Том 15, № 2 (2021)
Статьи
Сравнительный анализ российских и зарубежных нормативных требований к виброзащите оператора трактора
Аннотация
В статье рассмотрены основные требования российских и зарубежных нормативных документов по виброзащите рабочего места оператора колесных и гусеничных машин и выполнен их сравнительный анализ. Нормирование параметров общей вибрации на рабочих местах операторов тракторов и самоходных сельскохозяйственных машин в нашей стране происходит согласно требованиям СН 2.2.4/2.1.8.566-96, ГОСТ 12.1.012-2004 и ГОСТ 12.2.019-2015. В качестве критериев оценки выделяются среднеквадратические значения виброускорений за определенный период воздействия в каждой октавной (третьоктавной) полосе частот. Они сравниваются на предмет соответствия с регламентируемыми значениями из определенного стандарта. На международном уровне объектом соответствия принят стандарт ISO 2631-1: 1997, который устанавливает требования вертикальной и горизонтальной вибрации с определенным временем воздействия на человека от 1 мин до 24 часов в диапазоне частот от 1 Гц до 80. В статье показано, что наиболее жесткие требования по уровню локальной вибрации установлены в Российской Федерации. Ими предусматривается четкая регламентация по виду выполняемых работ, длительности, величине, направлению действующих нагрузок и т.д. Относительно мягких требований придерживаются в большинстве стран Европы, кроме Польши, где ПДУ регулируется с учетом возраста, пола и состояния человека. Кроме того, в нормативных документах большинства иностранных государств присутствуют два, а иногда и три показателя: пороговые (верхнее и нижнее) значения и ПДУ. При достижении порогового значения обычно начинаются первичные меры по противодействию вредным факторам.
Известия МГТУ “МАМИ“. 2021;15(2):2-8
2-8
Влияние на характеристику линейного перистальтического насоса формы сечения и длины сжимаемых участков
Аннотация
В обзорной части работы кратко представлены наиболее распространенные существующие конструкции насосов перистальтического принципа действия, а также основные области их применения. Основная часть исследования посвящена изучению влияния на работу перистальтического насоса с линейно расположенной трубкой формы поперечного сечения трубки в области сжимаемых участков, а также соотношения размеров выжимных элементов, периодически сжимающих трубку насоса в поперечном направлении. Исследования проводились посредством численных экспериментов в программе STAR-CCM+ , которая основана на методе контрольного объема. В результате проведенных вычислений было установлено, что применение выступов на внутренней поверхности трубки дает положительный эффект, если выступы имеют особую криволинейную форму с плавным переходом около внутренней поверхности трубки, причем увеличение создаваемого давления и подачи больше в том случае, когда выступы присутствуют только в области сжатия трубки первым выжимным элементом. При этом угол наклона характеристики насоса меняется так, что положительный эффект не наблюдается в области малых значений создаваемого давления. Изучение влияния различных соотношений длин сжимаемых участков трубки на создаваемые насосом подачу и давление показало, что для исследуемого в работе неполного сжатия трубки насоса наиболее благоприятным является использование выжимных элементов одинаковой длины. Как для трубки без выступов, так и для трубки с выступами применение второго выжимного элемента большей или меньшей длины, чем длина остальных выжимных элементов при одной и той же суммарной длине всех трех сжимаемых участков, приводит к увеличению утечек при неполном сжатии трубки и таким образом снижает подачу насоса.
Известия МГТУ “МАМИ“. 2021;15(2):9-17
9-17
Разработка методики расчёта оптимального распределения электрической мощности между энергоблоками КЭС
Аннотация
Методы оптимизации используются при решении многих задач в области энергетики. Одной из таких задач является проблема оптимального перераспределения мощности между энергоблоками электростанции с целью достижения минимального расхода топлива. Это особенно важно для мощных конденсационных электростанций (КЭС), в которых даже относительно малая экономия топлива приводит к значительному экономическому эффекту.
Статья посвящена описанию разработанной методики такой оптимизации, основанной на применении современного метода дифференциальной эволюции, обладающего многими преимуществами перед классическими методами оптимизации. В частности, с его помощью можно найти именно глобальный, а не локальный экстремум целевой функции; также этот метод отличается простотой и широкими возможностями при использовании современных программных средств.
Очень удобно метод дифференциальной эволюции организован в библиотеке SciPy свободно распространяемого языка программирования Python, поэтому на этом языке разрабатывалась расчетная программа для решения поставленной задачи. В работе рассмотрены алгоритм и структура разработанной программы, а также порядок подготовки исходных данных и процесс вычислений на примере конкретной конденсационной электростанции. Упоминаются модули, используемые в программе для заполнения массивов данных, а также для вывода результатов в виде качественных графиков.
С помощью программы построена диаграмма оптимального перераспределения мощностей между энергоблоками для любой суммарной мощности рассматриваемой электростанции. Также для всего диапазона мощностей электростанции вычислен расход условного топлива и экономия топлива при реализации оптимального перераспределения мощностей по сравнению с равномерным распределением.
Полученный программный продукт, доступный всем желающим на сайте авторов статьи, позволяет не только изучать практическое применение метода дифференциальной эволюции, но также создавать на его основе программы для решения прочих задач оптимизации, некоторые из которых упомянуты в статье.
Известия МГТУ “МАМИ“. 2021;15(2):18-25
18-25
Исследование комбинированного привода автопоезда
Аннотация
В данной статье описывается назначение, области применения, основные параметры большегрузных автопоездов для перевозки грузов специального и общехозяйственного назначения. Рассмотрены большегрузные автопоезда с ведущими колесами прицепных звеньев. Показаны преимущества применения большегрузных автопоездов по сравнению с одиночными грузовыми автомобилями. Рассмотрены дополнительные источники энергии к штатному двигателю (дизельный или газотурбинный двигатель для привода трехфазного генератора), предназначенные для преодоления крутых подъемов и труднопроходимых участков дороги. Проведен анализ поворота автопоезда. Показаны преимущества кольцевой схемы и параллельной с индивидуальным управлением. Произведен анализ сил тяги по колесам и разброс потерь при повороте автопоезда в многодвигательном приводе. Представлены тяго-динамические свойства автопоездов, которые характеризуют предельные силовые и кинематические возможности автопоездов в различных режимах движения. Выполнен поиск рационального распределения токов в зависимости от сил, действующих на колесах и потерь в шинах. Проведено исследование поворота транспортного средства, вычислены значения токов, величина разброса токов и их влияние на КПД. Определены экономические характеристики автопоездов. Разработана методика и алгоритмы расчета потерь и КПД. Представлен алгоритм расчета при равенстве токов. Проведены расчеты КПД на различных скоростях и радиусах поворота при движении автопоезда. Произведен анализ КПД при равенстве токов и мощностей при изменении скорости движения. Предложены различные конструкторско-технологические мероприятия для повышения технических характеристик автопоезда.
Известия МГТУ “МАМИ“. 2021;15(2):26-35
26-35
Исследование составляющих сопротивления повороту гусеничной машины на плотном опорном основании
Аннотация
Целью исследования, выполненного в статье, является повышение степени полноты и достоверности подходов к определению составляющих сопротивления повороту гусеничной машины, а также создание пригодной для практических расчетов методики их оценки. В статье анализируются две составляющие момента сопротивления повороту гусеничной машины, которые можно выделить, если рассматривать взаимодействие гусеницы с опорным основанием через отдельные пятна контакта (активные участки гусениц, находящиеся под опорными катками). Первая составляющая возникает из-за линейного перемещения активных участков гусениц. Вторая вызвана вращательным движением пятна контакта относительно вертикальной оси. В работе приведена математическая модель взаимодействия движителя и плотного опорного основания, позволяющая изучить зависимость составляющих момента сопротивления повороту от геометрических параметров ходовой части гусеничной машины. Сила горизонтальной реакции в данном случае представлена в виде зависимости от коэффициента буксования. Также обеспечена возможность реализации различных сцепных качеств движителя в продольном и поперечном направлении скольжения. Модель предполагает предварительное разбиение пятна контакта на конечное число элементарных площадок. Так как количество элементарных площадок оказывает влияние на результат, то в статье проведено исследование по определению минимального количества площадок для обеспечения приемлемой точности. Был проведен анализ имеющихся в литературе выражений для определения указанной составляющей сопротивления повороту. Также предложены новые эмпирические зависимости, лучше согласующиеся с математической моделью. Исследование нескольких существующих гусеничных машин, отличающихся массой и размером опорной поверхности трака позволило сделать вывод о целесообразности учета момента сопротивления повороту пятна контакта для различных типов гусеничных машин.
Известия МГТУ “МАМИ“. 2021;15(2):51-62
51-62
Выбор характеристик системы подрессоривания быстроходного гусеничного робота
Аннотация
В настоящее время стремительно развивается область машиностроения, включающая создание роботизированных быстроходных машин. Проектирование систем подрессоривания таких машин должно сопровождаться выполнением определенных требований, которые в настоящее время не сформулированы. Учитывая, что в корпусе быстроходного робота нет человека, применение требований к подвескам экипажных машин не является обоснованным. С целью выработки рекомендаций по выбору характеристик систем подрессоривания быстроходных гусеничных роботов определяются объекты исследования, масса которых находится в диапазоне от 1000 до 10000 кг. Для объектов массой менее 1000 кг система подрессоривания не требуется. Объекты массой более 10000 кг будут создаваться на базе существующих серийных машин. В основе проводимого исследования учитывается положение о том, что к рассматриваемому классу машин не предъявлено ограничений по диапазону собственных частот колебаний корпуса. Учитывая, что для быстроходных гусеничных роботов сохраняется одно из основных требований - обеспечение высокой средней скорости, предлагается увеличить жесткость подвески с целью исключения резонанса из диапазона возможных скоростей движения. С использованием принятых положений проводится исследование системы подрессоривания повышенной жесткости. Моделируется движение по трассам гармонического профиля в резонансном режиме и разбитой грунтовой дороге. Результаты исследования показывают, что характеристики системы подрессоривания, выбранные по предложенной методике, позволяют двигаться по трассе гармонического профиля в резонансном режиме без пробоев подвески. Скорость движения по трассе с разбитой грунтовой дорогой ограничена значением, превышение которого приводит к значительным колебаниям корпуса и росту нагрузки на элементы системы подрессоривания. Отсутствие пробоев обусловливает снижение нагруженности подвески, что позволяет уменьшить массу ее элементов.
Известия МГТУ “МАМИ“. 2021;15(2):63-70
63-70
Оптимизация переходных процессов следящего пневматического привода с учетом модели трения с эффектом Штрибека
Аннотация
Целью работы является выбор оптимальных значений параметров цифрового ПИД-регулятора для устранения в системах автоколебаний, а также оптимизация вида переходных процессов следящего пневматического привода. Причиной исследования послужила проблема возникновения автоколебаний в пневматических системах при применении моделей трения наиболее приближенных к реальности. Научная новизна статьи состоит в создании компьютерной модели и применении методов оптимизации для улучшения качества переходных процессов пневматического следящего привода с учётом модели трения Штрибека. Авторами статьи выполнена оптимизация переходных процессов следящего пневматического привода с учетом выбранной модели трения. В ходе работы при помощи компьютерного моделирования подобраны оптимальные параметры ПИД-регулятора, устранена неустойчивость системы. Для оптимизации работы системы был выбран метод градиентного спуска. Произведена оценка показателей качества переходных процессов до и после оптимизации. По результатам моделирования системы следящего пневматического привода можно сделать вывод о возможности применения метода градиентного спуска для определения параметров ПИД-регулятора. Произведён переход от аналоговой (непрерывной) системы к цифровой (дискретной), для осуществления которого необходимо определить период дискретизации. В статье указаны основные методы определения периода дискретизации и приведены недостатки этих методов. Анализ результатов показывает, что методы, описанные в статье, следует применять лишь для первого приближения, а значение указанной величины должно выбираться из расчёта минимальной погрешности между аналоговой (непрерывной) и цифровой (дискретной) системой. Погрешность менее 1% позволяет осуществить выбор программируемого логического контроллера. Тема статьи является актуальной для научного исследования и включает предоставление практических рекомендаций по определению параметров цифрового ПИД-регулятора и подбору контроллера специалистам, кто занимается проектированием систем, в состав которых включен следящий пневматический привод.
Известия МГТУ “МАМИ“. 2021;15(2):71-80
71-80
Исследование систем подрессоривания опытных танков СССР второй половины 20 века
Аннотация
Современные пневмогидравлические системы подрессоривания быстроходных гусеничных машин имеют достаточно типовые варианты кинематических схем, подразумевающие установку упруго-демпфирующего элемента непосредственно на подрессоренном корпусе (внутри или снаружи). Такое решение конструктивно сравнительно простое, и подразумевается, что оно позволяет снизить величины неподрессоренных масс. Другие варианты, с размещением упругих и демпфирующих элементов внутри направляющих элементов (балансиров), не «прижились» ввиду большей конструктивной сложности как самого упругого или демпфирующего элемента, так и направляющего элемента подвески. Кроме конструктивной сложности реализации, такое решение увеличивает величины неподрессоренных масс и, самое главное, осложняет организацию системы охлаждения. Выступающие элементы ходовой части при движении забиваются грунтом, снегом (грязью, которые действуют как теплоизолятор. Тем не менее, при современных технологических возможностях эти сложности могут быть в известной степени преодолены полностью или частично. Однако, несмотря на указанные выше недостатки, это решение имеет и важные преимущества: подвеска не занимает место в забронированном объеме, а полностью находится внутри гусеничного обвода, что позволяет использовать объем корпуса более эффективно, а, кроме того, обеспечить максимально удачную конструкцию днища для защиты от минного подрыва (в случае с тяжелым танком «Объект 279» это позволило также существенно повысить проходимость). В настоящей статье представлен обзор советских опытных образцов тяжелых и ракетных танков, система подрессоривания которых была реализована в направляющем элементе. В статье представлен также метод определения силовой и кинематической передаточных функций для этих вариантов подвесок, проведен анализ конструктивных реализаций и показано, что характеристики упругих элементов опытных машин удовлетворяют современным требованиям к подвескам быстроходных гусеничных машин.
Известия МГТУ “МАМИ“. 2021;15(2):81-92
81-92
Алгоритм работы антиблокировочной системы для двухосных автомобилей с одной ведущей осью с адаптивным перераспределением тормозных усилий
Аннотация
Главным предназначением систем активной безопасности автомобиля является предотвращение аварийной ситуации. При возникновении такой ситуации система самостоятельно (без участия водителя) оценивает вероятную опасность и при необходимости предотвращает ее путем активного вмешательства в процесс управления автомобилем.
Одним из способов повышения активной безопасности автомобилей при торможении является использование антиблокировочных систем (АБС). Основными проблемами в обеспечении работы АБС, построенных на разных принципах управления и с разными параметрами управления, являются невозможность прямого определения скорости автомобиля и, как следствие, коэффициента буксования, а также невозможность эффективно реагировать на изменяемые дорожные условия в процессе торможения. Например, при торможении на скользкой опорной поверхности и попытке объехать находящееся впереди препятствие существует опасность потери сцепления колес с дорогой и возникновения заноса. Разработанные в настоящее время алгоритмы работы АБС не обеспечивают предотвращение возникновения и развития заноса в указанных выше условиях.
Целью работы является повышение устойчивости и управляемости двухосных автомобилей с одной ведущей осью при торможении за счет адаптивного перераспределения тормозных усилий на колесах. Предложен алгоритм работы антиблокировочной системы с адаптивным перераспределением тормозных усилий на колесах автомобиля. Благодаря данному алгоритму, при торможении на скользкой опорной поверхности двухосного автомобиля с одной ведущей осью обеспечивается не только отсутствие блокировки колес, но и противодействие заносу. Методами имитационного моделирования доказаны работоспособность и эффективность предложенного алгоритма при торможении двухосного автомобиля с одной ведущей осью на скользкой опорной поверхности.
Известия МГТУ “МАМИ“. 2021;15(2):93-100
93-100
К вопросу повышения эффективности систем нейтрализации оксидов азота в дизельных ДВС
Аннотация
Самым эффективным методом снижения оксидов азота в ОГ дизелей является селективная очистка методом SCR-NH3. Метод использует аммиак, выделяемый в процессе термолиза и гидролиза раствора мочевины при ее впрыскивании через форсунку в нейтрализатор. Этот метод имеет сравнительно невысокую эффективность очистки ОГ от оксидов азота. Основным фактором, препятствующим достижению высокой эффективности системы нейтрализации NOx, является недостаточно высокая температура при реализации данного процесса. В статье выполнен анализ различных способов поднятия эффективности процесса нейтрализации и предлагается новый метод нейтрализации NOx за счет применения впрыска мочевины в цилиндры ДВС на такте расширения в дизельном ДВС. Эффективность может быть достигнута за счет более высокой температуры ОГ в цилиндре ДВС и увеличения времени процесса термолиза и гидролиза мочевины. Рассмотрена кинетика разложения оксидов азота, процесс окисления NH3 и расчет температурных условий в цилиндре дизельного ДВС на такте выпуска ОГ. Проанализирован опыт нейтрализации NOx , содержащихся в дымовых газах тепловых станций, где очистка от NOx протекает при высоких температурах без использования катализатора. Показано, что модернизация процесса SCR-NH3 за счет впрыска мочевины на такте выпуска ОГ в дизельном ДВС позволит упростить существующий метод нейтрализации NOx и получить при этом дополнительные преимущества для современного высокофорсированного двигателя.
Известия МГТУ “МАМИ“. 2021;15(2):101-112
101-112