Расчет и конструирование. Рубрика в журнале - Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Машиностроение
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
Расчет оптимального времени истечения жидкого снаряда из сопла импульсного эжектора
Статья научная
Статья посвящена струйным насосам, которые ввиду простоты их конструкции получили широкое распространение в энергетической, металлургической, химической, нефтяной и газовой промышленности. Большинство исследователей, занимающихся струйными аппаратами, утверждают, что применение струйных аппаратов с прерыванием струи более эффективно, чем классическая схема струйного аппарата. Рассмотрен рабочий процесс эжектора с прерывистой струей или импульсного эжектора, состоящий из фазы разгона и фазы торможения. В данной статье рассматривается только первая часть рабочего процесса - фаза разгона, которая происходит при открытии канала сопла. В фазе разгона жидкости передается энергия, необходимая для совершения работы. Исследование фазы разгона позволит рассчитывать оптимальное время истечения жидкости через сопло, что позволит улучшить экстремальные характеристики эжектора с прерывистой струей, снизить затраты энергии и увеличить КПД струйного аппарата. В статье описано уравнение энергии для нестационарного истечения жидкости через сопло в дифференциальном виде, получена аналитическая зависимость мгновенной скорости истечения жидкости через сопло в функции от перепада давления на сопле, плотности жидкости, инерционной длины сопла, коэффициента сопротивления сопла и времени истечения. Проиллюстрированы зависимости мгновенной скорости истечения от времени истечения для разных значений перепада давления и инерционной длины сопла. Исходя из полученных зависимостей, определено влияние времени истечения на мгновенную скорость и энергию жидкого снаряда. Разработана методика для определения оптимального времени истечения жидкости через сопло и приведен пример расчета этого времени.
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 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
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
Предлагается уравнение для численной оценки величины коэффициента наполнения цилиндров двигателя свежим зарядом. Результаты расчетно-теоретических исследований сопоставляются с результатами эксперимента.
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
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
В работе приведен анализ эволюции современных схем гибридных моторно-трансмиссионных установок транспортных средств. Отмечены причины их появления, достоинства и недостатки, приведены примеры практической реализации. Подробно рассмотрена область применения, возможности различных типов современных гибридных приводов и перспективы их развития. Показано, что схему последовательного гибридного привода активно использовали и используют на тяжелой и специальной технике, поскольку она идеально подходит для транспортных средств, в которых необходимо передать на ведущие колеса большой крутящий момент, но при этом не требуются высокие скорости движения. В то же время применяемые на современных автомобилях разные варианты параллельного гибридного привода позволили снизить мощность двигателей внутреннего сгорания, благодаря чему была существенно повышена их экономичность при одновременном снижении токсичности отработанных газов. Особое внимание уделено практически неиспользуемой до настоящего времени возможности гибридного привода служить резервным приводом транспортного средства. Сформулированы требования, которым должен отвечать гибридный привод, применяемый с такой целью. Приведена кинематическая схема инновационной гибридной моторно-трансмиссионной установки, отвечающая предложенным требованиям и позволяющая реализовать функцию резервного привода транспортного средства. Подробно раскрывается принцип функционирования предложенного гибридного привода на всех режимах его работы. Показано, что благодаря применению на транспортном средстве инновационной гибридной моторно-трансмиссионной установки появляется возможность сохранения его мобильности в случае повреждения или выхода из строя основной силовой установки. Показан пример реализации предложенной схемы гибридного привода на обычном легковом автомобиле.
Бесплатно
