Расчет и конструирование. Рубрика в журнале - Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Машиностроение
Статья научная
С помощью компьютерного твердотельного трехмерного конечно-элементного моделирования определено тепловое состояние направляющего прецизионного сопряжения иглы и корпуса распылителя топлива в дизеле. Совершенствование конструкции распылителя типа DLA, обладающего жестким корпусом и относительно короткой иглой, для реализации повышенных давлений впрыскивания топлива достигается изменением геометрических параметров иглы и использованием элементов локального охлаждения.
Бесплатно
Снижение токсичности отработавших газов дизельного двигателя путем отключения части его цилиндров
Статья научная
Ведущими направлениями конструктивного и технологического совершенствования автотракторных средств являются снижение расхода топлива и токсичности отработавших газов. Одним из наиболее эффективных мероприятий по снижению расхода топлива и воздействия на экологию является использование комплексного метода полного и частичного отключения части цилиндров при эксплуатации ДВС на холостом ходу и малых нагрузках. Данный метод в ограниченном масштабе применяется на современных транспортных средствах. Однако сложность разработки и применения технических средств для его реализации состоит в отличительных особенностях режимов работы автотракторных средств, специфики условий эксплуатации. В приведенных исследованиях индивидуальная разработка мероприятий отключения топливоподачи и привода ГРМ применены к двигателю Д-240 трактора МТЗ-80. Для проведения экспериментальных исследований использовались обкаточно-тормозной стенд КИ-5543 с измерительными приборами, дизельный двигатель Д-240 трактора МТЗ-80, дымомер «Инфракар Д1» и газоанализатор «Infralight 11P». При экспериментальной работе были выбраны три характерных режима работы двигателя Д-240 без нагрузки и под нагрузкой Ne = 0…35 кВт: 1) типовой режим работы всех 4 цилиндров; 2) искусственный режим работы, формируемый посредством отключения подачи топлива в 2 цилиндрах 4-цилиндрового двигателя; 3) искусственный режим работы, формируемый посредством отключения подачи топлива в 2 цилиндрах и газораспределительного механизма в 2 цилиндрах 4-цилиндрового двигателя. Установлено, что отключение части цилиндров дизельного двигателя приводит к снижению расхода топлива в среднем на 25-27 %, сажесодержания и дымности отработавших газов на 30-35 %, в зависимости от режима работы двигателя. Приведены зависимости часового расхода топлива, расхода воздуха, коэффициента избытка воздуха, сажесодержания и дымности отработавших газов четырехцилиндрового дизельного двигателя при отключении части его цилиндров на различных режимах нагружения.
Бесплатно
Статья научная
Снижение трения является ключевой задачей современного машиностроения. Снижение трения влияет на эффективность, надежность, экономичность и эргономичность различных машин и механизмов. Одной из главных причин дополнительных энергетических затрат и неисправностей механических систем является износ, вызванный процессами трения. Большинство современных двигателей оснащены системой впрыска топлива Common Rail, обеспечивающей экономию топлива, пониженный уровень выбросов и высокую мощность двигателя. Топливный насос высокого давления является одним из наиболее важных элементов системы впрыска топлива, эксплуатационные характеристики которого критически влияют на производительность всей топливной системы. Плунжер топливного насоса подвергается повышенным нагрузкам, а его условия смазывания являются крайне нестабильными в условиях динамических нагрузок, что ведет к повышенному и преждевременному износу. Технология лазерного микротекстурирования поверхности активно применяется в промышленном секторе, а ее положительное влияние на снижение трения и улучшение противоизносных свойств подтверждено теоретическими и экспериментальными исследованиями. Целью данной статьи является оценка влияния текстурирования на гидромеханические характеристики плунжерной пары, чтобы повысить энергоэфективность топливной системы современных дизельных двигателей. Расчеты проводились в коммерческом программном комплексе ANSYSFluent. Исходя из результатов исследования, применение текстурирования на поверхности плунжера топливного насоса высокого давления может оказывать как положительное, так и негативное влияние на его эксплуатационные характеристики. Поэтому подбор оптимальных геометрических характеристик микрогеометрии является определяющим фактором при эффективном использовании поверхностей с особой топографией в различных машинах и механизмах.
Бесплатно
Совершенствование системы виброзащиты операторов промышленных тракторов
Статья научная
При создании новых моделей промышленных тракторов контроль выполнения нормативных требований по виброзащите операторов проводится на стадии сертификационных испытаний. На этом этапе доводочные мероприятия связаны со значительными временными и материальными затратами. В статье обоснована возможность применения расчетно-экспериментальной методики, позволяющей на этапе проектных работ определять уровень и частотный состав потенциально опасных источников вибрации, создавать компьютерные модели системы «источник - корпус - кабина - виброзащитное кресло - оператор» и путем параметрического прогнозирования разрабатывать предложения по выполнению нормативных требований. В качестве примера рассмотрена задача о вибрации в низкочастотном диапазоне 2-14 Гц, вызванной процессом перекатывания опорных катков по гусеничной цепи, лежащей на податливом грунтовом основании. На основе анализа результатов натурных испытаний кинематическое воздействие на корпус трактора со стороны опорных катков представлено в виде стационарных узкополосных случайных процессов. Математическая модель трактора описана комплексом дифференциальных уравнений со случайными входными процессами. Для ее реализации применены методы статистической динамики. Представлены результаты моделирования движения трактра Т-11 с различными скоростями. Результаты приведены в виде комплекса передаточных функций, а также спектральных плотностей процессов изменения обобщенных координат модели и ускорений на месте водителя. Отличие результатов расчета от экспериментальных данных не превышает 15-20 %. Проведен анализ влияния упруго-вязких характеристик виброзащитных устройств на уровень ускорений на месте оператора. Получены рекомендации по изменению этих характеристик с целью снижения вертикальных виброускорений кресла водителя. Применение данного подхода позволяет на стадиях проектирования и испытания опытных образцов дорожно-строительной техники решать вопросы виброзащиты оператора путем отстройки системы «ходовая часть - корпус - кабина - виброзащитное кресло» от резонансных явлений.
Бесплатно
Совершенствование трибологических параметров поршня телескопического автомобильного амортизатора
Статья научная
В настоящее время при проектировании транспортного средства к его подвеске предъявлены повышенные требования, связанные в первую очередь с задачей обеспечения высокого уровня плавности хода, изоляции кузова от вибрации и дорожных шумов. Амортизатор в равной мере предназначен как для обеспечения комфортабельности, так и безопасности движения. Для срабатывания подвески транспортного средства даже на небольших дорожных неровностях амортизатор должен обладать возможно меньшим внутренним трением. Сопряжение «поршень - цилиндр» амортизатора является одним из основных источников трибологических потерь. Одним из наиболее перспективных средств снижения потерь является профилирование направляющей части поршня. В работе предложен метод, позволяющий определить гидромеханические характеристики трибосопряжения в амортизаторе, такие как потери мощности на трение, расход смазки через зазор, минимальную за цикл толщину смазочного слоя. Для этого предлагается аппроксимация формы профиля направляющей части поршня непрерывными зависимостями. Для решения уравнения Рейнольдса использованы численно-аналитические методы, основанные на конечно-разностной аппроксимации дифференциальных операторов краевой задачи со свободными границами. Для оценки влияния конструктивных параметров на гидромеханические характеристики были проведены параметрические исследования. Предложен метод улучшения гидромеханических характеристик путем варьирования геометрических параметров сопряжения. При помощи разработанных программных пакетов получены результаты расчетов различных конструкций. Рассмотрены конструкции с цилиндрической и симметричной направляющей поршня. Предложенные методы являются универсальными, использование разработанных подходов на этапе проектирования позволяет создавать более надежные, долговечные и эффективные телескопические автомобильные амортизаторы.
Бесплатно
Совмещение характеристик двигателя внутреннего сгорания и электротрансмиссии промышленного трактора
Статья научная
Предлагается методика совмещения характеристик двигателя внутреннего сгорания и электрической трансмиссии постоянного тока промышленного дизель-электрического трактора, обеспечивающая получение максимальной производительности дорожно-строительного агрегата на базе этого трактора.
Бесплатно
Статья научная
Приведена методика расчета для системы, состоящей из турбокомпрессора, охладителя наддувочного воздуха и эжектора, установленного за турбиной. Она позволяет однозначно определить и связать давления и температуры воздуха и отработавших газов в основных сечениях проточной части компрессора и турбины с показателями эффективности элементов рассматриваемой системы на любом режиме работы дизеля. Исходными данными для расчета являются известные из проектного расчета геометрические размеры проходных сечений турбины, компрессора, эжектора, охладителя, а также текущие значения давления и температуры отработавших газов. Определены и рассчитаны характеристики подобной системы для дизеля серии 4Т. На внешней скоростной характеристике показаны изменения параметров отработавших газов перед турбиной и эжектором, наддувочного воздуха после компрессора и охладителя, охлаждающего воздуха перед эжектором, а также изменение степени повышения давления в компрессоре, степени понижения давления отработавших газов в турбине, мощности турбокомпрессора, расхода охлаждающего воздуха через охладитель и степени охлаждения наддувочного воздуха. В ходе расчета выявлена возможность регулирования системы на частичных режимах работы дизеля изменением площадей поперечного сечения сопла и камеры смешения эжектора. Также из условия достижения максимального коэффициента эжекции определен оптимальный закон изменения этих площадей при работе дизеля на частичных режимах. Для сравнения эффективности работы нерегулируемого и регулируемого эжекторов показаны изменения значений коэффициента эжекции для по внешней скоростной характеристике дизеля. Также численно смоделирована работа эжектора на разных режимах работы дизеля.
Бесплатно
Создание планетарных вибрационных смесителей автоколебательного типа с уравновешенными сателлитами
Статья научная
Рассмотрен один из видов технологических машин, обладающих адаптивными свойствами и реагирующих на изменение свойств обрабатываемой среды в ходе технологического процесса. Применительно к технологическому процессу перемешивания вязких материалов предложены схемы смесителей, построенных на базе вибрационных уравновешенных планетарных приводов и имеющих рабочий орган, средняя скорость которого меняется в зависимости от вязкости обрабатываемой среды. Предложена обобщенная динамическая модель планетарных вибрационных смесителей автоколебательного типа с уравновешенными сателлитами.
Бесплатно
Сочленённые платформы для перспективных видов артиллерийского вооружения
Статья научная
При ведении современных боевых действий основное внимание уделяется высокоточному оружию. Это связано с тем, что современная ствольная артиллерия по своей эффективности приближается, а иногда и превышает ракетное оружие. Причина этого - невозможность перехвата артиллерийского снаряда в процессе полёта, высокая скорострельность и низкая стоимость боеприпасов. На основе системного анализа существующих платформ для размещения артиллерийского вооружения предложена компоновочная схема самоходного артиллерийского орудия сочленённого типа с активным приводом прицепной секции (ССАО). Исполнение самоходного артиллерийского орудия (САО) по такой схеме позволяет увеличить показатели огневой мощи и подвижности машины. Приведены расчёты, показывающие увеличение опорно-сцепной проходимости за счёт распределения массы САО на две секции. Показано, что использование в качестве второй секции ССАО машины заряжания позволяет в 3-4 раза увеличить возимый боекомплект, сократить экипаж и отказаться от системы заряжания САО «с грунта». На основе структурного подхода рассмотрен вариант создания комплекса машин на базе одного энергетического модуля или модуля управления, в котором размещается силовая установка и экипаж машины. К модулю управления в зависимости от решаемых оперативно-тактических задач присоединяются секции, имеющие различное тактическое назначение. Рассмотрен вопрос о распределении силового потока между элементами ССАО во время движения по разным опорным поверхностям. Приведены результаты имитационного моделирования движения ССАО при различных значениях кинематического рассогласования между секциями машины и рекомендации по его величине на различных типах грунта. Даны варианты развития сочленённых машин в качестве платформ для перспективных видов артиллерийского вооружения.
Бесплатно
Способ ограничения динамических нагрузок мехатронных систем клети толстолистового прокатного стана
Статья научная
Обоснована актуальность разработки систем управления, обеспечивающих ограничение динамических моментов электроприводов реверсивной клети толстолистового прокатного стана при ударном приложении нагрузки. Актуальность заключается в том, что возникающие динамические нагрузки приводят к преждевременному износу технологического оборудования и возникновению аварийных ситуаций во время операций прокатки. Рассмотрены алгоритмы управления, обеспечивающие предварительный выбор зазоров в шпиндельных соединениях и компенсацию динамической ошибки регулирования скорости при захвате металла. Разработан способ управления электроприводами, объединяющий преимущества этих технических решений. Представлена функциональная схема системы управления, поясняющая реализацию способа. Разработана математическая модель электромеханической системы валков с учетом упругих связей в механических передачах. Представлены результаты моделирования переходных процессов скорости и момента электропривода в режиме захвата заготовки при реализации известных и разработанного способов управления. Предложен усовершенствованный алгоритм управления, согласно которому снижение скорости после захвата осуществляется с заданным отрицательным ускорением. Приведены результаты моделирования, подтвердившие техническую эффективность алгоритма. По результатам моделирования дано обоснование оптимального темпа замедления электропривода. Представлены осциллограммы скоростей и моментов электроприводов реверсивной клети стана 5000, полученные при реализации разработанного способа. В результате длительных исследований подтверждено улучшение динамических показателей по сравнению с аналогичными характеристиками в существующей системе электропривода. Ограничения динамических нагрузок достигается за счет предварительного выбора люфтов в валопроводах валков, а ограничения динамического момента - путем компенсации ошибки регулирования скорости. Сделан вывод о целесообразности внедрения разработанных технических решений.
Бесплатно
Статья научная
Приведен обзор существующих конструкций для снижения установочной мощности гидрообъемной передачи, предложена схема, обеспечивающая четырехкратное снижение установочной мощности, проведен анализ предложенной схемы и прототипов.
Бесплатно
Сравнение критериев моделирования разрушения трубопроводов методом конечных элементов
Статья научная
Работа посвящена методике моделирования разрушения магистральных трубопроводов. Применение современных вязких трубных сталей не решает полностью проблему хрупкого разрушения этих конструкций, поскольку стремление увеличить толщину стенки и рабочее давление, а также необходимость использовать трубы в холодном климате сдвигают разрушение в сторону хрупкого - но, естественно, не делают его полностью хрупким и требуют применения подходов нелинейной механики разрушения. Моделирование разрушения - при образовании длинных магистральных трещин - должно учитывать силы инерции частей трубы, приходящих в движение при раскрытии трещины, а также возможность падения давления в трубе при потере ею герметичности. Эти особенности задачи могут быть смоделированы в конечно-элементном пакете LS-DYNA. Однако LS-DYNA предлагает ограниченный набор критериев разрушения, в который не входят классические критерии нелинейной механики разрушения. Задачей работы является подбор критерия, реализованного в программе LS-DYNA и в то же время достаточно хорошо согласующегося с экспериментальными данными. В качестве такого критерия рассмотрен ресурс пластичности при условии, что пластическая деформация перед вершиной трещины вычисляется с помощью процедуры взвешенного усреднения по некоторому представительному объему, исключающей влияние размеров конечных элементов на результат. Подобраны параметры весовой функции, при которых нагрузка начала движения трещины, определяемая с помощью модели вязкого материала, совпадает с нагрузкой, определяемой через параметры нелинейной механики разрушения. Показано, что задача подбора параметров является плохоопределенной. Тем не менее найденные значения параметров в дальнейшем позволят выполнить расчет динамического распространения длинных продольных трещин в трубах с учетом эффектов, рассматриваемых программой LS-DYNA - сил инерции материала стенок трубы, скорости распространения волны возмущения в газе или жидкости, заполняющих трубу, декомпрессии.
Бесплатно
Статья научная
В статье исследуется нелинейная характеристика упругого элемента подвески транспортного средства. Подвеска является важной составной частью любого автомобиля, и ее работоспособность во многом определяет правильную работу всего автомобиля в целом. При проектировании подвески особое внимание уделяют упругому элементу, входящему в конструкцию подвески, при этом важной задачей является задача рассмотрения рабочей характеристики этого элемента. Как правило, рабочие характеристики являются нелинейными, трудно поддающимися математическому описанию при исследовании динамики подвески. Это обстоятельство создает проблемы для построения математической модели подвески, затрудняет анализ, численное и аналитическое интегрирование системы дифференциальных уравнений, описывающих работу подвески. Поэтому на практике производят аппроксимацию рабочей характеристики упругого элемента. В статье проводится сравнительный анализ различных методов аппроксимации рабочих характеристик упругих элементов транспортных средств, выявляются положительные и отрицательные стороны этих методов. Наиболее часто при составлении математических моделей автомобиля рабочая характеристика упругого элемента принимается линейной. Однако это допущение не позволяет в полной мере оценить динамические процессы, протекающие в системе. Часто аппроксимация рабочей характеристики проводится с помощью кусочно-линейной функции, имеющей достаточно простую структуру. Такой подход требует рассмотрения цикла работы подвески по участкам. При этом приходится исследовать работу подвески как системы с переменной структурой, что вызывает значительные сложности при построении периодических решений и определении их устойчивости. В работе предложен новый метод аппроксимации рабочей характеристики упругого элемента с помощью аналитической функции, что позволяет рассматривать упругий элемент как систему с постоянной структурой, описывая работу упругого элемента лишь одной системой дифференциальных уравнений с аналитическими функциями. Это дает возможность получать решения системы в целом, не рассматривая отдельные участки работы упругого элемента. Такая возможность помогает проектировать подвеску транспортных средств, обладающих оптимальными характеристиками, создавать автомобили, параметры которых отвечают самым передовым современным требованиям.
Бесплатно
Сравнительный анализ электрических и гидростатических передач в составе трансмиссий гусеничных машин
Статья научная
Приведены результаты анализа существующих электрических и гидрообъёмных машин, фактически или потенциально использующихся в составе трансмиссий гусеничных машин как быстроходных, например, тягачей, бронемашин, так и тихоходных - промышленных тракторов. В состав трансмиссий таких машин обязательно входят механизмы поворота - дифференциальные, независимые и другие. В современных гусеничных машинах стремятся применять бесступенчатые механизмы поворота. Они строятся на базе гидрообъёмных и электрических машин. По внешним проявлениям они подобны. Именно поэтому перед конструкторами и учеными, занимающимися вопросами бесступенчатых трансмиссий транспортных и тяговых машин, стоит актуальный вопрос о преимуществах и недостатках этих альтернативных видов передач. Авторами сделана попытка сравнить гидрообъёмные и электрические машины по некоторым важным критериям. Построены графики зависимостей стоимости указанных машин и массы от их номинальной мощности. Сформированы итоговые сравнительные графики и выводы об областях применимости рассмотренных машин. Использование электромашин на данный момент может быть оправдано в тех случаях, когда избыточный вес и габариты не являются критическими параметрами самоходной машины, например, железнодорожная техника, корабельные энергетические установки, строительная и дорожная тяжёлая техника. Однако для самоходных машин лёгкого и среднего класса, в том числе промышленных гусеничных тракторов, крайне важны показатели массы и размеров их трансмиссий и силовых блоков в целом, поэтому по результатам анализа отдано предпочтение гидравлическим передачам.
Бесплатно
Статья научная
Управление криволинейным движением гусеничных машин осуществляется за счет рассогласования скоростей гусениц. Появление на рынке гидрообъемных передач достаточной установочной мощности по доступной цене позволило организовать бесступенчатое регулирование радиуса поворота как в транспортном режиме, так и при выполнении технологических операций бульдозирования и рыхления. Внешние помехи искажают траекторию, заданную джойстиком. Для корректировки траектории используют системы навигации, которые тоже стали доступны производителям и потребителям промышленных тракторов. Для отработки алгоритмов управления гусеничной машиной необходимо стендовое испытательное оборудование. Статья посвящена испытаниям гусеничных промышленных тракторов с современными системами навигации, в частности стендовым исследовательским испытаниям бесступенчатого дифференциального механизма поворота машин со следящей системой управления движением. Стенд, содержащий неподвижно установленный на основании остов машины с приводом и размещенный на нем испытуемый бесступенчатый дифференциальный механизм поворота (БДМП) со следящей системой управления (ССУ) движением, также снабжен направляющими устройствами для обеспечения заданного пространственного перемещения отдельно взятого гирокомпаса с акселерометром, входящего в состав ССУ движением. Технический результат - расширение функциональных возможностей стенда, позволяющих определить работоспособность и выполнить настройку ССУ движением, а также обеспечить контроль основных параметров БДМП путем имитации в стационарных стендовых условиях входных воздействий на элементы ССУ, в максимальной степени соответствующих реальным условиям движения машины в пространстве, при одновременном снижении трудоемкости и стоимости этих работ, за счет исключения необходимости использования транспортных средств.
Бесплатно
Статья научная
Представлена обобщенная модель зубчато-рычажного механизма периодического движения на основе некруглых зубчатых колес, реализующего движения с остановкой выходного звена без разрыва кинематической цепи. Представлены основные типы зубчато-рычажных механизмов с эллиптическими зубчатыми колесами, определены их предельные кинематические возможности. Получены выражения для определения сопряженных кривых (центроид) некруглых зубчатых колес для зубчато-рычажных механизмов, реализующих различное количество остановок ведомого звена.
Бесплатно
Структурный синтез и кинематический анализ плоских моделей шагающих аппаратов
Статья научная
Синтезировано более шестидесяти структурных схем шагающих аппаратов (ША), которые можно моделировать плоскими шарнирными механизмами. Представлены кинематические схемы известных и новых ША, следующих из синтезированных структур. Предложены расчётные схемы кинематического анализа в процессах подготовки и выполнения шага ША с одной, двумя и тремя степенями свободы корпуса в трёхопорном состоянии. Описано использование полученных результатов в учебном процессе.
Бесплатно
Статья научная
На основе решения уравнений единой теории структуры разнообразных механических систем без избыточных связей составлена полная расчетная таблица с кодами правильного строения синтезируемых 4-12-звенных рычажных механизмов, а также определено оптимальное число равномерно нагруженных сателлитов и рассчитан предпочтительный ряд передаточных отношений и чисел зубьев колес для конструирования самоустанавливающихся планетарных механизмов
Бесплатно
Статья научная
Описан метод ступенчатого регулирования внутрибаллистических характеристик ракетного двигателя на твердом топливе изменением поверхности горения заряда. Определено оптимальное число интервалов регулирования. Рассмотрены способы регулирования, обеспечивающие постоянство какой-то одной внутрибаллистической характеристики, и показано, что с точки зрения обеспечения параметрической надежности гораздо эффективнее способ регулирования, основанный на условии минимизации отклонений всех внутрибаллистических характеристик.
Бесплатно
Температурно-силовая совместимость материалов подшипников скольжения шестеренных насосов типа НШ
Статья научная
Приведены результаты исследований критической температуры граничных слоев различных масел и влияние их на нагрузку заедания антифрикционных материалов подшипников скольжения насосов типа НШ. Подтверждена решающая роль универсального правила положительного градиента механических свойств, при выполнении которого реализуется внешнее трение. Установлено, что низкая несущая способность подшипников скольжения при низкой температуре обусловлена двугорбой эпюрой давления, существенно отличающейся от теоретической. Сделан акцент на возможность использования материалов исследований в конкретных конструкциях насосов и условиях их эксплуатации.
Бесплатно
