2018 год, №4

Содержание выпуска
О задаче гашения поперечных колебаний продольно движущейся струны
Муравей Леонид Андреевич, Петров Виктор Михайлович, Романенков Александр Михайлович
Стр. 472 — 485
Введение. Рассматриваемая задача гашения поперечных колебаний продольно движущейся струны актуальна для производственных процессов, связанных с продольным движением материалов (например, бумажного полотна). Для данных процессов крайне нежелательными являются поперечные возмущения, которые в вертикальном сечении описываются гиперболическим уравнением продольно движущейся струны. Вследствие этого возникает задача гашения колебаний за конечное время. Материалы и методы. Для решения задачи гашения колебаний в статье производится ее сведение к тригонометрической проблеме моментов на произвольном временном отрезке. При рассмотрении движущихся материалов построение базисных систем, образующих проблему моментов, является отдельной задачей, поскольку гиперболическое уравнение содержит смешанную производную (кориолисово ускорение). По этой причине в данном случае неприменим классический метод разделения переменных. Вместо него был использован новый метод нахождения автомодельных решений нестационарных уравнений, что позволяет найти базисные системы в явном виде. Результаты исследования. В случае с бумажным полотном находится минимальный во всем классе допустимых возмущений временной отрезок, на котором образующая проблему моментов тригонометрическая система является базисом Рисса. Это позволяет с использованием сопряженной ей системы найти соответствующее минимальному времени гашения колебаний оптимальное управление (в виде ряда) и построить так называемый оптимальный демпфер. Обсуждение и заключение. В результате исследования было построено обобщенное решение задачи гашения поперечных колебаний. Получено точное время гашения, а именно такое время T0, при котором полная энергия системы равна нулю. Найдено оптимальное управление в виде ряда Фурье.
Параметризация задачи Коши для нелинейных дифференциальных уравнений с контрастными структурами
Кузнецов Евгений Борисович, Леонов Сергей Сергеевич, Цапко Екатерина Дмитриевна
Стр. 486 — 510
Введение. В статье приводятся результаты анализа численных методов решения задачи Коши для нелинейных обыкновенных дифференциальных уравнений с контрастными структурами (внутренними слоями). Подобные уравнения моделируют различные прикладные задачи гидроаэромеханики, химической кинетики, теории каталитических реакций и т. д. Получить аналитическое решение этих задач удается редко, а их численное решение сопряжено со значительными трудностями, связанными с плохой обусловленностью в окрестности пограничных и внутренних слоев. Целью статьи является анализ области применения традиционных численных методов к решению задач данного класса и апробация альтернативных методов решения. Материалы и методы. Для численного решения задачи Коши используются традиционные явные методы Эйлера и Рунге-Кутты четвертого порядка точности, а также неявный метод Эйлера с постоянным и переменным шагом. В качестве альтернативы предложено использовать метод продолжения решения по наилучшему аргументу, который заключается в замене исходного аргумента задачи на новый, отсчитываемый вдоль интегральной кривой задачи. Переход к наилучшему аргументу позволяет получить наилучшим образом обусловленную задачу Коши. Результаты исследования. На примере решения тестовой задачи показаны вычислительные затруднения, возникающие при решении уравнений с контрастными структурами традиционными явными и неявными методами. Они выражаются в значительном уменьшении шага интегрирования в окрестности пограничных слоев, что приводит к увеличению времени счета и усложнению процесса решения сверхжестких задач. Достоверность полученных результатов подтверждается сопоставлением с аналитическим решением и известными работами других авторов. Обсуждение и заключение. Результаты вычислительного эксперимента демонстрируют применимость традиционных методов решения задачи Коши к уравнениям с контрастными структурами лишь при малой жесткости, в остальных случаях данные методы малоэффективны. Показано, что метод продолжения решения по наилучшему аргументу позволяет снять большинство недостатков, присущих непреобразованной задаче. Это отражается в снижении времени счета и увеличении точности полученного решения.
Проектно-операционное управление в машиностроительном производстве
Цырков Александр Владимирович, Кузнецов Павел Михайлович, Цырков Георгий Александрович, Ермохин Егор Алексеевич, Москвин Валерий Константинович
Стр. 511 — 522
Введение. Целью статьи является разработка основных положений проектно-операционного управления на предприятиях машиностроительного производства. Материалы и методы. Проведенный авторами обзор научных работ, посвященных проектно-операционному управлению машиностроительным производством в автоматизированном режиме, свидетельствует о сложности его внедрения из-за большого количества факторов, которые необходимо учитывать. На основании этого был разработан подход, позволяющий решить поставленную задачу посредством автоматизации процессов анализа и принятия решения при управлении производством. Результаты исследования. В данной статье установлены основные положения проектно-операционного управления, направленного на повышение производительности и снижение себестоимости выпускаемой продукции на основе моделирования состояния производственной среды. Определены требования, в соответствии с которыми разработана прогностическая модель состояния производственной системы предприятия во времени. Обсуждение и заключение. Задачи, решенные в данной статье, позволяют повысить уровень автоматизации процессов проектно-операционного управления предприятием в условиях быстросменного производства. Реализация разработанного подхода к проектно-операционному управлению предприятием позволяет упорядочить запуск изделий в производство при снижении объемов незавершенного производства и повысить производительность выпуска продукции.
Разработка автоматической системы распределенного обогащения воздушного заряда тракторного дизеля
Рыблов Михаил Владимирович, Уханов Денис Александрович, Уханов Александр Петрович
Стр. 523 — 536
Введение. Исследования, посвященные интенсификации рабочего процесса транспортных дизелей путем обогащения воздушного заряда определенной дозой (10-20 %) углеводородного активатора (спирт, бензин, керосин, биотопливо и др.), являются актуальной и практически значимой проблемой. Несмотря на эффективность, данный способ не нашел массового применения в технике, так как известные механические устройства для обогащения воздушного заряда не обеспечивают точную дозировку и своевременную подачу активатора в дизель в различных режимах его работы. Материалы и методы. Решением данной проблемы является разработка автоматической системы распределенного обогащения воздушного заряда, осуществляющей впрыск активатора в ветви впускного трубопровода дизеля с помощью электромагнитных форсунок, управляемых электронным блоком. Такая система должна обеспечивать работу форсунок по алгоритму, соответствующему порядку работы цилиндров дизеля, а также вычислять продолжительность впрыска, соответствующую заданной дозе активатора. Для программирования электронного блока управления теоретически рассчитана продолжительность впрыска определенной дозы активатора и обоснован алгоритм работы электромагнитных форсунок (на примере тракторного дизеля Д-243). Результаты исследования. Установлено, что при распределенном обогащении воздушного заряда в зависимости от дозы активатора и нагрузочно-скоростного режима работы дизеля массовая цикловая подача активатора может составлять от 1 мг/цикл до 13 мг/цикл, а продолжительность впрыска активатора - от 0,27 мс до 3,5 мс. Для практической реализации способа распределенного обогащения воздушного заряда применительно к дизелю Д-243 трактора МТЗ-82.1 разработана автоматическая си-стема, содержащая бак для активатора, фильтр, электрический насос, рампу, регулятор давления, электромагнитные форсунки, электронный блок управления, датчик расхода топлива, датчик фаз и частоты вращения коленчатого вала. Обсуждение и заключение. Разработанная, изготовленная и испытанная система решает проблему практической реализации автоматического обогащения воздушного заряда активатором в такте впуска и способствует улучшению мощностных, топливно-экономических и экологических показателей транспортных дизелей.
Моделирование напряженно-деформированного состояния в ресурсолимитирующем соединении объемного гидропривода
Ионов Павел Александрович, Сенин Петр Васильевич, Столяров Алексей Владимирович
Стр. 537 — 551
Введение. Статья посвящена исследованию напряженно-деформированного состояния распределительной пары агрегатов объемного гидропривода и поиску путей повышения его долговечности. Материалы и методы. В процессе исследования были использованы общепринятые положения теорий трения, надежности, упругости, механизмов и машин, математического моделирования. Для моделирования напряженно-деформированного состояния была использована система инженерного анализа ANSYS. В качестве объектов исследования выбраны распределительные пары гидронасосов 313.3.112, ГСТ-112 и Sauer Danfoss 90R075. Результаты исследования. Получены значения действительных контактных напряжений и длительно действующей эксплуатационной нагрузки в распределительных парах агрегатов объемного гидропривода: для гидронасоса 313.3.112 - 26,93 МПа; для гидронасоса ГСТ-112 - 22,21 МПа; для гидронасоса Sauer Danfoss 90R075 - 27,12 МПа. Установлено, что наибольшим нагрузкам подвержена область, расположенная со стороны нагнетания. Это является причиной одностороннего износа сферических поверхностей, довольно часто встречающегося у снятых с эксплуатации агрегатов. Значения контактных напряжений в соединениях, упрочненных методом электроискровой обработки, в среднем на 1,4-9,4 % ниже, чем в неупрочненных. В процессе электроискровой обработки идет перераспределение напряжений по поверхности, что приводит к снижению эксплуатационной нагрузки в соединениях. Обсуждение и заключение. Проведенное исследование позволило смоделировать напряженно-деформированное состояние в новых и упрочненных распределительных парах агрегатов объемного гидропривода в эксплуатационных условиях, а также предложить пути повышения его долговечности. Установлено, что для повышения износостойкости ресурсолимитирующего соединения и, как следствие, долговечности агрегатов объемного гидропривода необходимо обеспечить в распределительных парах максимальную удельную нагрузку бóльшую, чем максимальная длительно действующая эксплуатационная нагрузка. Для решения данной задачи предложено создавать покрытия с высокими триботехническими свойствами методом электроискровой обработки.
Установка для обработки деталей со сложным профилем рабочей поверхности
Скрябин Владимир Александрович
Стр. 552 — 561
Введение. В статье приводятся новые конструкторские решения, используемые при проектировании оборудования для финишной обработки деталей со сложным профилем рабочей поверхности. Данные решения позволяют осуществлять планетарное вращение детали при малом межосевом расстоянии оправки с обрабатываемой деталью и шпинделем установки, что способствует повышению качества обработки рабочих поверхностей детали и снижению энергетических затрат. Материалы и методы. Недостатками ранее применявшихся устройств для финишной обработки деталей сложного профиля являются увеличенное потребление энергии, а также достаточно большое межосевое расстояние между деталью и шпинделем установки, что снижает качество обработки поверхностей и уменьшает номенклатуру деталей по массовым и габаритным характеристикам. В этом случае необходимо применение новых решений по изменению конструкции установки. За счет конструктивных наработок уменьшено межосевое расстояние между деталью и шпинделем установки, что способствует уменьшению вибраций, улучшению качества обработки поверхностей и увеличению номенклатуры изделий. Результаты исследования. Правильность принятых решений подтверждается проведенными расчетами по снижению сопротивления абразивной среды, воздействующей на поверхности лопаток колеса турбокомпрессора дизеля. Также проведены расчеты детали на прогиб с использованием программы продукта Solid Works 2016. Расчеты показали достаточную надежность установки при обработке деталей средних и крупных размеров по сравнению с базовым вариантом установки, ранее изготовленной Пензенским государственным университетом для АО «Пензадизельмаш». Обсуждение и заключение. Выполненные расчеты позволили установить, что сокращение межосевого расстояния снижает прогиб и вибрации в процессе финишной обработки деталей, а также позволяет с меньшими энергозатратами стабилизировать качество и производительность процесса обработки поверхностей сложного профиля. Разработана и изготовлена новая конструкция установки, позволяющая обеспечить планетарное вращение детали при малом межосевом расстоянии оправки с деталью и шпинделем устройства.
Ресурс подвижных уплотнительных соединений с кольцами круглого сечения
Кузнецов Вячеслав Викторович
Стр. 562 — 582
Введение. В настоящее время проблема надежности уплотнительных соединений гидроприводов остается нерешенной, однако современный уровень развития инструментов компьютерного моделирования позволяет эффективно решать задачи в области определения их долговечности за счет замены трудоемких экспериментов высокопроизводительными вычислениями. В данной статье представлены результаты апробации авторской методики, реализующей численные подходы по определению ресурса уплотнительных соединений на базе уплотнителя круглого сечения гидроусилителя руля тракторов семейства МТЗ. Материалы и методы. Определение ресурса подвижных уплотнительных соединений выполнено на основе авторской методики, в рамках которой в программе ANSYS реализуется серия циклов ускоренного нагружения, моделирующая реальные условия эксплуатации. Разработанные модели в комплексе учитывают процессы изнашивания, релаксации и гидродинамического воздействия, развивающиеся в уплотнительном соединении. Результаты исследования. Применение инструментов конечно-элементного моделирования позволило определить изменение напряженно-деформированного состояния уплотнителя гидроусилителя руля тракторов семейства МТЗ в процессе эксплуатации. Выявлен механизм восстановления герметичности соединения на основе эффекта самоуплотнения. Сравнение форм сечений, полученных в результате численного и микрометражного исследований, подтверждает эффективность предложенной методики и адекватность полученных результатов. Анализ полученных графиков показывает, что при нормальных условиях эксплуатации ресурс уплотнительного соединения «цилиндр - поршень» и «шток - крышка» составляет 2 и 1,12 года соответственно, а при увеличении температуры и давления гидравлической жидкости экспоненциально убывает. Обсуждение и заключение. Результаты работы показывают высокую эффективность авторской методики и могут быть использованы в исследованиях по определению ресурса и критериев потери герметичности уплотнительных соединений. Графики зависимости ресурса уплотнительных соединений от температуры и гидравлического давления позволяют компаниям, специализирующимся на создании и ремонте гидроприводов, разработать графики планово-предупредительных мероприятий по их обслуживанию с учетом комплекса эксплуатационных факторов.
Оценка влияния ультразвуковой обработки моторного масла на износ пар трения при длительных износных испытаниях
Симдянкин Аркадий Анатольевич, Давыдкин Александр Михайлович, Слюсарев Михаил Николаевич, Земсков Александр Михайлович
Стр. 583 — 602
Введение. В настоящее время отсутствует комплексная информация о влиянии параметров ультразвука на свойства обрабатываемых смазочных масел и износные характеристики пар трения. Статья посвящена исследованию изменений физических характеристик масла при его обработке ультразвуком и оценке их влияния на износ пары трения «ролик - колодка» при длительных испытаниях. Актуальность исследования состоит в том, что простым способом воздействия на смазочное масло ультразвуковыми колебаниями с оптимальной частотой и мощностью может быть достигнуто уменьшение износа сопряжений механизмов и машин. Материалы и методы. Для оценки изменения коэффициента поверхностного натяжения моторного масла при обработке ультразвуком были использованы генератор с переменными параметрами сигнала, весы рычажные, бюретка, термометр спиртовой. Длительные триботехнические испытания проведены на машине трения 2070 СМТ-1М по схеме «ролик - колодка». Масса данных образцов после длительных испытаний определялась взвешиванием на аналитических весах фирмы Sartorius с точностью измерения 0,00001 г. Использовался также профилограф-профилометр фирмы Taylor Hobson. Результаты исследования. Определены оптимальная частота и мощность ультра-звука при обработке смазочного масла. Уменьшение коэффициента поверхностного натяжения масла составило более 5 %. При длительных износных испытаниях было зафиксировано снижение показателя фактора износа на 28 %. Обсуждение и заключение. Эффект повышения износостойкости пар трения при воздействии на масло ультразвуком связан со снижением коэффициента его поверхностного натяжения, что позволяет маслу с наименьшими усилиями распределяться по поверхностям, образуя пленку достаточной толщины, повышающую несущую способность трущихся поверхностей. Практическая значимость работы обусловлена простотой реализации устройства для ультразвуковой обработки смазочных масел непосредственно в системе смазки оборудования. Перспективы предлагаемого решения состоят в повышении долговечности оборудования и машин при использовании рекомендуемых смазочных масел с оптимизацией параметров и режимов устройства согласно конкретным требованиям, условиям и стандартам.
Совершенствование технологии подготовки зерна к помолу на малых предприятиях
Анисимов Александр Владимирович, Рудик Феликс Яковлевич, Загородских Борис Павлович
Стр. 603 — 623
Введение. На малых предприятиях с упрощенным технологическим процессом сортового помола подготовительные операции, включающие в себя очистку, шелушение и увлажнение зерна, играют существенную роль в обеспечении высокого качества сортовой муки. Современное оборудование для мельниц малой производительности предполагает лишь сухую очистку зерна в обоечной машине с последующим его холодным кондиционированием. Использование оборудования, предназначенного для сортового помола с тщательной неоднократной очисткой, мойкой и гидротермической обработкой, не представляется возможным, так как это существенно повышает себестоимость муки. Целью статьи является повышение качественных и количественных показателей сортовой муки, получаемой на малых предприятиях за счет шелушения и подсушивания зерна перед помолом. Материалы и методы. Исследования качества обработки зерна по таким показателям, как зольность (белизна), влажность, количество битых зерен проведены по ГОСТам РФ, а также установленным в науке и практике методам. Степень шелушения определена по показателю белизны с помощью фотоэлектрического белизномера СКИБ-М (ГОСТ 26361-2013 «Мука. Метод определения белизны»), влажность зерна - по ГОСТ 13586.5-2015 с использованием сушильного шкафа СЭШ-3М, количество битых зерен - по ГОСТ 30483-97. Результаты исследования. В результате проведенного исследования было установлено, что эффективность обработки зерна в настоящее время зависит от использованных технических средств. На этом основании разработана комбинированная шелушильно-сушильная машина. Исследованы и установлены рациональные режимы обработки зерна, позволяющие повысить белизну получаемой муки в среднем на 4-7 условных единиц белизномера РЗ-БПЛ: производительность машины Q = 700 кг/ч; время обработки зерна t = 72 с; оптимальная влажность (с точки зрения белизны получаемой муки) поступающего на размол зерна W = 14 %; мощность излучателей P = 1 000 Вт. Обсуждение и заключение. Теоретические исследования показывают, что шелушение зерна является одним из самых эффективных способов повышения сортности конечной продукции малых предприятий по переработке зерна с упрощенными технологическими схемами. Эффективность шелушения зерна пшеницы с влажностью выше 16 % снижается; данное обстоятельство говорит о целесообразности его подсушивания. Авторами статьи предложено оборудование и технология для обработки зерна перед сортовым помолом, обеспечивающие шелушение зерна и, в случае необходимости, его подсушивание. Определены режимные параметры шелушильно-сушильной машины для подготовки зерна к помолу. Разработанная технология позволяет в случае необходимости подсушивать переувлажненное зерно до необходимых кондиций, что дает возможность получить муку высокого качества из зерна, при гидротермической обработке которого был нарушен влажностный режим. Производительность машины в режиме подсушивания следует связать с мощностью микроволнового инфракрасного излучения, а его время и мощность должны ограничиваться максимально допустимой температурой нагрева зерна, не превышающей 60 ºС.
Автоматизированный агрегат для магнитно-импульсной обработки растений в садоводстве
Смирнов Игорь Геннадьевич, Хорт Дмитрий Олегович, Филиппов Ростислав Александрович, Кутырёв Алексей Игоревич, Артюшин Анатолий Алексеевич
Стр. 624 — 642
Введение. Современный уровень сельскохозяйственного производства, в том числе садоводства, определяется интеллектуальными машинными технологиями и техническими средствами нового поколения с современным информационным и приборным обеспечением. Для реализации цифровых интеллектуальных агротехнологий в промышленном садоводстве требуется кардинальное изменение парадигмы технического обеспечения, основанное на разработке и применении новых автоматических и беспилотных машин, оборудования и программного обеспечения для управления рабочими процессами машин, навигации технических средств, контроля за выполнением технологических операций, мониторинга урожайности сельскохозяйственных культур, анализа развития болезней и вредителей на растениях и других технологических функций. Материалы и методы. В системе автоматизированного проектирования «КОМПАС-3D» с использованием метода математического моделирования, теоретической механики и оптимального проектирования визуализирована 3D-модель, а также изготовлен опытный образец автоматизированного агрегата для магнитно-импульсной обработки растений. Программный код расчета требуемого перемещения штока актуатора разработан в текстовом редакторе Sublime Text. Использован язык программирования C++. Функциональные возможности программы для электронно-вычислительных машин связаны с возможностями контроллеров STM32, Arduino Mega/Uno/Nano. Для вывода графической информации и взаимодействия с ней использован экран TFT 320x240, Nextion 2.4. Результаты исследования. В результате проведенных лабораторных исследований разработан автоматизированный агрегат и алгоритм системы управления приводом рабочих органов в ходе магнитно-импульсной обработки растений с учетом агротехнологических параметров садовых насаждений. Для управления рабочими органами автоматизированного агрегата разработана компьютерная программа, обеспечивающая управление как в автоматическом режиме, так и дистанционно. Обсуждение и заключение. Созданный агрегат позволяет внедрить новый экологически безопасный технологический прием стимуляции жизненных и ростовых процессов плодовых культур и повысить точность выполнения операции за счет автоматической подстройки к различным агротехнологическим параметрам насаждений, обеспечивая требуемое значение магнитной индукции в рабочей зоне на растительных объектах в полевых условиях.