Расчет и конструирование. Рубрика в журнале - Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Машиностроение
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
Важными характеристиками рабочего процесса мини-погрузчика являются параметры вибрации. Повышенные уровни вибрации приводят к стрессовому характеру условий работы водителя-оператора, а в некоторых случаях являются причиной хронических профессиональных заболеваний. Поэтому исследования вибрационных характеристик, несомненно, являются важным аспектом совершенствования мини-погрузчиков, улучшения их эксплуатационных показателей. В работе мини-погрузчиков выделяют три основных режима: работа на холостом ходу двигателя, режим движения погрузчика и подъем груза. Значительная доля вибрации приходится на оператора при движении погрузчика. Поэтому я данной работе рассматривался только режим движения. Так как в реальности погрузчик работает на всех трех режимах, общий уровень вибрационного воздействия на оператора будет менее значительным. Заметим, что результаты измерений вибрационных характеристик погрузчика могут отличаться при замене сидения оператора на другое или, например, при изменении типа применяемых шин. Проведенные экспериментальные исследования могут помочь в проведении сравнительного анализа вибрационного анализа для погрузчиков с различными типами сидений, шин и другими особенностями. Предметом исследований являются вибрационные воздействия на оператора со стороны кресла, так как именно эти воздействия являются определяющими для осуществления комфортных условий работы оператора. В статье используются различные методы статистической обработки информации: описательные статистики, методы корреляционного анализа, множественной регрессии, кластерный анализ, факторный анализ, многомерное шкалирование и другие. Разнообразие примененных методов позволило детально описать вибрационные характеристики, дать практические рекомендации, направленные на выявление вибрационных особенностей условий работы оператора мини-погрузчика, рекомендации по снижению вибрационных воздействий. Полученные результаты планируется применить при совершенствовании конструкций мини-погрузчика для улучшения его технико-эксплуатационных характеристик.
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
Статья научная
Определено температурное состояние рабочего тела в цилиндре и камере сгорания дизеля, обусловленное сгоранием топлива и движением газовой смеси. Отмечена температурная неоднородность рабочего тела и установлены области в объеме камеры сгорания с наиболее высокими температурами. Установлена связь распределения температур рабочего тела в объеме камеры сгорания с температурным полем поршня в районе кромки ее горловины.
Бесплатно
Статья научная
Температура рабочей жидкости гидрообъёмной передачи в механизме поворота быстроходных гусеничных машин существенно влияет на работоспособность гидрообъёмной передачи и управляемость быстроходной гусеничной машины в целом. С помощью математического моделирования термодинамических процессов появляется возможность достовернее описать работу гидрообъёмной передачи на ранней стадии проектирования.
Бесплатно
Тенденции развития питательных насосов
Статья научная
Рассматриваются питательные насосы для энергоблоков мощностью более 600 МВт тепловых электрических станций. Принципами разработки таких насосов в современных условиях является сочетание максимальной надежности и экономичности гидромашин. В первой части статьи описаны мероприятия, повышающие экономичность питательных насосов, приведен теоретически достижимый для них предел КПД. Вторая часть посвящена вопросам, связанным с увеличением срока службы и интервала между капитальными ремонтами до 5 лет. Все теоретические выводы обоснованы стендовыми и промышленными испытаниями насосов, а мероприятия рассматриваются на примере питательного насоса мощностью 40 МВт.
Бесплатно
Статья научная
В статье проанализированы и описаны теоретические аспекты и проблемы, возникающие при расчете токов короткого замыкания системы электроснабжения тягового электропривода переменного тока (в составе энергосистемы имеются полупроводниковый выпрямитель и тяговый инвертор), размещенного на шасси полуприцепа (активного полуприцепа), входящего в состав «Арктического автопоезда». Обозначенные выше вопросы проработаны, но тем не менее выводы требуют уточнений посредством дополнительной экспериментальной проверки. Активный полуприцеп предназначен для транспортировки многофункционального модуля медицинского и хозяйственно-бытового назначения при температурах окружающего воздуха от минус 50 до плюс 40 °С по дорогам с твердым покрытием, по грунтовым дорогам различного состояния, по местности с грунтами со слабой несущей способностью и снежной целине. Тяговый электропривод в составе активного полуприцепа предназначен для создания дополнительных тяговых усилий при тяжелых условиях движения транспортного средства с целью преодоления препятствий, бездорожья и возвышенностей. Данный полуприцеп создается в рамках проекта по разработке унифицированного семейства транспортных средств «Арктический автобус» и «Арктический автопоезд с транспортируемым функциональным модулем» для организации безопасной перевозки пассажиров и мобильных пунктов социальной сферы в районах Крайнего Севера в условиях низких температур (до минус 50 °С) и для обеспечения связанности территорий Арктической зоны Российской Федерации. В связи с этим традиционные методы расчета токов короткого замыкания, а также типовые принципы выбора аппаратов защиты, проверки их уставок, уставок предохранителей, стойкости кабельных линий и шин к токам короткого замыкания не могут быть применены к системе электроснабжения тягового электропривода активного полуприцепа, что обуславливает актуальность и необходимость дальнейших исследований в этой области, поэтому в данной статье предлагаются расчеты, которые, на наш взгляд, могут быть использованы при разработке методики расчета токов короткого замыкания системы электроснабжения тягового электропривода с использованием обратимых и необратимых полупроводниковых преобразователей со звеном постоянного тока.
Бесплатно
Статья научная
Проведенные расчетные и экспериментальные исследования показали, что путем совершенствования систем автоматического регулирования частоты вращения коленчатого вала дизеля возможно значительное улучшение его эксплуатационных, динамических, экономических и экологических показателей.
Бесплатно
Теоретический анализ сил взаимодействия сорных примесей и летучек при ударе о колосник
Статья научная
В последние годы проявляется тенденция, основанная на способе сообщения подвижности (степени свободы) колосникам. Практическая реализация этого способа осуществляется двумя путями: 1) колосниковая решетка, где колосники получают движение под действием технологической нагрузки, 2) когда движение колосникам сообщается принудительно. Решение этих вопросов даст возможность найти оптимальную конструкцию механизмов очистки хлопка-сырца, что приведет к повышению эффекта очистки хлопка-сырца от сорных примесей. В работе теоретически и экспериментально исследован процесс ударного взаимодействия хлопка-сырца с колосниками. Обычно в очистителях колосниково-пильчатого типа очистка хлопка-сырца осуществляется за счет ударов засоренных летучек, закрепленных на пильчатой гарнитуре, о неподвижные колосники. В статье рассмотрен процесс ударного взаимодействия засоренной летучки с колосником, имеющим принудительное вращение. При этом проанализирована сила взаимодействия сорных примесей и летучек при ударе о колосник. Предложены формулы для определения ударных импульсов, действующих на летучку и сорные примеси при ударе о колосник с принудительным вращением. Это позволит содействовать изысканию путей повышения очистительного эффекта применения колосника с принудительным вращением в хлопкоочистительном агрегате. Получены формулы для определения ударных импульсов, действующих на летучку и сорные примеси при ударе о колосник с принудительным вращением. Определены значения сил удара, рассчитанные в зависимости от диаметра и скорости вращения. Очистительный эффект от применения колосника с принудительным вращением в хлопкоочистительном агрегате составляет 95,5-97,5 %.
Бесплатно
Статья обзорная
Предложен обзор работ по приспособляемости конструкций, выполненных в России. Выделены основные отличия российской (прежде всего - челябинской) научной школы: дифференцированный подход к качественно различным процессам неупругого деформирования и эффективное практическое применение новых теоретических результатов. Приведен анализ ряда новых научных направлений механики малоциклового деформирования и разрушения, сформировавшихся на основе проведенных в ЮУрГУ исследований упругой и неупругой приспособляемости.
Бесплатно
Тепло- и массообмен в области с движущимися границами
Статья научная
В различных областях науки и техники необходимо рассчитывать процессы переноса тепла в областях различной формы, границы которых изменяются с течением времени. К ним относятся задачи типа Стефана о промерзании грунта и кристаллизации слитка, для которых при определённых допущениях удаётся получить аналитическое решение. Далее появились работы по расчёту температурного поля в шашках горящего топлива, термическому разложению твёрдых составов, плавлению, абляции теплозащитных покрытий. Математические модели таких процессов включают в себя уравнение теплопроводности, начальные и граничные условия, а также условия перемещения границ. Вместе с тем существуют задачи, связанные с расчётом процессов тепло- и массообмена при течении жидкости и газа в областях, границы которых перемещаются с течением времени. Математические модели таких задач включают в себя системы уравнений в частных производных, решение которых возможно только численными методами. В данной работе предлагается эффективный численный метод решения таких задач на основе метода конечных разностей, который позволяет отслеживать положение границ области при существенном их перемещении на адаптивной разностной сетке.
Бесплатно
