1462

5.Кириллова А.Г. Методология организации контейнерных и контрейлерных перевозок в мультимодальных автомобильно-железно- дорожных сообщениях: дис. … д-ра техн. наук. – М., 2010. – 360 с.

6.Короткова Е.Н. Оптимизация функционирования транспортного процесса в цепи поставок: дис. ... канд. техн. наук. – М., 2010. – 132 с.

7.Покровская, О.Д. Формирование терминальной сети региона для организации перевозок грузов: дис. ... канд. техн. наук. – Екатеринбург, 2011. – 145 с.

Об авторах

Альметова Злата Викторовна (Челябинск, Россия) – кандидат технических наук, старший преподаватель кафедры «Эксплуатация автомобильного транспорта», Южно-Уральский государственный университет (ЮУрГУ) (НИУ) (454080, г. Челябинск, пр. Ленина, 76; е-mail: zlata.almetova@yandex.ru).

Ларин Олег Николаевич (Челябинск, Россия) – доктор технических наук, профессор кафедры «Эксплуатация автомобильного транспорта», Южно-Уральский государственный университет (ЮУрГУ) (НИУ) (454080, г. Челябинск, пр. Ленина, 76; е-mail: larin_on@mail.ru).

21

УДК 534:16 : 539.43 : 621.01

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДИНАМИЧЕСКИХ И ПРОЧНОСТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ТРАНСПОРТНОГО ОБОРУДОВАНИЯ

М.Г. Бояршинов, А.А. Скутин

Пермский национальный исследовательский политехнический университет, Россия

Рассмотрена возможность применения вычислительного моделирования для определения собственных частот и исследования напряженнодеформированного состояния элементов электрического двигателя. Выполнена верификация результатов компьютерного моделирования динамических и прочностных характеристик с использованием данных натурных испытаний. Проведенный анализ показал, что исследуемый двигатель по динамическим характеристикам соответствует нормативным требованиям.

Ключевые слова: электрический двигатель, вычислительный эксперимент, собственные частоты, напряженно-деформированное состояние.

В состав электроэнергетической системы морских и речных судов входят электроприводы – устройства для приведения судовых механизмов во вращение и иные виды движения: движители, рулевые устройства, лебедки, якорно-швартовые механизмы, насосы, вентиляторы и проч. В настоящее время разрабатываются и внедряются новые системы судового электропривода, в частности асинхронные двигатели. Приобретение, техническое обслуживание, расходы на эксплуатацию и обслуживание оборудования, необходимого для проведения регламентированных ГОСТ и ТУ механических испытаний, как и непосредственное проведение таких испытаний в сторонних организациях, требует от предприятия, производящего двигатели для морских и речных судов, значительных материальных, организационных и финансовых расходов.

Согласно ГОСТ 16962.2–90 «Методы испытаний на стойкость к механическим внешним воздействующим факторам» допускается наряду с механическими испытаниями оценивать изделия расчетным или расчетно-экспериментальным методами. Компьютерное моделирование статических и динамических характеристик машин, приборов и аппаратуры, их элементов и деталей является наиболее целесообразным способом анализа напряженно-деформированного состояния, мгновенной

22

и длительной прочности, собственных форм и частот колебаний, отклика на ударные и циклические воздействия и прочих механических показателей как механизмов и конструкций в целом, так и их отдельных составляющих.

В настоящее время оценка динамических механических характеристик электродвигателей основана на проведении следующих видов механических испытаний, регламентированных ГОСТ 16962.2–90:

−определение диапазона частот собственных колебаний конструкции с целью проверки механических свойств изделий и получения исходной информации для выбора методов испытаний на вибропрочность, виброустойчивость;

−испытания на прочность при кратковременном и длительном воздействии синусоидальной вибрации для проверки способности изделий противостоять разрушающему действию вибрации и сохранять свои параметры после ее воздействия;

−испытание на ударную устойчивость с целью проверки способности изделий противостоять разрушающему действию одиночных ударов с большими ускорениями и выполнять свои функции после воздействия ударов.

Вычислительное моделирование позволяет заменить перечисленные выше виды механических динамических испытаний конструкций, машин и механизмов проведением следующих вычислительных экспериментов:

−определение спектра частот собственных колебаний электродвигателя для любого заданного диапазона;

−исследование напряженно-деформированного состояния электродвигателя при воздействии кратковременной вибрации (в пределах одного синусоидального цикла) и длительной синусоидальной вибрации для определения показателей длительной прочности электродвигателя;

−исследование напряженно-деформированного состояния электродвигателя при воздействии одиночного удара по заданному закону изменения ускорения.

Для проведения настоящего исследования выбран конечноэлементный программный комплекс ANSYS. Для аппроксимации областей, занимаемых отдельными составляющими двигателя (рисунок), используются пространственные (трехмерные) конечные элементы SOLID186 [1], наиболее часто применяющиеся для решения задач механики деформируемого твердого тела, которые реализуют квадратичную аппроксимацию поля перемещения в пределах занимаемой облас-

23

ти. Конечные элементы указанного типа содержат по двадцать узлов, каждый из которых имеет три степени свободы (перемещения в направлении каждой из координатных осей).

Рис. Геометрическая модель двигателя с использованием 74865 конечных элементов

Характеристики материалов, применяемые для моделирования: плотность пластин статора 6500 кг/м3; плотность остального материала деталей двигателя 7850 кг/м3; масса двигателя в сборе 750 кг; коэффициент Пуассона 0,3; модуль упругости 210 ГПа; предел прочности 460 МПа; предел текучести 250 МПа. Вентилятор, пластины ротора и балансировочные кольца жёстко закреплены на валу и не допускают перемещений относительно друг друга. Ротор в сборе сбалансирован. Вентилятор имеет незначительный дисбаланс относительно продольной оси, который компенсируется дополнительными грузами при проведении динамических балансировочных испытаний.

Сиспользованием модального анализа комплекса ANSYS [2] определены резонансные частоты двигателя в целом и его отдельных элементов. Наименьшая резонансная частота всего двигателя в сборе составила 237 Гц, что значительно выше номинального режима работы 21 Гц и превышает максимальную установленную предприятием изготовителем частоту 60 Гц, а также превышает верхнюю частоту диапазона требований (100 Гц).

Сиспользованием модуля гармонического анализа выполнены вычислительные работы по исследованию длительной прочности элек-

24

тродвигателя для границ октав регламентированного диапазона (Гц): 10, 20, 40, 80, 160 Гц. Наибольшее эквивалентное напряжение (по Мизесу) за единичный вибрационный цикл в заднем щите достигает величины 26,06 МПа при испытании на частоте 160 Гц и амплитуде ускорения 30 м/с2. Количество циклов до разрушения, соответствующее указанному эквивалентному напряжению, составит не менее 107, что соответствует числу циклов, выполненных при проведении натурных виброиспытаний. Следует ожидать, что рассмотренную вибрационную нагрузку элементы двигателя выдержат без разрушения.

Модуль динамического анализа [2] позволил выполнить исследование ударной прочности при нанесении одиночных ударов по электродвигателю вдоль каждой из координатных осей. Наибольшее эквивалентное напряжение при единичном ударе наблюдается в вентиляторе и составляет 191,05 МПа, что ниже предела текучести σт = 250 МПа. Рассмотренную ударную нагрузку элементы двигателя выдерживают без разрушения.

Таким образом, обоснована возможность замены динамических механических испытаний электродвигателя вычислительным моделированием с использованием программного комплекса ANSYS.

Список литературы

1.ANSYS Release 10.0: ANSYS Modeling and Meshing Guide: ANSYS, Inc, 2005. – 280 с.

2.Леонтьев Н.В. Применение системы ANSYS к решению задач модального и гармонического анализа. – Н. Новгород, 2006. – 101 с.

Об авторах

Бояршинов Михаил Геннадьевич (Пермь, Россия) – доктор тех-

нических наук, профессор, завкафедрой «Автомобили и технологические машины», Пермский национальный исследовательский политехнический университет (614990, г. Пермь, Комсомольский пр., 29; e-mail: michaelgb@mail.ru).

Скутин Андрей Андреевич (Пермь, Россия) – аспирант кафедры «Динамика и прочность машин», Пермский национальный исследовательский политехнический университет (614990, г. Пермь, Комсомоль-

ский пр., 29; e-mail: skutinandrei@yandex.ru).

25

УДК 621.87.004.67

ВЫБОР РАЦИОНАЛЬНОЙ ПЕРИОДИЧНОСТИ ВОССТАНОВЛЕНИЯ БЫСТРОИЗНАШИВАЮЩИХСЯ ДЕТАЛЕЙ АВТОМОБИЛЕЙ

В.Г. Васильев, С.В. Манн, С.Н. Сушенцев

Пермский военный институт внутренних войск МВД России, Россия

Предложен сравнительный анализ как метод, позволяющий установить периодичность ремонтных работ с учетом их рациональности. Исходными данными являются типовой технологический процесс восстановления и кривая износа. В результате исследования выявлена возможность увеличения межремонтного цикла для быстроизнашивающихся деталей автомобилей.

Ключевые слова: ремонт, наработка, кривая износа, техническое обслуживание, рациональность, анализ, затраты, эксплуатация, ремонтноэксплуатационный цикл.

Периодичность восстановления быстроизнашивающихся деталей не всегда связана с кратностью межремонтных циклов машины в целом [4].

Кривая износа, построенная в координатах «наработка – износ», имеет три участка: приработка, нормальный износ и ускоренный износ

(рис. 1).

Рис. 1. График зависимости износа от наработки

При грамотном планировании ремонта стремятся избежать ускоренного износа. Поэтому оптимальной наработкой считают ту, которая соответствует переходу к участку форсированного износа, начало которого находится в точке, соответствующей наработке Q1 и износу h1. Эта

26

точка характеризуется наименьшим значением угла наклона α касательной, проведенной из начала координат, к горизонтальной оси.

Но если условия работы допускают возможность больших значений предельного износа, т.е. hп > h1, то целесообразность увеличения межремонтного цикла до предельного Qп или какого-то промежуточного значения наработки Q2 (причем Q1 > Q2 > Qп) устанавливается с помощью экономического расчета, который помогает увидеть, в какой степени оправданно удлинение цикла. В итоге получаем, что за счет увеличения цикла сокращается число ремонтов, но стоимость каждого из них увеличивается. При сравнении значений наработки в точке начала форсированного износа Q1 и промежуточного значения Q2 предпочтение будем отдавать тому варианту, при котором затраты на ремонт Cрi при заданной суммарной наработке Q0 за период эксплуатации будут меньше. В нашем случае условие выбора второго варианта выглядит следующим образом:

Изменение затрат на ремонт Cр в зависимости от суммарной наработки за конкретный эксплуатационный период Q для двух вариантов значений межремонтного цикла показано на рис. 2.

Рис. 2. Графики зависимости затрат на ремонт от суммарной наработки для двух вариантов величин межремонтного цикла Q1 и Q2

Получим разность ремонтных затрат в течение рассматриваемого периода с учетом условия (1):

27

где Ср1 и Ср2 – затраты на ремонт для двух рассматриваемых вариантов

межремонтного цикла; n1 и n2 – количество ремонтных циклов, определяемое из соотношений

где Q – суммарная наработка; Qi – величина межремонтного цикла; αi – угол наклона ограничительных линий.

Ввиду того что функции Срi – зависимости затрат на ремонт от

суммарной наработки, изменяются скачкообразно, их разность также имеет ступенчатый характер. Координаты точек, в которых функция ремонтных затрат изменяется скачкообразно, составляют арифметическую прогрессию.

В конечном счете расчет сводится к определению экстремального значения приращения наработки ∆Qэ.

Наименьший наклон ограничительных линий имеет место при ∆Q = ∆Qэ, т.е. наблюдается наибольшая экономия на ремонт при дос-

таточно большой величине наработки, когда можно пренебречь изменением разности в количестве ремонтных работ k на единицу (в реальных условиях не достичь). Поэтому ввиду скачкообразного характера рассматриваемых функций, после нахождения экстремального значения межремонтной наработки ∆Qэ нужно выбрать ближайшее значение

к Q2, которое будет кратно суммарной наработке Q0.

Таким образом, данный аналитический метод позволил разобраться с выбором рациональной периодичности восстановления быстроизнашивающихся деталей автомобилей. В ходе анализа показано, что увеличение межремонтного цикла быстроизнашивающихся деталей автомобилей позволяет уменьшить затраты на ремонт примерно на 15 %. Таким образом, выгоднее продлить ремонтно-эксплуатационный цикл автомобиля на максимально возможный период с возможной экономией на ремонт.

Cписок литературы

1. Полиновский Л.А. Рациональная периодичность восстановления быстроизнашивающихся деталей строительных и путевых машин // Изв. вузов. Строительство. – 2003. – № 3. – С. 111–116.

28

2.Густов Ю.И. Триботехника строительных машин и оборудования: монография. – М.: Изд-во Моск. гос. строит. ун-та, 2011. – 192 с.

3.Основы оценки стоимости машин и оборудования: учебник / А.П. Ковалев, А.А. Кушель [и др.]; под ред. М.А. Федотовой. – М.: Финансы и статистика, 2006. – 288 с.

4.Цимберов Д.М. Вопросы оптимизации процесса управления техническим обслуживанием и ремонтом газоперекачивающих агрегатов // Материалы международной науч.-практ. конф. – Тамбов, 2014. – 104 с.

5.Сопегин Д.В., Ериков А.П. Анализ структурных изменений при функционировании трубопроводного соединения «Раструб» // Модернизация и научные исследования в транспортном комплексе: материалы междунар. науч.-практ. конф. – Пермь: Изд-во Перм. нац. исслед. политехн. ун-та, 2012. – 124 с.

Об авторах

Васильев Вадим Геннадьевич (Пермь, Россия) – старший препо-

даватель кафедры «Эксплуатация автобронетанковой техники», Пермский военный институт внутренних войск МВД России (614108, г. Пермь, ул. Гремячий Лог, 1).

Манн Сергей Владимирович (Пермь, Россия) – преподаватель кафедры «Эксплуатация автобронетанковой техники», Пермский военный институт внутренних войск МВД России (614108, г. Пермь,

ул. Гремячий Лог, 1; e-mail: irinavahrusheva1212@ mail.ru).

Сушенцев Сергей Николаевич (Пермь, Россия) – старший препо-

даватель кафедры «Эксплуатация автобронетанковой техники», Пермский военный институт внутренних войск МВД России (614108, г. Пермь, ул. Гремячий Лог, 1).

29

УДК 624.042.12

УМЕНЬШЕНИЕ СТАТИЧЕСКОЙ И ДИНАМИЧЕСКОЙ НАГРУЖЕННОСТИ МЕТАЛЛОКОНСТРУКЦИЙ ДОРОЖНО-СТРОИТЕЛЬНЫХ МАШИН

С.И. Вахрушев, А.П. Ериков

Пермский военный институт внутренних войск МВД России, Россия

Способ понижения статической и динамической нагруженности металлических строительных машин с гидроприводом основывается на создании в металлоконструкции строительной машины добавочного усилия, противоположного внешней нагрузке и соизмеримого по величине внешнему усилию.

Ключевые слова: система разгрузки, гидропривод, разгружающее усилие, тросовая система.

Предлагается один из методов уменьшения нагруженности – применение систем разгрузки. Метод основан на создании усилия, противоположного по векторному направлению внешней нагрузке, значение которого будет пропорционально внешней нагрузке. В итоге нагрузки, создающие изгиб конструкции, переводятся в сжимающие и заставляют работать всю площадь поперечного сечения металлоконструкции. Кроме того, внешние силы можно перераспределить на малонагруженные элементы конструкции, опоры.

Как правило, разгружающее усилие может создаваться при помощи гидравлических, механических, тросовых и комбинированных систем.

На рисунке, а приведен пример нагружения однопролетной балки нагрузкой между двумя шарнирными опорами.

Для осуществления принципа разгрузки требуется создать изгибающий момент, противоположный по направлению изгибающему моменту, созданному действием внешней силы. Для этого необходимо установить гидроцилиндр в место действия внешней нагрузки и закрепить один его конец на балке, а другой в тросовой системе (концы троса зафиксированы в местах крепления опор) [1, 2].

Гидроцилиндр создает разгружающее усилие, противоположное внешнему усилию по направлению, а тросовая система создает точку

30