Статьи журнала - Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Машиностроение
Все статьи: 618
Развитие длинных усталостных трещин в стальных образцах под действием движущихся тепловых полей
Статья обзорная
Развитие квазистатических трещин под действием движущихся тепловых полей может быть значительно более опасным, чем в случае неподвижных полей, так как при нагружении движущимися полями полное приращение трещины ограничивается лишь областью перемещения высоких напряжений. Для демонстрации развития трещин при таком нагружении были выполнены эксперименты на стальных тонкостенных цилиндрических образцах, которые нагружались тепловым полем в форме пятна, движущимся по окружности образца. Результаты эксперимента показали, что трещины до большого размера под действием движущихся тепловых полей могут развиваться не только квазистатически, но и по усталостному механизму. Полученная в эксперименте скорость развития трещин находится в хорошем соответствии с расчетными оценками.
Бесплатно
Разработка и исследование системы управления насосной установкой
Статья научная
Современный электропривод представляет собой совокупность электродвигателя, силового преобразователя и устройства управления. Асинхронный электропривод часто применяется в промышленности в составе насосов, вентиляторов и компрессоров. Плавное регулирование подачи насосов в соответствии с текущим давлением в системе водоснабжения является актуальной задачей систем автоматического управления насосными установками (НУ). Частотное регулирование позволяет управлять насосом за счет изменения частоты вращения электродвигателей насосов с помощью преобразователей частоты (ПЧ). ПЧ является одним из современных технических средств автоматизации промышленного электропривода и экономии электроэнергии. В разрабатываемой системе регулирование подачи воды осуществляется по показателям датчика давления. Сигнал от датчика давления сравнивается с сигналом задания. При рассогласовании между этими сигналами ПИД-регулятор задает частоту вращения крыльчатки насоса. Таким образом, при отсутствии потребителей давление в магистрали будет расти, пока сигнал с датчика давления не поступит на вход ПИД-регулятора, который снизит частоту вращения насоса, и тем самым уменьшится подача воды и энергопотребление двигателя. Для данной системы автоматического управления была разработана математическая модель. Она была исследована с помощью пакета Simulink приложения MATLAB. Цель исследования - это работа НУ в критических режимах, а также проверка правильности синтеза регулятора и анализ переходных процессов в системе управления. Результаты исследования являются основой для написания программы управления. Алгоритм работы насосной установки разработан таким образом, чтобы обеспечить плавное и точное регулирование давления в гидравлической сети. Для программной реализации данного алгоритма был использован программный пакет CoDeSys для программируемых логических контроллеров (ПЛК) ОВЕН. Применение ПЛК и разработанной программы значительно расширяют возможности рассматриваемой установки. Данная система рекомендована для использования на насосных станциях водоснабжения. Она позволит улучшить выходные характеристики для потребителя, повысить надежность сети водоснабжения, уменьшить износ насосного оборудования и сократит расходы на потребляемую электроэнергию.
Бесплатно
Разработка источника ленточных пучков ионов газов для модификации рулонных материалов
Статья научная
Описаны принцип работы, конструкция и приведены результаты испытаний ленточного источника газовых ионов на основе несамостоятельного газового разряда низкого давления, поддерживаемого эмиссией плазменного катода с сеточной стабилизацией. Источник генерирует пучки ионов газов (N 2, Ar, O 2 и их смесей) в импульсно-периодическом режиме (5-1000 Гц, 0,25-0,5 мс). Поперечное сечение пучка 650x80 мм 2. Энергия ионов регулируется в пределах 15-40 кэВ, средний ток пучка от 0,5 до 200 мА, неоднородность распределения плотности тока вдоль большой оси сечения пучка ±10 %. Источник работает в диапазоне давлений 0,03-0,07 Па, обеспечиваемых паромасляным насосом. Высокая надежность и большой ресурс ионного источника обусловлены использованием в его газоразрядной системе плазменного катода на основе тлеющего разряда.
Бесплатно
Статья научная
Обоснована актуальность применения комбинированной энергетической установки в конструкции грузового автомобиля. Приведен анализ возможных компоновочных схем комбинированной энергетической установки для разработки грузового автомобиля с улучшенными экологическими показателями на базе автомобиля Урал-4320.
Бесплатно
Разработка на ЛМЗ модернизированных питательных насосов для крупных блоков ТЭС
Статья научная
Представлена концепция нового модернизированного питательного турбонасоса ПТН 1150-340-М и электронасоса ПЭН 600-320-М для блока ТЭС 300 МВт. Приведены описание конструкции насоса и результаты модельных и натурных испытаний.
Бесплатно
Статья научная
Разработана методика выбора проектных параметров механических систем, работающих в условиях динамических нагрузок, которая позволит построить наиболее оптимальную систему подрессоривания автотранспортного средства. Суть методики заключается в том, чтобы, исходя из условий эксплуатации и назначения проектируемого агрегата, установить наиболее приемлемые параметры жесткости и демпфирования с целью обеспечения удовлетворительного уровня вибрации и долговечности системы, снижения динамических нагрузок на ее элементы, а также выполнения различных условий, связанных непосредственно с проектируемой системой и условиями ее работы.
Бесплатно
Разработка планетарного редуктора для мотор-колеса электроболида
Статья научная
В рамках студенческого проекта по разработке электрического болида в Южно-Уральском государственном университете в соответствии с техническим заданием был спроектирован планетарный редуктор будущего мотор-колеса. Этому предшествовали анализ и компоновка узла, разработка его кинематической схемы и составление уравнений кинематической связи. Тягово-динамический расчёт автомобиля показал, что передаточное число согласующего редуктора данного узла с учётом устанавливаемого электродвигателя должно быть равно 10. В итоге были определены числа зубьев зубчатых колес и их геометрические параметры, построена 3D-модель планетарного редуктора. В качестве тяговых двигателей планируется использовать электрические машины комбинированного возбуждения. Предлагаемая электрическая машина имеет обращённое исполнение, что позволит в заданных габаритах получить максимальную электромагнитную мощность и хорошие удельные показатели. Вышеперечисленные показатели в нашем случае имеют очень важное значение, так как использование в приводе мотор-колес существенно увеличивает неподрессоренную массу электроболида, а это в свою очередь неизбежно скажется на его выходных характеристиках. При этом были учтены конструктивные особенности выбранного синхронного индукционного электродвигателя и все нюансы компоновки колёсно-ступичного узла, в том числе и габаритно-массовые, соблюдены условия соосности, соседства и сборки. В заключение была дана оценка коэффициента полезного действия планетарного редуктора проектируемого мотор-колеса. В настоящее время в студенческом конструкторском бюро Автотракторного факультета готовится сборочный чертеж спроектированного редуктора и его деталировка, а также дальнейшая передача пакета документов в производство. Макетный образец электрического болида планируется изготовить осенью 2019 года. Поставленные задачи более чем амбициозные.
Бесплатно
Статья научная
Рассмотрена практическая проблема выбора абразивного инструмента на операции шлифования, заключающаяся в сложности назначения многочисленных характеристик инструмента и высоком влиянии квалификации инженера-технолога. Предлагается решение этой проблемы путем разработки программного обеспечения для автоматизированного выбора абразивного инструмента. Для разработки программного обеспечения необходим алгоритм, базирующийся на некоторой существующей методике выбора инструмента. В качестве базы выбрана методика из справочника Уральского НИИ абразивов и шлифования, учитывающая основные физические взаимосвязи и закономерности процессов высокоскоростной обработки. По методике построен укрупненный алгоритм, состоящий из девяти блоков и включающий выбор всех основных параметров абразивного инструмента. Алгоритм реализован в инструментальной среде Microsoft Visual на объектно-ориентированном языке программирования C#, в результате чего получено программное обеспечение, включающее в себя набор справочных таблиц и аппарат выбора необходимых значений из этих таблиц. Показан пример функционирования приложения: на основе введенных исходных данных, демонстрирующих некую производственную ситуацию, программное обеспечение выбирает три подходящих маркировки шлифовальных кругов по мере их предпочтительности. Использование разработанного программного обеспечения показало, что время, затрачиваемое на выбор шлифовального круга, составляет 10-30 с, на качество выбора квалификация инженера-технолога не влияет. В связи с этим разработанный программный модуль позволяет решить поставленную задачу, повысить эффективность обработки шлифованием и сократить время технологической подготовки производства.
Бесплатно
Статья научная
Рассмотрено создание ротационного вискозиметра для наблюдения и идентификации реологических параметров неньютоновских жидкостей.
Бесплатно
Разработка стенда для испытания системы управления беспилотным зерноуборочным комбайном
Статья научная
В настоящее время робототехника стремительно развивается и охватывает все больше сфер человеческой деятельности, в том числе и сельское хозяйство. Приоритетным направлением развития производства сельскохозяйственных мобильных энергосредств (МЭС) является их роботизация и возможность выполнять свои задачи без участия человека, то есть создание беспилотных МЭС. МЭС становится беспилотным при оснащении его системой автоматического управления. Прежде чем устанавливать систему управления на МЭС, необходимо разработать алгоритмы управляющего воздействия и реакции системы управления на возможные варианты событий при работе МЭС на полях. Также необходимо выполнить отладку системы управления, выявить ошибки в работе и устранить их. Для этого рационально создать специализированные стационарные стенды, имитирующие реальные условия работы беспилотных зерноуборочных комбайнов. Для того чтобы разработанная конструкция стенда была оптимальной, составлена многокритериальная задача оптимизации конструкции с четырьмя входными и семью выходными параметрами, представляющими критерии качества функционирования стенда. На основании решения задачи оптимизации конструкции разработаны концепция стенда для испытания системы управления беспилотным зерноуборочным комбайном, гидравлическая схема стенда и его конструкция. В статье представлена 3D-модель стенда, выполненная в программе «КОМПАС-3D», на основании которой разработан комплект конструкторской документации для изготовления опытного образца стенда. Для имитации воздействия почвы различных типов на ведущие и поворотные колеса комбайна разработаны математические модели, которые используются для подачи управляющего сигнала на порошковые электромагнитные тормоза и на регуляторы расхода с электронным пропорциональным управлением.
Бесплатно
Статья научная
В статье изложены результаты разработки стенда для полунатурного моделирования системы управления движением гусеничной машины с гидростатической трансмиссией, предназначенного как для обучения программированию логических контроллеров, так и для тестирования алгоритмов управления на стадии их разработки. Выполнен анализ известных на рынке технических решений с выявлением у них основных недостатков. В рамках концепции полунатурного моделирования составлена и реализована структура. Представлена математическая модель системы управления движением гусеничной машины с гидростатической трансмиссией, выполненная на базе промышленного гусеничного трактора класса тяги 15т производства ОАО «Завод дорожно-строительной техники «Урал» и адаптированная под потребности стенда. Сформирован комплекс алгоритмов управления, включающий в себя алгоритм управления движением гусеничной машины, алгоритм включения тормоза забегающего борта при угрозе возникновения заноса и алгоритм включения тормоза отстающего борта при перегрузке гидрообъемного механизма по давлению. Для организации ввода исходных данных, а также наблюдений за результатами моделирования в программном пакете Altair Embed разработана система визуализации, включающая в себя мнемосхему панели оператора с демонстрацией изменения основных параметров движения гусеничной машины (скорости центра тяжести; траектории движения центра тяжести; параметров регулирования подачи насосов; кривизны траектории (заданной и текущей); скорости вращения гусениц на левом и правом бортах; коэффициента сопротивления грунта под каждой гусеницей), панель настройки алгоритмов управления движением гусеничной машины, панель настройки параметров грунта и панель выбора траектории движения гусеничной машины.
Бесплатно
Статья научная
Работа посвящена теме разработки тестового полетного задания для ракеты-носителя. Актуальность темы обусловлена тем, что синтез системы управления в современное время обычно производится на основе цифрового и/или полунатурного моделирования движения летательного аппарата. Задачей является синтез параметров корректирующих устройств системы управления. При этом необходимо знать входное задание системы управления, то есть иметь полетное задание. Сама задача получения полетного задания является весьма сложной, так как необходимо учитывать как характеристики ракеты и двигателей, рассматриваемые в их моделях, так и внешние воздействующие факторы - воздействие Земли и атмосферы. Также необходимо учесть ограничения управления и перегрузки. Вследствие этого законы движения летательного аппарата получаются сложными, зависящими от вида маневра и выделенного участка траектории движения. В работе рассматривается только активный участок траектории движения. Рассмотрены применяемые системы координат, уравнения движения центра масс с учетом влияния Земли и аэродинамики аппарата. Рассматривается управление движением изменением тяги двигателей. Приводятся все необходимые формулы для расчета траектории, необходимые допущения. По всей программной траектории были рассчитаны коэффициенты модели возмущенного движения ракеты-носителя. Производилось компьютерное моделирование приведенной методики расчета тестового полетного задания, приведены полученные по результатам моделирования графики, позволяющие сделать вывод о том, что основные ограничения на программную траекторию выполняются. Исходя из этого, можно считать, что полученное полетное задание может использоваться на этапе предварительной разработки системы управления многоразовой одноступенчатой ракеты-носителя.
Бесплатно
Статья научная
Рассмотрена технология проектирования оптимальных кольцевых сопел высокоэффективных ракетных двигателей. С использованием системного подхода проведена декомпозиция системы «ракета-носитель - ракетный двигатель - сопло ракетного двигателя». Исследованы подсистемы в рассматриваемой системе, особое внимание уделено подсистеме «сопло ракетного двигателя». Изложенные принципы использованы при разработке технологии проектирования оптимальных по энерготяговым характеристикам кольцевых сопел с учетом особенностей течения, характерных для кольцевых сопел. Предложена система математического моделирования, реализующая технологию проектирования кольцевых сопел высокоэффективных ракетных двигателей в составе ракеты-носителя.
Бесплатно
Разрывные колебания механических бесступенчатых передач переменной структуры
Статья научная
На основе метода точечных отображений исследуется периодический режим движения привода машин с бесступенчатой передачей.
Бесплатно
Распределение остаточных напряжений при дорновании с учетом повторных деформаций
Статья научная
В статье обоснована необходимость учета повторного деформирования при технологической операции дорнования или деформирующего протягивания, приведены экспериментальные распределения остаточных наряжений при дорновании. Представлено моделирование остаточных напряжений в полом толстостенном цилиндре при дорновании с учетом вторичных деформаций и повторного деформирования. Рассмотрены области, в которых прошли пластическое нагружение и упругая разгрузка, упругое нагружение и упругая разгрузка; приведены примеры моделирования окружных остаточных напряжений, т. е. результаты расчетного определения окружных остаточных напряжений в полом цилиндре по приведенным математическим моделям. Даны рекомендации по назначению количества дорнующих колец на дорнующем инструменте: их для формирования нужного распределения остаточных напряжений в приповерхностном слое достаточно двух, третье кольцо обеспечивает шероховатость. Рассмотрены особенности распределения окружных сжимающих остаточных напряжений в зонах вторичных и повторных деформаций; повторные деформации проявляются в приповерхностном слое, прилежащем к обработанной поверхности, т. е. остаточные напряжения от повторного деформирования накладываются на вторичные остаточные напряжения. Сформулированы подробные выводы по влиянию на остаточные напряжения в приповерхностном слое изменений давления (натяга) при дорновании, изменений толщины стенки цилиндра и изменений предела текучести обрабатываемого материала. Результаты моделирования не противоречат экспериментальным данным.
Бесплатно
Расчет вращающего момента электромеханического привода трамвайного пантографа
Статья научная
Рассмотрен расчет вращающего момента электромеханического привода плоского трехзвенного рычажного механизма трамвайного пантографа. Механизм предназначен для осуществления токосъема и электропитания трамваев от контактной сети. В процессе подъема и опускания механизма необходимо обеспечить требуемый закон изменения вращающего момента в зависимости от угла поворота ведущего звена.
Бесплатно
Расчет геометрических параметров метчика со встречно расположенными винтовыми стружечными канавками
Статья научная
С распространением изделий из волоконно-армированных композитов (ВК) в различных отраслях промышленности все актуальнее становится вопрос их эффективной сборки. Наиболее распространенные методы соединений деталей из ВК, к которым относятся склеивание, клепка и применение различных вставок, обладают рядом существенных недостатков, обуславливающих необходимость поиска новых более эффективных решений. Одним из наиболее перспективных методов сборки деталей из ВК является применение резьбовых соединений, которые получили широкое распространение в виде металлических и полимерных вставок. Однако ряд технологических ограничений, накладываемых на процесс установки данных вставок, вынуждает обратиться к резьбам, полученным в самих композитах. При этом получение резьб возможно как на этапе формовки неотвержденных изделий, что накладывает ограничения на их форму и размеры, так и методами лезвийной обработки, которые в настоящее время мало изучены. Процесс механической обработки заготовок из ВК значительно отличается от обработки гомогенных материалов. Специфические дефекты обработанных поверхностей, которые свойственны только ВК, обуславливают необходимость разработки специальных инструментов, учитывающих особенности различных видов композитов. Анализ результатов предварительных экспериментальных исследований по нарезанию резьб традиционными метчиками показал, что наибольшее влияние на качество нарезаемой резьбы в заготовках из ВК оказывают углы резания на вспомогательных режущих кромках, образованных боковыми сторонами профиля резьбы. Для обеспечения благоприятных условий резания на данных участках разработана конструкция специального метчика со встречными винтовыми стружечными канавками. Для данной конструкции подготовлена методика расчета углов резания на вспомогательных режущих кромках, позволяющая подготовить конструкцию данного метчика под обработку конкретного вида ВК за счет обеспечения оптимальных углов резания, взятых из литературных источников или полученных по итогам натурных экспериментов.
Бесплатно
Статья научная
Предложены методики расчета отклонений от прямолинейности, плоскостности, круглости, смещений торцов отсеков летательных аппаратов при их сборке на основе координат точек, полученных от электронно-оптического координатно-измерительного устройства. На основе методик разработана компьютерная программа, с использованием которой решен ряд контрольных примеров с параметрами, полученными от CAD-системы. Показано, что данные методики позволяют получить требуемые параметры для контроля качества изготовления летательных аппаратов.
Бесплатно
Статья научная
Использование цилиндрических передач с арочными зубьями в приводах энергонасыщенных машин (локомотивов, бортовых редукторов тракторов, верхних приводов буровых установок, вертолетов) позволяет по сравнению с прямозубыми и косозубыми колесами кратно увеличить долговечность передач. К настоящему времени предложено полтора десятка различных приемов и методов проектирования и производства арочных зубьев цилиндрических колес. Среди них перспективным является способ нарезания арочных зубьев на станках ЧПУ круговыми резцовыми головками методом обкатки с единичным делением. Цель статьи - на основе теории пространственных зацеплений реализовать построение математических моделей формообразования арочных зубьев и исследовать геометро-кинематические характеристики их зацепления в условиях ненулевых погрешностей относительного положения колеса и шестерни в передаче. Объект исследования - цилиндрическая передача с арочными зубьями. В статье получены зависимости для радиусов-векторов и ортов нормалей поверхностей арочных зубьев цилиндрических колес, разработана математическая модель для расчета точек касания арочных зубьев в зацеплении при наличии угла перекоса, угла непараллельности и смещения колеса. На примере конечной передачи локомотива впервые исследовано влияние плотности прилегания поверхностей зубьев в зацеплении на смещение рабочих линий из среднего сечения зуба вследствие погрешностей положения элементов передачи. Путем расчета погрешности функции положения в передаче рассмотрена процедура количественной оценки ее несопряженности. Установлено, что геометрия арочных зубьев исследуемого способа в условиях отклонения положений элементов передачи от номинальных приводит к несопряженности зацепления, функция погрешности положения имеет пилообразную форму, вследствие чего неизбежны удары при входе зубьев в зацепление. Предложены пути достижения в рамках рассматриваемого способа изготовления арочных зубьев приближенного характера зацепления зубьев в передаче.
Бесплатно
Статья научная
Расчет деформаций нежесткого технологического оборудования (специальных станков и обрабатывающих роботов) необходим для прогнозирования достижимости требуемой точности обработки. В настоящее время эта задача теоретически разрешима с применением численных методов расчета, в частности метода конечных элементов, для применения которого используются CAD-модели устройств. Такие расчеты требуют многомиллионных конечно-элементных сеток и выполняются, как правило, на суперкомпьютерах крупных компаний по производству данного оборудования. Применение этого подхода для решения этой же задачи в технологических службах машиностроительных предприятий вызывает как трудности вычислительного порядка, так и трудности с получением CAD-моделей данного оборудования, поскольку они являются технической тайной их производителей. Для преодоления этих трудностей предлагается подход, в основу которого положены три решения. Первое решение связано с отказом от использования полноценных твердотельных CAD-моделей оборудования. Вместо этого предлагается использовать STL-модели, в которых представлены лишь триангулированные поверхности сборок с перемещаемыми друг относительно друга узлами оборудования. Второе решение связано с использованием воксельного подхода и связанного с ним расчета кубических элементов конечно-элементных моделей. Третье решение связано с заменой реальных моделей деталей контактирующих пар приводов подач на их эквивалентные по жесткости модели эквивалентных деталей. Приведены примеры результатов перечисленных видов моделирования оборудования и расчеты его деформаций от сил резания. Показано, что такие расчеты доступны для современных персональных компьютеров технологических служб предприятий и не требуют раскрытия технических тайн производителей технологического оборудования. Данный подход имеет перспективы для использования в продвинутых CAM-системах расчета управляющих программ станков с ЧПУ с учетом влияния таких технологических факторов, как деформации оборудования.
Бесплатно
