования при выполнении технологических операций. Предложен алгоритм работы следящей системы, обеспечивающий движение машины по траектории неизменного радиуса, заданного штурвалом, независимо от влияния внутренних и внешних возмущений: утечки в гидромашинах, буксования гусеничного движителя и смены грунта. Устойчивость движения машины по траектории заданного штурвалом радиуса при наличии возмущений достигается дополнительным регулированием положения наклонной шайбы насоса гидрообъёмного механизма поворота с учетом двух величин: скорости вращения турбины гидродинамического трансформатора и кривизны траектории движения машины на местности, вычисленной на основе информации с устройств GPS-навигации. Установлено, что при входе в поворот на высшей передаче давление в ГОП механизма поворота в полтора раза превышает установившееся значение. При входе в поворот на тяжелых грунтах не хватает сцепления с грунтом для осуществления маневра. При начале разворота на месте на грунте с коэффициентом сопротивления повороту более 0,7 давление в магистрали ГОП достигает 40 МПа. Моделирование системы стабилизации траектории движения тихоходной гусеничной машины подтвердило отсутствие ошибки управления криволинейным движением.
Бесплатно
Повышение функциональных возможностей ракет-мишеней
Статья научная
Задачи модернизации существующих ракет-мишеней в отношении коррекции и управления являются актуальными как с практической точки стороны, так и с точки зрения академической науки. В частности, вопросы модернизации летательных аппаратов в отношении управления и маневрирования широко рассматриваются и российскими, и зарубежными исследователями. Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Южно-Уральский государственный университет (национальный исследовательский университет)» и общество с ограниченной ответственностью «СТАНКОМАШ» на основании накопленного научного и практического опыта предлагают конструктивные решения для серийно выпускаемой ракеты-мишени 96М6М «Кабан», направленные на повышение ее манёвренности. В работе рассмотрена конструкция и действие ракеты-мишени, которая состоит из головного обтекателя, приборного отсека, твердотопливного маршевого двигателя, стабилизатора. В настоящее время ракета летит по баллистической траектории и для ее запуска используется двухствольная пусковая установка. Отслеживание мишени происходит по отражаемому от нее сигналу. В статье рассмотрены пути модернизации ракеты-мишени, в частности: введение узла коррекции или управления; применение принципа модульности конструкции; модернизации двигательной установки; замена материалов конструкции корпуса ракеты на современные композиционные материалы; оснащение мишеней аппаратурной фиксацией, использующей не радиоканал, а спутниковую связь ГЛОНАСС. Качественно и детально проработано направление введения модуля коррекции в серийную конструкцию. Для этого рассмотрены известные способы управления, маневрирования и коррекции. Приведены типовые конструкции балластных пороховых и детонационных импульсных двигателей коррекции. На основании вышеизложенного спроектированы и рассчитаны представленные в статье четыре конструкции блоков импульсной коррекции для ракеты-мишени 96М6М «Кабан».
Бесплатно
Статья научная
Рассмотрены факторы, влияющие на эффективность охлаждения поршня масляным орошением внутреннего днища. Для повышения эффективности рекомендована интенсификация теплообмена на поверхности днища за счет преобразования формы и характера движения струи охлаждающего масла с помощью специальной вставки.
Бесплатно
Статья научная
Описана работа и конструкция системы, которая позволяет обеспечить оптимальное тепловое состояние двигателя воздушного охлаждения и тем самым повысить его надежность и экономичность.
Бесплатно
Статья научная
На начальных этапах проектирования сверхзвукового самолёта проводится численное моделирование процесса обтекания предполагаемых аэродинамических форм. Это позволяет существенно сократить временные и финансовые затраты на натурные испытания. При моделировании возможно получение всех параметров процесса, в ходе эксперимента получают только некоторые его значения. Это становится особенно актуальным для моделирования условий полёта сверхзвукового самолёта. В рамках данной работы показан комплексный подход к решению вопроса обеспечения заданных аэродинамических характеристик самолета, требующихся для реализации крейсерского сверхзвукового полета при M~1,5. В статье проведен анализ предлагаемых методов оценки аэродинамических характеристик (АДХ) составных частей самолета в ходе оптимизации их геометрических параметров с целью достижения минимального вклада в АДХ. В работе представлен алгоритм формирования носовой части самолета минимального аэродинамического сопротивления, а также произведен выбор критериев оценки АДХ носовой части самолета как элемента планера, имеющего существенный вклад в АДХ самолета в целом при скорости полета M>1. Результаты данных исследований могут быть использованы на ранних этапах проектирования, это приведёт к сокращению сроков формирования математической модели поверхности перспективного летательного аппарата (ЛА).
Бесплатно
