Расчет и конструирование. Рубрика в журнале - Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Машиностроение
Статья научная
Проблема прогнозирования и обеспечения технического ресурса машин приобретает всё большую актуальность в связи с ростом нагруженности современной техники. Подшипники скольжения являются одними из самых распространённых узлов трения в машинах и механизмах. Решающую роль в процессах изнашивания подшипников скольжения играют смазочные материалы. Современные смазочные материалы содержат различные добавки, улучшающие их свойства, в частности противоизносные присадки. Вопросам изучения и моделирования работы подшипников скольжения посвящено большое количество работ отечественных и зарубежных исследователей. Наименее изученными остаются вопросы граничного трения и смазки. До сих пор не разработаны корректные инженерные методики расчёта деталей машин, в том числе и подшипников скольжения, работающих при граничной смазке. Конструктивные параметры подшипников скольжения машин и механизмов выбираются на ранних стадиях проектирования, где особенно важно использовать модели, отражающие наиболее важные физические явления и процессы, которые влияют на надёжность машины в целом. Данная статья описывает методику моделирования гидродинамических подшипников скольжения с учётом индивидуальных противоизносных свойств смазочных материалов. Построение адекватной математической модели граничного слоя смазки выполнено на основе представлений о закономерностях полимолекулярной адсорбции углеводородных жидкостей, содержащих поверхностно-активные вещества определенной структуры. Выдвинута гипотеза, что каждый из граничных слоёв смазочного материала, адсорбированных на поверхности трения, состоит из двух областей, имеющих между собой условную границу. Модель отражает процессы разрушения адсорбционного граничного слоя смазки. Выполнены тестовые расчеты для статически нагруженного подшипника скольжения с использованием предложенной модели. Дальнейшие исследования направлены на экспериментальное определение параметров модели граничного слоя.
Бесплатно
Моделирование динамики совершенного газа в кольцевых соплах летательных аппаратов
Статья научная
Рассмотрена динамика совершенного газа в кольцевых соплах летательных аппаратов. Представлены расчетная область кольцевого сопла и система уравнений для математического моделирования нестационарных осесимметричных смешанных течений совершенного газа в интегральной форме. Решение системы уравнений проводится методом установления с использованием конечно-разностной схемы С.К. Годунова - В.П. Колгана. Представлены результаты математического моделирования течений совершенного газа в кольцевом сопле с укороченным центральным телом.
Бесплатно
Моделирование и анимация ходьбы плоских моделей шагающих аппаратов
Статья научная
Предложены алгоритмы моделирования и анимации ходьбы шагающих аппаратов, описанных в статье [1]. Продемонстрировано применение для этих целей свободно распространяемых информационных технологий (SVG, CSS, JavaScript). Для построения среды имитационного моделирования ручного управления ходьбой применена архитектура MVC. Описан опыт использования полученных результатов в учебном процессе.
Бесплатно
Статья научная
Рассматривается методика и примеры синтеза многозвенных механических систем на основе полученных целочисленных решений исходного структурного уравнения механики. Установлено, что данное алгебраическое уравнение с двумя неизвестными имеет конечное множество из девяти решений в целых числах, которые могут быть использованы для построения (на основе этих решений) возможных структур механических систем взаимосвязанных твердых тел.
Бесплатно
Статья научная
В работе представлен метод формирования точного автомодельного решения задачи гидродинамического расчета клиновидной опоры (ползун, направляющая), работающей на электропроводящем жидком смазочном материале, обусловленном расплавом направляющей, с учетом зависимости вязкости и электропроводности жидкого смазочного материала от давления. Решение задачи найдено на основе системы уравнений, описывающих движения несжимаемого жидкого электропроводящего смазочного материала для случая «тонкого слоя» с учетом зависимости вязкости и электропроводности жидкого смазочного материала от давления, уравнения неразрывности и выражения для скорости диссипации механической энергий для определения функции, обусловленной расплавом поверхности направляющей, покрытой расплавом легкоплавкого покрытия. Асимптотическое решение системы дифференциальных уравнений с учетом граничных условий на поверхности направляющей, ползуна и контура y=-Ф(х) найдено в виде рядов по степеням малого параметра К, обусловленного расплавом и скоростью диссипации механической энергии. Для определения поля скоростей и давления в смазочном и расплавленном слое находится точное автомодельное решение для нулевого и первого приближения. В результате нахождения точного автомодельного решения найдено значение функции Ф1(х), обусловленной расплавом направляющей (параметр М, характеризующий толщину расплавленной пленки). Дана оценка влияния следующих параметров: А (обусловленного наличием электрического поля), N (числа Гартмана), М (характеризующий толщину расплавленной пленки), К (обусловленного расплавом и скоростью диссипации механической энергии), альфа (параметр характеризующий зависимость вязкости смазочного материла от давления), В (вектора магнитной индукции) и Е (вектора напряженности электрического поля) на основные рабочие характеристики упорного подшипника скольжения (несущую способность и силу трения). Результаты численного анализа показывают, что значительно уточнены расчетные модели упорных подшипников скольжения в результате дополнительного одновременного учета при их разработке зависимости от гидродинамического давления таких важных факторов, как вязкость жидкого электропроводящего смазочного материала, электропроводность, а также влияния толщины расплавленной пленки легкоплавкого металлического покрытия, магнитной индукции и напряженности электрического поля. Триботехнические расчетные величины уточнены в следующем порядке: сила трения на 43 %, несущая способность на 18 %.
Бесплатно
Статья научная
Анализ напряженного и деформированного состояний твердотельной детали тонкостенной формы, выполнен с помощью конечно-элементного пакета COSMOSWorks. Граничные условия сформированы особенностью конструкции и эксплуатационными нагрузками. Напряжения вычислены по критерию Мизеса. В расчетную модель детали введены сферические пустоты, имитирующие дефекты литья: раковины и неметаллические включения.
Бесплатно
Моделирование нестационарной эжекции
Статья научная
Апробирован способ компьютерного трёхмерного моделирования в программном пакете ANSYS CFX для исследования рабочих процессов в динамических насосах трения путём сравнения его результатов с данными физического эксперимента. Выполнено трёхмерное моделирование рабочего процесса струйного насоса при его запуске и выходе на стационарный режим работы. Сравнение результатов моделирования с данными, полученными при расчёте по одномерной физико-математической модели нестационарной эжекции, подтвердило её адекватность и перспективность применения методов численного трёхмерного моделирования.
Бесплатно
Статья научная
Представлена математическая модель динамики и смазки многослойных гидродинамических подшипников с учетом потерь на трение в источниках смазки и в зоне кавитации, результаты параметрические исследования влияния конструктивных и режимных параметров на уровень вибраций цапф ротора турбокомпрессора и гидромеханические характеристики его подшипников. Представлены созданные на основе использования алгоритмов расчеха и программного обеспечения расчетов многослойных подшипников скольжения быстровращающихся роторов конструкции подшипников для турбокомпрессора ТКР-8,5С.
Бесплатно
Моделирование процесса сгорания в ДВС с воспламенением гомогенного заряда от сжатия
Статья научная
Разработана модель процесса сгорания топливно-воздушной смеси в двигателях внутреннего сгорания, основанная на уравнениях химической кинетики и учитывающая динамику изменения параметров рабочего тела. Введен новый параметр - условная продолжительность реакции окисления молекулы топлива. Произведена серия расчетов рабочего цикла двигателя с воспламенением гомогенного заряда от сжатия при использовании в качестве топлива диметилового эфира и метана.
Бесплатно
Моделирование рабочего пространства станка с параллельной кинематикой
Статья научная
Выполнено математическое моделирование рабочего пространства шестикоординатного станка, построенного на основе параллельной кинематики.
Бесплатно
Моделирование режимов работы низкотемпературного газогенератора
Статья научная
Низкотемпературный газогенератор (НТГГ) предназначен для получения газа с температурой 350...450 К. Он состоит из двух основных частей - камеры сгорания с зарядом твёрдого топлива и камеры охлаждения с гранулами твёрдого охладителя. Продукты сгорания твёрдого топлива имеют высокую температуру, что не позволяет использовать их в целом ряде технических устройств. Охлаждение газа происходит в результате его взаимодействия с гранулами твёрдого охладителя, на термическое разложение которого расходуется часть внутренней энергии газа. Для описания процессов тепло- и массообмена в НТГГ разработана математическая модель на основе одномерных уравнений неразрывности, импульса, энергии, баланса массы компонентов газовой смеси. Газовая смесь состоит из продуктов сгорания твёрдого топлива, продуктов разложения охладителя и воздуха. Математическая модель учитывает воспламенение и горение топлива, течение газовой смеси в НТГГ, теплообмен с элементами конструкции НТГГ и кинетику разложения гранул охладителя. Для реализации математической модели разработан численный метод решения краевой задачи на основе метода конечных разностей. Система уравнений аппроксимирована неявными разностными схемами. Для решения нелинейных разностных уравнений применён метод Ньютона. Краевая задача решалась ортогональной прогонкой. Результаты расчётов сравнены с экспериментальными данными. Выяснено влияние конструктивных и режимных параметров на изменение температуры, давления, расхода, скорости разложения охладителя.
Бесплатно
Модель вибратора для проектирования вибромашин
Статья научная
Одним из направлений развития машиностроения является проектирование и производство вибромашин для уплотнения сыпучих сред, начиная от низкочастотных дорожных виброкатков и виброплит для трамбовки дорожного полотна и укладки асфальта и завершая литейными установками и высокочастотными компактерами для создания новых материалов. Актуальной проблемой при проектировании такого типа вибромашин является выбор параметров вибрации рабочего инструмента, значения которых должны зависеть от параметров обрабатываемого материала, и, как следствие, выбор устройства, удовлетворяющего этим требованиям. Универсальных устройств на рынке нет, однако можно создать универсальную модель и конструкцию пригодную для проектирования вибромашин различного назначения. В работе рассматривается модель универсального вибратора, принцип действия которого основан на изгибных поперечных колебаниях пластин. В отличие от полуволновых преобразователей стержневого типа, данная конструкция при тех же габаритных размерах и энергопотреблении обладает в широком диапазоне частот большим динамическим диапазоном колебаний рабочего инструмента, форму рабочей поверхности которого можно задавать произвольной. Конструкция и структура могут быть изменены в рамках базового набора элементов путем выбора, например, нулевых значений соответствующих параметров. Получена распределенная модель на основе уравнений математической физики, которая сведена к интегральному виду за счет определения импульсной характеристики (функции Грина) круглой пластины и затем всего датчика. Проведено параметрическое исследование, показана возможность изменения частотной характеристики вибратора. Разработанная математическая модель применима как для низкочастотных, так и высокочастотных применений, так как является линейной и выполнена с использованием безразмерных комплексов теории подобия. Модель учитывает упругий гистерезис элементов конструкции, обеспечивая тем самым достоверные величины амплитуды резонансных колебаний рабочего инструмента. Валидация модели показала высокую точность определения резонансных частот.
Бесплатно
Модель отклонения трактора от прямолинейного движения под действием внешних нецентральных сил
Статья научная
Особенностью тракторных агрегатов и строительно-дорожных машин является особое взаимодействие с грунтом. Силовое воздействие на базовый трактор осуществляется не только через движитель, но и со стороны рабочего органа. Часто внешняя сила со стороны рабочего органа является нецентральной, то есть ее линия действия не проходит через центр тяжести машины. Это приводит к неуправляемому вращательному сдвигу базового трактора. Машина теряет курсовую устойчивость и отклоняется от прямолинейного движения под действием внешних сил. Это неуправляемое криволинейное движение на сегодняшний день мало исследовано. Оно представляет собой совокупность прямолинейного управляемого движения и неуправляемого криволинейного сдвига. В статье разработана математическая модель неуправляемого движения трактора, состоящая из уравнений движения и системы силового равновесия. Силовое взаимодействие движителя с грунтом основано на математической теории трения. Результирующая касательная сила и стабилизирующий момент в контакте являются функциями координат мгновенного центра скольжения движителя относительно грунта. Различные коэффициенты трения в продольном и поперечном направлении позволили учесть анизотропию взаимодействия в контакте. Упругие свойства грунта и шины учитывались за счет переменного коэффициента трения. Квазистатическая математическая модель позволила построить реальную траекторию движения с учетом внешних факторов, определить боковое отклонение трактора от прямолинейного движения в любом месте пути. Исследование влияния значения внешней силы, ее направления и точки приложения на траекторию движения на различных типах грунта позволит в дальнейшем найти способы сохранения курсовой устойчивости машины при действии на нее внецентренных внешних сил.
Бесплатно
Мониторинг параметров токсичности двигателя и селективное управление функционированием его систем
Статья научная
Изменение технического состояния ДВС при эксплуатации таких систем, как система питания, система зажигания, цилиндропоршневая группа, система впуска и выпуска приводит к ухудшению процесса сгорания, росту токсичных компонентов и, как следствие, ведет к ускорению выработки ресурса катализатора. В свою очередь, отказ катализатора приведет к несоответствию экологического класса автомобиля существующим нормам ЕВРО и последующая замена отказавшего элемента не поменяет ситуации, а для устранения первопричины отказа катализатора требуется замена некоторых элементов систем. В связи с этим в процессе эксплуатации ДВС актуальна разработка способов контроля динамики изменения концентрации токсичных компонентов СО, СН, СО2 и О2 в отработавших газах, что возможно при использовании портативных газоанализаторов, встроенных в систему выпуска отработавших газов. Работа портативного газоанализатора может быть организована дискретно, в виде тестовых режимов мониторинга параметров токсичности, например, на холостом ходу, в режиме разгона, на постоянных мощностных и нагрузочных режимах, при работе избирательно отдельных цилиндров двигателя. В данном исследовании с целью дозагрузки цилиндров осуществляется полное и частичное отключение цилиндров разработанным портативным прибором - догружателем бензинового двигателя. Измерение параметров токсичности производится четырехкомпонентным газоанализатором. Проведенный комплекс исследований показал высокую эффективность контроля технического состояния цилиндропоршневой группы, систем топливоподачи и зажигания и других систем путем контроля параметров токсичности отработавших газов. При высокой селективности воздействия нагрузки на отдельные цилиндры и при ее существенной вариации можно предупредить отказ катализатора, в том числе и за счет адаптивности исполнительных элементов под изменение технического состояния отдельных узлов.
Бесплатно
Статья научная
В работе исследуются напряженно-деформируемое состояние зубчатой пары из высокопрочного чугуна ВЧ 60 с диффузионным покрытием. Мы исследовали три типа диффузионного покрытия: c ванадием, хромом и марганцем. Термодиффузионные покрытия формировались посредством химико-термической обработки исследуемых элементов в контейнере с плавким затвором из порошковой засыпки. Толщина покрытий для всех случаев составляла 50-60 мкм. После зубчатые колеса с покрытием подвергались закалке в защитном слое. Температура повторного нагрева составляла 920-930 ℃. В качестве защитной среды (флюса) использовался сплав оксида ванадия, имеющий температуру плавления 675 ℃. Это позволило сформировать высокую твердость в покрытиях и переходной от покрытия зоне. Поверх диффузионного покрытия посредством металлических щеток наносилось внешнее механическое покрытие. Исследование напряженно-деформированного состояния исследуемой зубчатой передачи проводилось методом математического моделирования с использованием пакета Ansys. Решение контактной задачи позволило получить закон распределения нормальных и касательных напряжений по сечению зубьев. В результате установлено, что максимальные контактные напряжения в полости зубьев сосредоточены в слое термодиффузионного покрытия, прочностные характеристики которого в несколько раз превышают характеристики основного материала зуба колеса. Уровень касательных напряжений под диффузионным слоем оказался в два раза ниже, чем в самом слое. В результате снизился риск образования лунки у основания зубьев и поверхностных трещин, которые быстро приводят к потере работоспособности зубчатого зацепления.
Бесплатно
Статья научная
Исследовано напряженное состояние контактного слоя в направляющем прецизионном сопряжении при различных радиальных нагрузках, обусловленных тепловым состоянием распылителя форсунки в дизеле. Установлено уменьшение механической напряженности контактного слоя сопряжения при тепловой защите корпуса распылителя.
Бесплатно
Статья научная
Рассмотрены некоторые особенности проектирования аксиально-плунжерных гидромашин с наклонной шайбой, самоустанавливающимся блоком цилиндров с опорой на валу, форсированных по давлению. Показано, что непременным условием обеспечения работоспособности таких гидромашин является оценка и уменьшение прогиба вала под действием статической составляющей поперечного усилия. Впервые рассмотрены условия вынужденного перемещения блоков цилиндров, работающих с плоским и со сферическим торцевыми распределительными золотниками. Рассмотрены особенности частотной отстройки ротора гидромашины от частоты возмущающей силы - динамической составляющей поперечного усилия.
Бесплатно
Новая техника для уплотнения дорожно-строительных материалов
Статья научная
Рассматриваются особенности технологии уплотнения современными дорожными машинами и предлагается новое устройство для реализации более эффективного технологического процесса, использующего преимущественно сдвиговые деформации уплотняемого материала при малых усилиях сжатия. Приводится методика расчёта нового устройства.
Бесплатно
Новая техника для уплотнения земляного полотна
Статья научная
Изложены основные принципы уплотнения грунтов при устройстве земляного полотна различными механизмами. Представлены конструктивные решения и рассмотрена принципиальная схема конусного раскатчика дорожно-строительных машин для глубокого уплотнения грунтов при возведении земляного полотна. Отмечается, что разрушение дорожного покрытия автомобильных дорог происходит, как правило, в результате деформаций земляного полотна, в большинстве случаев связанных с недоуплотнением грунтов, дефекты земляного полотна зачастую являются следствием нарушений технологий строительного процесса и использования морально устаревшей дорожно-строительной техники. Мелкие нарушения и повреждения перерастают в опасные деформации, что создаёт аварийные ситуации и приводит к существенному снижению и ограничению скоростей движения транспортных средств и, как следствие, к большим экономическим потерям. Сформулированы основные преимущества новой технологии уплотнения с использованием конусообразных раскатчиков. Раскатка - это непрерывный процесс образования коническо-цилиндрической полости путём деформации и уплотнения грунта конусообразным раскатывающим рабочим механизмом. Задача новой техники - создать условия для максимального выхода воздуха из массива уплотняемого материала. Реализуемая при этом технология названа нами воздухоудаляющей, а существующая - воздухозапрессовочной. Для понимания процесса уплотнения грунта новым рабочим оборудованием рассмотрен силовой баланс между усилием подачи и силами сопротивления внедрению конуса при его погружении. Приведены зависимости для расчета суммарного крутящего момента и мощности привода, которые нужно приложить к ведомому валу, чтобы заставить катиться конусное устройство раскатчика в зависимости от геометрических параметров конусного рабочего органа и физико-механических свойств уплотняемых грунтов. Потребительские свойства нового средства уплотнения значительно выше существующей техники: если толщина уплотняемого слоя грунта в насыпи при существующей технологии не превышает полуметра, то для конусного раскатчика практически не зависит от толщины (высоты) уплотняемого слоя. После глубокого уплотнения грунта конусным раскатчиком и заполнения образовавшихся котлованов (скважин) более прочным материалом устраняется просадочность земляного полотна за счет повышения плотности, снижения склонности грунта к водонасыщению, т. е. в несколько раз повышается его несущая способность.
Бесплатно
Новые аналитические законы и универсальные константы внешнего и внутреннего предельного трения
Статья научная
Приведены результаты разработанной автором динамической теории предельного трения, содержащей механическую модель динамического взаимодействия пары трения, а также аналитические законы, устанавливающие зависимость силы трения от времени остановки и от скорости тангенциального нагружения фрикционного контакта и указывающие на существование в природе новых универсальных физических констант в виде предельно возможных коэффициентов, сил и углов трения покоя и движения. Приведена расчетная сводная диаграмма перехода тела от покоя к движению, охватывающая фазы предварительного смещения и возникновения фрикционных автоколебаний, а также режимы сухого, смешанного и жидкостного трения.
Бесплатно
