Статьи журнала - Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Машиностроение
Все статьи: 618
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
Применение манипуляционных роботов для механообработки, например, для операций сверления все еще носит ограниченный характер. Это обусловлено относительно низкой жесткостью таких роботов. Низкая жесткость является причиной низкой точности получаемых поверхностей деталей, в том числе и точности расположения осей отверстий. В связи с этим расчетное прогнозирование технологами возможной величины увода сверл с использованием роботов является актуальной задачей машиностроения. Наиболее точным методом расчета жесткости сборных конструкций является метод конечных элементов. Однако расчет конечно-элементных сеток роботов на основе их CAD-моделей обуславливает формирование таких сеток с несколькими миллионами элементов. Компьютеры, доступные сегодня технологам, не позволяют выполнить такие громоздкие расчеты. Следовательно, возникает задача выполнения подобных расчетов с адекватными сетками меньших размеров. В работе предлагается метод расчета сеток, основанный на воксельном моделировании, а именно на получении облака узловых точек вокселей с использованием CAD-моделей роботов. Используя четыре допущения, в числе которых: замена сборки робота эквивалентной деталью; использование полученных на основе экспериментов эквивалентных по жесткости шарниров; неизменность положения звеньев робота в процессе сверления и допущение по силовым нагрузкам на роботе, - получили воксельную модель робота и на этой основе рассчитали регулярные конечно-элементные сетки численностью до одного миллиона элементов. Была выполнена верификация данного способа расчета на примере смещений конца последнего звена трехосевого робота. Отклонения расчетных и экспериментальных данных не превысили 18 %. Учитывая множество мало формализованных факторов расчета, например, сил резания, такое отклонение приемлемо для целей прогнозирования точности расположения отверстий в процессе их сверления роботами. Следовательно, предлагаемый метод расчета является перспективным для технологической подготовки производства.
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
Рассмотрены проблемы, возникающие при производстве порошков, волокон и гранулоподобной стружки из вязких и хрупких материалов, применяемых в различных отраслях. Особенность данной проблемы заключается в обеспечении жестких требований к размерам, отклонениям размеров и формы дисперсных частиц, которые не могут быть получены при использовании традиционных устаревших технологиях переработки материалов. Обосновано применение нового способа возбуждения резонансных колебаний в виброприводах, обеспечивающего улучшение технологических параметров вибрационных станков-диспергаторов. Новизна способа состоит в получении синхронных колебаний в технологической системе и поддержании их на заданном уровне, а также в обеспечении возможности управления формой генерируемых колебаний. Предлагаемый способ позволяет повысить мощность, универсальность и эффективность работы виброприводов за счет обеспечения возможности управления формой траектории колебаний рабочего органа и одновременной синхронизации высокочастотной и низкочастотной составляющих колебаний. Показано, что функциональные возможности виброприводов могут быть расширены за счет возбуждения механических колебаний на резонансных частотах. Для более полного и наглядного представления процесса возбуждения резонансных колебаний средствами суперкомпьютерных ресурсов ЮУрГУ были выполнены расчёты частотных характеристик колебаний роторов вибропривода. Для сравнения траекторий и форм колебаний были представлены векторные диаграммы движения радиус-векторов суммарных амплитуд колебаний при несинхронном и синхронном режимах работы. В результате расчётов были выявлены три формы собственных резонансных колебаний каждого из роторов вибропривода. Для мониторинга и поддержания требуемых технологических параметров вибропривода была разработана система автоматизированного управления, позволяющая производить сбор у виброприводов параметрической информации, ее автоматическую обработку и поднастройку устойчивой синхронной работы посредством электрической обратной связи.
Бесплатно
Статья научная
Предлагается методика рационального совмещения характеристик двигателя внутреннего сгорания и двухмашинного электрического привода постоянного тока промышленного дизель-электрического трактора, обеспечивающая получение максимального значения средней выходной мощности силовой установки промышленного трактора при выполнении им рабочей операции.
Бесплатно
Результаты и перспективы работы Челябинской научной школы прочнистов
Персоналии
Дано краткое описание созданных школой Д.А. Гохфельда новых научных направлений и их приложений в области анализа деформирования и разрушения материалов и конструкций при повторных (малоцикловых) воздействиях: • прогрессирующего формоизменения при теплосменах; • математической теории упругой и неупругой приспособляемости; • малоциклового деформирования и разрушения хрупких (малопластичных) материалов и конструкций (в том числе - графитовых); • сеток трещин в природных и техногенных объектах; • дилатационных повторных воздействий внешней среды (водорода, природного газа и других); • стабильных и нестабильных деформационных свойств сталей, сплавов и других материалов и их математического моделирования; • неустойчивости процессов неупругого малоциклового деформирования; • закономерностей деформирования и разрушения конструкций с циклически меняющейся структурой (в том числе - при замерзании и таянии рабочей среды). Намечены перспективы развития исследований, связанные прежде всего с переходом от обеспечения безотказности к обеспечению безопасности, а также с расширением приложений.
Бесплатно
Результаты расчета динамики ротора турбокомпрессора ТКР-8,5С
Статья научная
Представлены результаты расчета динамики ротора серийного турбокомпрессора ТКР-8,5С на подшипниках с плавающей вращающейся втулкой. Результаты получены на основе методологии расчета динамики гибкого асимметричного ротора на многослойных подшипниках скольжения, изложенной в работе [1].
Бесплатно
Статья научная
Экспериментально исследована возможность подготовки к сгоранию топлива в двигателях внутреннего сгорания электрическим разрядом большой энергии. Приведены результаты хроматографического анализа продуктов распада различных углеводородных топлив при электроразряде в среде аргона. Получены идентичные легкие активные компоненты продуктов распада, способные интенсифицировать процессы воспламенения и сгорания.
Бесплатно
Релаксация сварочных напряжений при помощи глубокого пластического деформирования
Статья научная
В работе рассмотрен способ снижения уровня остаточных напряжений в сварных конструкциях путем обработки области сварного шва с помощью глубокой пластической деформации. Описаны результаты эксперимента, а также расчета при помощи конечно-элементного пакета ANSYS Workbench, показывающие возможность применения метода для снижения уровня остаточных сварочных напряжений.
Бесплатно
Рентгеноспектральный микроанализ поверхности карбида кремния после микроцарапания титана
Статья научная
Рассмотрена структура поверхности карбида кремния непосредственно после микроцарапания титана и после удаления налипшего металла травлением в растворе плавиковой кислоты. Исследования проведены на электронном микроскопе Versa 3D. Морфологию поверхности изучали при увеличении от 800 до 20000×. Химический состав определяли методом локального микрорентгеноспектрального анализа при съемке в отдельных точках и сканировании участков поверхности. Ускоряющее напряжение электронов возбуждения изменяли от 5 до 20 кВ. В нанослоях карбида кремния микрорентгеноспектральный анализ показал наличие пяти элементов: углерод, кремний, титан, азот и кислород. При 5 кВ, когда глубина зоны генерации рентгеновского характеристического излучения не превышает 270-320 нм, на участках поверхности карбида кремния без видимых следов налипшего металла концентрация титана достигает 3 % атом. Соотношение между атомами кремния и углерода свидетельствует о наличии избыточных атомов углерода. С увеличением ускоряющего напряжения до 15 кВ глубина слоя генерации рентгеновского характеристического излучения атомов титана может достигать 2000 нм. Поэтому с ростом U концентрация титана снижается, поскольку такое же количество титана, сконцентрированного в приповерхностном слое, теперь усредняется по значительно большему объему. При U = 15 кВ концентрация титана на нетравленой и травленной поверхностях составила соответственно 0,56 и 0,36 % атом. До травления количество атомов углерода в 1,7 раза больше чем атомов кремния. Наличие избыточного углерода объясняется присутствием достаточно большого количество углерода на поверхности материла. После травления, в результате снижения содержания атомов титана, кислорода и азота, общей тенденции к снижению атомов углерода концентрация атом кремния с(Si) увеличивается. В результате количественное соотношение между атомами углерода и кремния снижается до 1,4. Увеличение ускоряющего напряжения означает и увеличение объема основного материала, т. е. карбида кремния, находящегося в зоне генерации. С ростом U концентрация титана, азота, кислорода снижается, так как эти элементы находятся в основном на поверхности карбида кремния. Содержание атомов кремния и углерода, входящих в состав карбида кремния, будет возрастать практически пропорционально объему генерации. Поэтому с ростом U концентрация кремния должна увеличиваться, а углерода - снижаться. В действительности с увеличением U в диапазоне 5-15 кВ с(Si) на нетравленой поверхности возрастает более чем на 25 % и на 10 % после травления. Концентрация углерода имеет тенденцию к снижению. Только при ускоряющем напряжении 20 кВ атомные концентрации углерода и азота с учетом доверительного интервала на средние арифметические значения можно считать приблизительно одинаковыми. В данных интервалах U концентрация углерода снижается значимо, что подтверждает ранее высказанное предположение о тенденции снижения с(C) с увеличением U.
Бесплатно
Статья научная
Неоспоримым преимуществом магнитореологических опор является адаптивность жесткостных характеристик и возможность их регулирования в реальном времени. Поэтому совершенствование конструкций магнитореологических систем амортизирования и виброгашения, а также их методик моделирования и расчета является актуальным направлением научно-исследовательской деятельности. Необходимо отметить, что магнитореологическим системам присуща нестабильность рабочих параметров, вызванная нагревом магнитореологической рабочей среды в управляющих электромагнитных полях с изменением вязкостных характеристик жидкости носителя. Возможны различные варианты решения данной эксплуатационной проблемы. Во избежание данного негативного фактора требуется осуществление оптимального термостатирования рабочей среды магнитореологических систем. Для стабилизации температурных параметров рационально осуществление динамического управления системой термостатирования и реализация новых конструктивных решений. Представленная система термостатирования имеет оригинальную запатентованную конструкцию реологического дросселя-термостата, содержащего термоэлектрические элементы и позволяющего производить охлаждение рабочей среды на качественно новом уровне. Одним из возможных способов борьбы с нестабильностью рабочих характеристик магнитореологических систем амортизирования и демпфирования является выполнение их комбинированного типа с разделением рабочей камеры на полость, заполненную магнитореологической жидкостью, и полость, заполненную иной демпфирующей средой. Предложенная конструкция адаптивного комбинированного реологического амортизатора оригинальна и запатентована. Изложены основы методологии расчета жесткостных характеристик магнитореологической рабочей полости, конструктивно выполненной составной из субполостей, имеющих индивидуальные управляющие электромагниты и обладающих вариабельными диссипативно-жесткостными свойствами магнитореологической среды, распределенными по длине магнитореологической рабочей полости. Рассмотрены варианты оптимизации распределения диссипативно-жесткостных характеристик для субполостей и их рационального сочетания с целью создания жидкостных систем амортизирования нового поколения. Описанная магнитореологическая система демпфирования и виброгашения содержит магнитодинамический насос оригинальной и запатентованной конструкции, реализующий транспортировку магнитореологической рабочей среды при помощи винтового управляющего электромагнитного поля.
Бесплатно
Решение задачи проектирования производств при условии обеспечения непрерывности выпуска продукции
Статья научная
Разработана методология проектирования производственных участков, использующая гибкий график ремонта оборудования, который позволяет исключить остановку основного производства. Проект участка может включать в себя три основных пункта: 1. Комплектацию оборудованием производственных участков по минимуму эксплуатационных затрат на содержание технологического оборудования. 2. Комплектация участков станками и технологической оснасткой при условии согласования сроков их ремонта. 3. Комплектация на основе сетевой структурной модели стадии «эксплуатация» парка станков, составляющих участок. Первый пункт направлен на повышение рентабельности использования оборудования по назначению. Второй и третий на обеспечение непрерывности производственного процесса. Их реализация позволяет исключить остановку производства и уменьшить простой оборудования в ремонте. Приведён алгоритм априорной оценки продолжительности и структуры ремонтного цикла станков и оснастки производственных подразделений, выпускающих продукцию ограниченной номенклатуры. Даны основы построения структурных моделей стадии «эксплуатация» парка станков отдельного производственного подразделения. Использование оборудования по разработанным структурам позволяет обеспечить технологическую точность, настроенность, стабильность технологических процессов и непрерывность производственного процесса изготовления деталей.
Бесплатно
Решение уравнений математической модели рулевого управления с усилителем гидравлического типа
Статья научная
Рассматривается использование математической модели рулевого управления с гидроусилителем при определении максимального давления рабочей жидкости в системе гидроусилителя, необходимого для адаптации рулевого управления к определенным дорожным условиям.
Бесплатно
Роль геокосмического транспорта в крупномасштабной индустриализации космоса
Статья научная
На сегодняшний день человечество столкнулось с рядом экологических проблем, от решения которых зависит наше дальнейшее существование. Авторами предлагается системный подход по выходу из сложившейся ситуации, детально описанный в программе «ЭкоМир». Основным вектором дальнейшего индустриального развития станет космический, но для его реализации необходим транспорт, обладающий рядом уникальных характеристик. Авторами статьи предложена конструкция общепланетарного транспортного средства (ОТС), который по внешнему виду представляет собой тор с диаметром экватора и с поперечным сечением в несколько метров. Предполагаемая масса данного геокосмического летательного аппарата составляет 30 млн тонн. Предложено решение задачи стабилизации центрального положения ротора в канале статора общепланетарного транспортного средства (ОТС) при помощи сил магнитных полей постоянных магнитов. Спроектированная система компенсирует внешние силы, действующие как на ротор при подготовке взлёта, так и на статор при наборе высоты. Приведены схемы распределения магнитных потоков в подвесе, а также при действии на ротор силы гравитации Земли у ее поверхности. Разрабатываемое общепланетарное транспортное средство (ОТС) призвано способствовать индустриализации космоса с использованием его преимуществ: вакуума, экстремально низких и высоких температур, невесомости, энергетических и сырьевых ресурсов. Результаты проведённых исследований и их анализ демонстрируют, что ОТС в состоянии обеспечить планетарный масштаб и стремительный темп практической реализации проекта uSpace.
Бесплатно
Связь структуры и трибологических характеристик диалкилдитиофосфатов цинка
Статья научная
Рассмотрена зависимость противоизносного и антифрикционного действия диалкилдитиофосфатов цинка (ZDDP) от величины углеводородных радикалов. Экспериментально изучены параметры трения в контакте скольжения, имитирующем радиальный подшипник. Значение контактных давлений, в котором реализуется гидродинамический режим зависит от шероховатости поверхностей. Выделен режим граничной смазки, отличающийся от гидродинамического и граничного режимов трения. Данный режим характеризуется относительно постоянным коэффициентом трения и малой величиной износа. В качестве критерия оценки противоизносных свойств использовано значение контактного давления, при котором происходит переход от режима граничной смазки к режиму граничного трения. Получено, что переход к граничному режиму трения происходит при различных контактных давлениях для однотипных ZDDP с различной длиной углеводородных радикалов. При использовании дигексадецилдитиофосфата цинка переход к граничному трению происходит при значительно больших значениях контактного давления, чем при использовании диоктилдитиофосфата цинка. Результаты обсуждены с учетом механизма адсорбции компонентов смазочных масел на металлической поверхности. Зависимость противоизносного действия ZDDP от длины углеводородных радикалов соответствует их влиянию на параметры полимолекулярного адсорбционного слоя. Приведены данные о влиянии вспомогательных компонентов на структуру и механические свойства адсорбционных слоев, а также на реологические параметры смазки в узлах трения. Показано, что введение в базовое углеводородное масло вместе с ZDDP других компонентов, состоящих из линейных молекул с достаточно длинными углеводородными радикалами, влияет на диапазон контактных давлений, в котором реализуется гидродинамический режим трения. В качестве примера использован диэфир гексадеканола и малеиновой кислоты. Включение таких компонентов в смазочное масло способствует реализации гидродинамического режима, но не влияет на переход от граничной смазки к граничному трению.
Бесплатно
