Том 14, № 2 (2020)
- Год: 2020
- Статей: 12
- URL: https://bakhtiniada.ru/2074-0530/issue/view/3700
Статьи
Математическое моделирование приводов с тандемными пневматическими цилиндрами
Аннотация
В статье рассмотрен вопрос математического моделирования тандемных пневматических цилиндров. Несмотря на то, что вопрос математического описания работы приводов с однопоршневыми цилиндрами достаточно подробно рассмотрен в литературе, особенность приводов с тандемными цилиндрами, а именно коммутация их рабочих полостей с пневматическими линиями нагнетания и выхлопа через один пневмораспределитель, требует формирования определенного подхода к их математическому описанию. Для этого в исследовании представлены два варианта математических моделей, описывающих их работу. Первый вариант предполагает учет некоторых условных промежуточных камер за пневмораспределителем, в которых происходит деление и объединение потоков сжатого воздуха между пневматическим распределителем и рабочими полостями тандемного пневматического цилиндра, во втором, упрощенном, варианте рабочие полости цилиндра рассматриваются независимо. Сравнение результатов математического моделирования по двум вариантам показало достаточно существенное различие во времени перемещения поршня цилиндра. При этом из результатов видно, что данное различие связано в первую очередь с распределением давления воздуха между промежуточными камерами и рабочими полостями цилиндра. Исходя из полученных результатов следует, что при разработке пневматических приводов и пневмоприводных устройств с тандемными пневматическими цилиндрами, несмотря на усложнение расчета, предпочтительно в математической модели учитывать промежуточные камеры, в которых происходит деление и объединение потоков сжатого воздуха. Разработанная модель может применяться при проектировании пневматических приводов различных машин и механизмов, в которых используются тандемные пневматические цилиндры. Сформированный подход к моделированию может быть использован при исследовании других многопоршневых пневматических двигателей или приводов с несколькими двигателями, управляемыми одним пневматическим распределительным устройством.
Известия МГТУ “МАМИ“. 2020;14(2):2-9
2-9
Термодинамически подобные индикаторные диаграммы тепловых двигателей Энергетическая безразмерная диаграмма замкнутого цикла теплового двигателя
Аннотация
В настоящее время для анализа термодинамических процессов, протекающих в тепловом двигателе, и его эффективности используются индикаторные диаграммы, построенные в размерных значениях параметров рабочего тела - объём, энтропия, давление, температура и других параметров. К числу исключений можно отнести, например, опытные исследования и термодинамические расчёты, выполняемые при проектировании сопла Лаваля реактивных двигателей. Эти исследования основаны на Теории подобия. В предлагаемой читателю работе выполнен графоаналитический расчёт эффективности идеализированного цикла теплового двигателя в безразмерных параметрах рабочего тела. Методы научных исследований с использованием безразмерных параметров - критериев подобия являются характерной особенностью Теории подобия. Кроме безразмерной индикаторной диаграммы, разработана и описана энергетическая безразмерная диаграмма кругового замкнутого цикла теплового двигателя. На энергетической диаграмме изображены термодинамические процессы обмена теплотой и механической работой между рабочим телом и окружающей средой в безразмерных координатах теплоты и механической работы. В работе показано, что использование энергетической безразмерной диаграммы наиболее простой и наглядный графоаналитический способ определения эффективности теплового двигателя. Применительно к анализу работы теплового двигателя значимость использования Теории подобия определяется тем, что единственное аналитическое, графическое или опытное исследование теплового конкретного двигателя с наименьшими затруднениями можно распространить на исследование бесконечного множества термодинамически подобных двигателей. Для примера в предлагаемой работе выполнен в безразмерном виде расчёт идеализированного цикла двигателя Отто.
Известия МГТУ “МАМИ“. 2020;14(2):10-17
10-17
Установление зависимостей между показателями топливной экономичности и передаточными числами агрегатов трансмиссии автобуса
Аннотация
Конструкторы Группы ГАЗ разработали на базе грузового автомобиля ГАЗон Next 10 семейство автобусов ГАЗ Вектор Next 10. Параметры двигателя, агрегатов трансмиссии и колёс нового семейства автобусов претерпели существенные изменения, что неизбежно повлияло на показатели их топливной экономичности. В связи с этим были сформулированы цели настоящей работы, заключающиеся в разработке методики определения показателей топливной экономичности автобуса и установлении зависимостей между этими показателями и передаточными числами агрегатов трансмиссии. Объектом исследования выбрана базовая модель семейства автобусов, предназначенных для внутригородских перевозок пассажиров. Для оценки топливной экономичности автобуса выбраны единичные показатели: расходы топлива при заданных скоростях и эксплуатационный расход топлива при эксплуатационной скорости. Эти показатели определены по графикам топливно-экономических характеристик автобуса. В статье изложены методики построения названных графиков и определения по ним показателей топливной экономичности автобуса. Установлено влияние на расход топлива при заданных скоростях 60 и 80 км/ч величин передаточных чисел высшей ступени пяти- и шестиступенчатой коробок передач и главной передачей с передаточными числами 3,9 и 4,55. Определены передаточные числа коробки передач и главной передачи, при которых автобус расходует наибольшее и наименьшее количество топлива на 100 км пути. Показано, что изменение передаточных чисел агрегатов трансмиссии несущественно влияет на эксплуатационный расход топлива автобуса. Результаты исследований, выполненных авторами статьи, могут быть использованы разработчиком для оптимизации передаточных чисел модернизируемого семейства автобусов ГАЗ Вектор Next 10.
Известия МГТУ “МАМИ“. 2020;14(2):18-23
18-23
Исследование эффективности электромеханической системы активной виброзащиты автомобиля с различными регуляторами
Аннотация
В статье рассмотрена одномассовая система виброзащиты с исполнительным электромеханическим устройством. Представлена актуальность проводимого направления исследований и современное состояние его изученности. Обосновано, что в сравнении с управляемыми элементами вязкого сопротивления управляемые элементы жесткости обеспечивают лучшее качество виброзащиты. Подчеркнута перспективность в применении управляемых электромеханических элементов жесткости. В настоящей работе рассмотрен исполнительный механизм в виде линейного двигателя постоянного тока. Приведены примеры использования активных систем виброзащиты с линейными электрическими машинами. В частности, представлен пример использования в качестве подвески транспортного средства. Указаны преимущества и наиболее существенные недостатки таких подвесок, сдерживающие их массовое внедрение. Представлена расчетная схема одномассовой колебательной системы с параллельной установкой элемента вязкого трения и элемента жесткости. Обосновано, что с учетом принятых допущений представленная схема эквивалентна подвескам транспортных средств. Предложено, в качестве управляемого элемента вязкого сопротивления использовать магнитореологический демпфер колебаний. Приведен анализ состояния вопроса систем активной виброзащиты с магнитореологическими демпферами колебаний. Разработана структура замкнутой по виброускорению защищаемого объекта системы виброзащиты и представлены математические модели ее функционально необходимых элементов: датчика колебаний, системы виброзащиты по каналу возмущения и управления, линейного электродвигателя постоянного тока. Предложена методика синтеза корректирующего устройства, обеспечивающего желаемые резонансные свойства замкнутой системы. Представлены результаты имитационного моделирования системы активной виброзащиты с регулятором, синтезированным по предложенной методике и регулятором, структура которого получена в предыдущих работах автора. На основании полученных результатов сделаны выводы по полученным в статье материалам и сформулированы рекомендации по использованию регуляторов.
Известия МГТУ “МАМИ“. 2020;14(2):24-32
24-32
Трансмиссия c электромеханической пердачей для тракторов и дорожно-строительных машин
Аннотация
В статье рассмотрены варианты кинематических схем двухпоточных трансмиссий для сельскохозяйственных тракторов и дорожно-строительной техники. При этом рассматривается возможность применения в составе данной трансмиссии электромеханической передачи. Проанализирована перспектива повышения эксплуатационных свойств данной техники путем проведения модернизации силовой установки и трансмиссии с максимальным использованием в ее составе серийных агрегатов, прежде всего коробки перемены передач. В данном случае рассматривается возможность применения в трансмиссии трактора серийной коробки передач совместно с более мощным двигателем. С этой целью предлагается концепция двухпоточной трансмиссии, где часть мощности двигателя передается в обход (параллельно) коробки перемены передач. Рассмотрены несколько возможных кинематических схем данной трансмиссии. Проведен сравнительный анализ вариантов конструкций, где параллельная ветвь трансмиссии выполнена гидромеханической, механической, электромеханической. В результате проведенного анализа в качестве перспективного варианта для сельскохозяйственного трактора предложена концепция двухпоточной трансмиссии с электромеханической передачей в параллельном потоке. Приведены порядок и расчетные зависимости для определения основных параметров и характеристик элементов трансмиссии данного типа. Возможность применения предлагаемой трансмиссии рассмотрена для перспективного сельскохозяйственного колесного трактора 6-8 тягового классов. При этом выполнен анализ кинематики данной трансмиссии, рассчитаны передаточные отношения, определены характеристики ее основных элементов. Сформулированы направления развития подобных конструкций.
Известия МГТУ “МАМИ“. 2020;14(2):33-41
33-41
Взаимодействие элементов телескопической стрелы в результате внезапного снятия нагрузки
Аннотация
В настоящее время при выполнении строительных, погрузо-разгрузочных и монтажных работ широкое применение находят самоходные стреловые краны, оснащенные телескопическим стреловым оборудованием. Аварии самоходных стреловых кранов, вызванные внезапным обрывом грузового каната, а также самопроизвольной расстроповкой груза, можно отнести к основным причинам аварий грузоподъемных кранов. Данную причину можно считать одной из наиболее опасных, так как внезапное снятие нагрузки характеризуется непредсказуемостью, независимостью от квалификации оператора и быстротечностью воздействия. Целью работы является изучение нагружения телескопического стрелового оборудования при внезапном снятии нагрузки и предложение мер предотвращения или снижения последствий аварий, вызванных данным видом нагружения. В качестве объекта исследования выбран железнодорожный кран «Сокол 80.01М». В качестве методов исследования используется метод численного эксперимента, проведенный в модуле комплексного динамического и кинематического анализа механизмов SolidWorks Motion . В результате численного моделирования мгновенного снятия нагрузки установлено балансирование ТС на плитах скольжения и ударные взаимодействия секций стрелы; определены временная зависимость реакций опор скольжения, величины ударных взаимодействий и временная зависимость колебаний оголовка стрелы. Предлагается применять на самоходных стреловых кранах «Способ повышения безопасности и систему безопасности стрелового грузоподъемного крана», которые помимо защиты грузоподъемного крана от перегрузки и от столкновений его стрелы или грузозахватного органа с различными препятствиями (координатная защита), вследствие наличия пиропатронов и подсистемы управления ими, обеспечивают предотвращение аварий в случае внезапного снятия нагрузки со стрелы, а также защиту грузоподъемной машины при воздействии случайных внешних факторов, снижение ущерба при необратимой потери устойчивости крана. Установлены наиболее рациональные параметры устройства аварийно-силового воздействия на стреловое оборудование: время действия пиропатронов; коэффициент действия пиропатронов, начальная сила пиропатронов, сила заряда устройства аварийно-силового воздействия на стреловое оборудование.
Известия МГТУ “МАМИ“. 2020;14(2):42-52
42-52
Анализ теплового баланса скафандра солнечного самолета
Аннотация
С развитием технологий все большее распространение в промышленности и технике получают альтернативные источники энергии. Одним из самых перспективных и широко используемых способов получения тепла является солнечное излучение. В настоящее время ведутся активные разработки в области создания воздушных судов, работающих на солнечных панелях, так называемых солнечных самолетов. Транспортные средства подобного типа являются инновационной областью для развития авиации. Одной из важнейших проблем практического использования пилотируемых солнечных самолетов является обеспечение жизнедеятельности экипажа летательного аппарата. В силу жестких массогабаритных ограничений система жизнеобеспечения должна обеспечивать комфортный для пилота тепловой режим на протяжении всех этапов полета с учетом изменения параметров окружающей среды и иметь высокую степень надежности и компактности при минимальной массе всех агрегатов. Схема системы жизнеобеспечения (далее - СЖО) описана в литературе [1]. В настоящей работе было продолжено исследование проблемы, изложенной в [2], и приведена оценка внешней и внутренней тепловой нагрузки на систему СЖО солнечного самолета в условиях у поверхности Земли и на максимальной высоте полета. В результате сравнения полученных значений теплопритоков было выявлено, что суммарное значение тепловой нагрузки может принимать как положительное, так и отрицательное значение. Это означает, что для обеспечения комфортной жизнедеятельности пилота необходимо предусмотреть как обогрев, так и охлаждение скафандра пилота. С учетом того, что конструктивные и физиологические особенности могут оказывать серьезное влияние на величины тепловых потоков, была обоснована необходимость проведения физиологических испытаний для подтверждения данных, полученных расчетным путем, и возможной доработки конструкции системы СЖО.
Известия МГТУ “МАМИ“. 2020;14(2):53-57
53-57
Метод оценки эффективности применения электромеханических трансмиссий транспортных средств на этапе проектирования
Аннотация
С развитием тягового электропривода, а также бортовых накопителей электрической энергии, перспективными оказываются машины, оснащённые электромеханической трансмиссией. Однако на этапе проектирования подобных транспортных средств возникают затруднения, связанные с оценкой энергоэффективности разрабатываемых автомобилей, в частности, с оценкой коэффициента полезного действия тяговых электромашин. В данной работе авторами предлагается метод оценки коэффициента полезного действия тяговых электродвигателей вновь разрабатываемых электромеханических трансмиссий транспортных машин, основанный на построении эмпирической зависимости, аппроксимирующей статистические данные о характеристиках существующих электродвигателей. Для аппроксимации использовались данные по электродвигателям ряда производителей, используемых в составе трансмиссий транспортных средств. В статье рассматривается применение разработанного метода для разработки алгоритма управления трансмиссией колёсной машины, направленного на повышение её энергоэффективности. Работоспособность алгоритма подтверждена при помощи имитационного моделирования динамики рассматриваемого транспортного средства, исходные данные для моделирования были получены в ходе тягово-динамического расчёта. Разработанная имитационная модель совместно с методом оценки коэффициента полезного действия электродвигателя позволила провести сравнительную оценку разработанного алгоритма управления переключением передач и подхода к переключению передач, не учитывающего зависимость величины потерь энергии электромашины от режима работы в случаях движения по городскому и смешанному ездовым циклам. В качестве критериев оценки эффективности применения разработанного закона управления электромеханической трансмиссией использовались величина затрат энергии при движении по заданному циклу и количество переключений передач на маршруте. Полученные результаты подтверждают эффективность использования разработанного алгоритма в условиях движения транспортных средств в городской среде.
Известия МГТУ “МАМИ“. 2020;14(2):58-68
58-68
Разработка системы наддува турбокомпаундного поршневого двигателя
Аннотация
Требования к современным двигателям непрерывно ужесточаются с точки зрения обеспечения экономических и экологических параметров. Термодинамический анализ показывает, что приблизительно 30-40% энергии топлива выбрасывается в окружающую среду выхлопными газами. По этой причине, получение дополнительной энергии от отработавших газов является перспективным способом существенно улучшить термический КПД двигателя. К способам получения дополнительной энергии от отработавших газов относятся: турбонаддув, турбокомпаунд, цикл Брайтона, цикл Ренкина и термоэлектрические генераторы. Эти методы показали увеличение термического КПД двигателя, которые варьируются от 2 до 20%, в зависимости от конструкции системы, качества рекуперации энергии, эффективности компонентов. В данной работе будет раскрываться тема одного из перспективных вариантов энергосбережения в поршневых двигателях. К сожалению, тема турбокомпаунда ДВС в России слабо изучена, отсутствуют методики по разработке данных систем, рекомендации по подбору агрегатов. Целью данной работы является создание турбокомпаундной системы наддува двигателя авиационного назначения. В соответствии с поставленной целью сформулированы и решены следующие задачи: изучен отечественный и международный опыт создания систем наддува турбокомпаундных поршневых двигателей; разработана методика создания систем турбокомпаундного наддува для двигателей внутреннего сгорания; разработаны рекомендации по согласованию совместной работы турбокомпрессора и силовой турбины, а также системы турбокомпаунда с двигателем; разработаны рекомендации по выбору способа регулирования турбокомпаундных систем наддува. Разработанная методика позволила спроектировать турбокомпаундную систему наддува для дизельного авиационного поршневого двигателя АПД - 500 мощностью 368 кВт. Были определены требуемые характеристики лопаточных машин и выбраны требуемые типоразмеры. Выбор ТКР производился наложением расходной характеристики двигателя АПД-500 на характеристику компрессорной ступени ТКР. Произведен расчет параметров силовой турбины, определено необходимое передаточное число редуктора силовой турбины.
Известия МГТУ “МАМИ“. 2020;14(2):69-77
69-77
Разработка и апробация математической модели предпускового режима работы дизеля при низких температурах окружающей среды
Аннотация
Пуск холодного дизеля в условиях Арктики с минимальными температурами ниже -60 °С представляет существенные трудности вследствие низкой температуры воздушного заряда, повышенного сопротивления проворачиванию коленчатого вала и перемещению других, кинематически с ним связанных деталей (поршни, детали механизма газораспределения; и т.д.) из-за увеличенной вязкости масла, ухудшения условий распыливания топлива, усиленной теплоотдачи в стенки цилиндра, потери части воздушного заряда. Настоящая статья посвящена решению актуальной задачи, связанной с разработкой теоретической базы, обеспечивающей комплексное имитационное моделирование предпускового режима работы дизеля в условиях низких температур окружающей среды при использовании средств облегчения пуска. В статье предлагается математическая модель дизеля, базирующаяся на тепломеханике (термодинамике открытых систем), которая отражает основные особенности двигателя внутреннего сгорания (ДВС) как системы, преобразующей энергию во времени. Система уравнений математической модели основывается на законах сохранения энергии, массы, уравнениях движения твердых звеньев и включает дифференциальные уравнения скоростей изменения температуры и плотности рабочего тела в цилиндре и в картере ДВС, идеально-газовое уравнение состояния, а также дифференциальные уравнения изменения угловой скорости и угла поворота вала двигателя. Математическая модель апробирована на примере дизеля 1Ч9,5/8,0. В статье представлены графики изменения угловой скорости, давления и температуры в цилиндре, а также результаты расчетов предпускового режима работы двигателя при различных низких температурах окружающей среды в сравнении с результатами натурных экспериментов, проведенных в холодильной камере.
Известия МГТУ “МАМИ“. 2020;14(2):78-84
78-84
Выбор рациональной конструкции движителя мобильного робота для условий городской среды
Аннотация
Развитие техники и технологий дает возможность исключить непосредственную работу человека в опасных условиях, заменив ее на дистанционное управление роботизированными комплексами. При этом все большее распространение получают мобильные робототехнические комплексы (МРК) сверхлегкой весовой категории, имеющие массу до 30 кг. Ввиду их компактности и легкости переброски от одного объекта к другому они стали незаменимы в городской среде, например, при необходимости работ после техногенных аварий или терактов, для разминирования, устранения последствий выброса ядовитых веществ и т.д. Однако для сверхлегких МРК преодоление препятствий, встречающихся в городской среде и преодолеваемых с легкостью людьми или более крупной техникой, может стать непреодолимой задачей. В связи с этим актуальным вопросом является выбор рациональных конструктивных параметров движителя. Настоящая статья посвящена исследованию МРК с изменяемой геометрией движителя в условиях преодоления типовых городских препятствий - бордюров и лестниц. В начале статьи описаны условия движения и приведена классификация городских препятствий по причинам их возникновения и сложности преодоления. Далее в статье представлены варианты движителей, применяемых в МРК сверхлегкой весовой категории, и проведен анализ движителя, наиболее подходящего для городских условий, а также приведены требования к размерам ходовой части МРК. В основной части статьи проведено исследование динамики движения МРК массой 25 кг в программном комплексе «Универсальный механизм» для условий преодоления вертикальной ступени высотой 0,11 м (как типового примера въезда на бордюр) и лестницы с числом ступеней, равным пяти, и размерами одной ступени 0,330х0,145 м. По итогам моделирования сформированы выводы и показана связь между регистрируемыми перегрузками, действующими на корпус МРК, и линейными размерами ходовой части МРК.
Известия МГТУ “МАМИ“. 2020;14(2):85-92
85-92
Оценка напряженно-деформированного состояния в зоне сварного соединения для рамы автопогрузчика
Аннотация
В контексте всевозрастающего усложнения как самих конструкций строительных машин и механизмов, так и условий их ээксплуатаци актуализируются вопросы достижения надежности и долговечности основных сварных соединений, поскольку качество сварного соединения определяет работоспособность узла и машины в целом. В связи с этим обеспечение удовлетворительной свариваемости и получение более качественного сварного соединения - необходимые условия повышенной прочности для сварных конструкций, на которых монтируют рабочие органы строительных машин, а также механизмы и их сборочные единицы. В статье рассмотрены ключевые вопросы повышения надежности сварных конструкций строительных машин. Отдельное внимание уделено проблемам усиления опасных зон, а также восстановления таких зон в сварных конструкциях строительных машин. В качестве примера в статье рассмотрена рама автопогрузчика, оснащенного манипулятором с гидравлическим приводом. Особый акцент сделан на том, что при расчете расстояний между сварными швами необходимо учитывать его зависимость от режимов сварки и параметров рамных конструкций строительных машин. Оценка напряженно-деформированного состояния рамы выполнялась с помощью моделирования состояния конструкции в различных ситуациях. С использованием программ конечно-элементного анализа установлены возможности снижения локальных напряжений, превышающих предел прочности материала и вызывающих угрозу появления микротрещин, за счет приварки накладок короткими швами в шахматном порядке, а также нахождения оптимальных параметров сварных швов с учетом концентрации напряжений. Также в процессе исследования установлено, что наибольшее влияние на величину коэффициентами концентрации напряжений оказывает радиус перехода от основного металла к металлу сварного шва. Увеличение радиуса перехода от 0,1 мм до 1,0 мм позволяет уменьшить величину коэффициента концентрации напряжений.
Известия МГТУ “МАМИ“. 2020;14(2):93-101
93-101