Том 15, № 1 (2021)
- Год: 2021
- Статей: 11
- URL: https://journals.rcsi.science/2074-0530/issue/view/4440
Статьи
Вибронагруженность рабочего места оператора и виброзащитные свойства подвесок сидений
Аннотация
В данной статье осуществлен анализ характера и параметров основных эксплуатационных возмущений, энергия которых прямым или косвенным образом передается на рабочее место оператора тракторной техники с гусеничным или колесным движителем при выполнении различных технологических операций, на основе данных экспериментальных исследований. Рассмотрен основной рабочий диапазон частот данных эксплуатационных возмущений. Дана оценка вклада каждой частотной составляющей в общий уровень вибровоздействий на рабочем месте оператора. На примере использования результатов натурных измерений реальных эксплуатационных возмущений и вибрационных характеристик на колесном тракторе К-744Р1(ст.), работавшем в агрегате с плоскорезом ПГ-3-5 в режиме вспашки стерни с постоянной скоростью движения, проведено сравнительное исследование виброзащитных свойств различных по конструкции подвесок сидений. Описана методика натурных измерений, включая используемое специализированное оборудование фирм «ZETLAB» и «Ассистент», режим, схему установки датчика и иные условия. С помощью численного метода Рунге-Кутта и инструментов математического моделирования в программной среде Simulink MatLab была имитирована работа серийной подвески сиденья трактора К-744Р1(ст.), пневматической подвески сиденья фирмы «Sibeco» с ножничным направляющим механизмом и предлагаемой авторами инновационной пневматической подвески сиденья (на базе «Sibeco») с управляемым отбором энергии колебаний и с последующей её рекуперацией. Получены расчетные осциллограммы и спектры вертикальных ускорений на подушке сиденья, подрессоренного при помощи каждой из рассмотренных подвесок, при входном воздействии измеренных реальных эксплуатационных возмущений. Подведены итоги анализа результатов исследования.
Известия МГТУ “МАМИ“. 2021;15(1):2-11
2-11
К вопросу повышения эффективности и безопасности эксплуатации тоннельных эскалаторов метрополитена. Модель прогнозирования
Аннотация
Метрополитены Москвы и Санкт-Петербурга старейшие в России. Инфраструктурный комплекс каждого из них имеет в своем составе разнородные парки техники. Парк подвижного состава в последнее десятилетие преимущественно обновился, в то время как из-за особенностей эксплуатации и в основном по финансовым причинам, эскалаторный парк ещё долгое время не будет заменён. В связи, с чем основной задачей подразделений отвечающих за эксплуатацию эскалаторов является поддержание в исправном состоянии интенсивно стареющего парка. Таким образом формируется ситуация, при которой эскалаторное хозяйство является источником затрат для удовлетворения постоянно возрастающей потребности в ресурсах. Вместе с тем ограниченность выделения всех видов ресурсов только усугубляет сложившуюся ситуацию. Вышеперечисленные обстоятельства способствуют актуализации вопроса подбора инструментария, позволяющего повысить эффективность и безопасность эксплуатации тоннельных эскалаторов метрополитена. По мнению авторов работы одним из таких инструментов может стать прогнозирование технического состояния элементов подсистем эскалатора, выполненное на основе специальной маршрутизации информационных потоков, предназначенной для оптимального распределения выделяемых ресурсов. Так как эскалатор это сложный технический объект повышенной опасности, то для него маршрутизация информационных потоков, характеризующих его техническое состояние, возможна только на основе предварительной декомпозиции на информационные уровни. По этой причине начало статьи посвящено декомпозиции технического состояния эскалатора на четыре информационных уровня, охватывающих все аспекты технического состояния от микроуровня состояния материалов, из которых изготовлены элементы подсистем эскалатора, заканчивая функциональным состоянием всего эскалатора. В дальнейшем раскрывается цель работы, которая состоит в описании общей математической модели прогнозирования технического состояния элементов подсистем эскалатора и требований к ее построению. Также в работе описывается основная задача, которую она решает предложенная прогнозная модель. В заключение рассматриваются варианты использования предложенной модели. Научная новизна предложенного подхода заключается в использовании современного математического аппарата теории нечётких множеств для обработки параметрической информации, элементов искусственного интеллекта, а также прецедентного подхода при анализе эксплуатационной ситуации, которые в своем сочетании необходимы для построения прогнозной модели технического состояния в приложении к эскалаторному хозяйству метрополитена. С практической точки зрения следует отметить, что предложенная математическая модель, реализованная на основе современных информационных технологий, позволит более рационально настроить механизмы распределения выделяемых ресурсов, обеспечивая при этом необходимый уровень безопасности транспортировки пассажиров.
Известия МГТУ “МАМИ“. 2021;15(1):12-22
12-22
Расчёт характеристик мощности ветряных турбогенераторов с применением программного модуля Windpowerlib
Аннотация
Проблема использования альтернативных источников энергии с каждым годом приобретает всё большую актуальность. Одним из видов наиболее перспективных установок альтернативной энергетики являются ветряные турбогенераторы. Статья посвящена созданию и апробации расчётной программы для определения основных показателей ветряных генераторов - зависимости коэффициента мощности (КПД) и вырабатываемой мощности от скорости ветра, кривой изменения мощности по временным интервалам, средней мощности за год. В начале работы приводятся основные сведения об установках альтернативной энергетики и в частности, о ветрогенераторах, рассматриваются их достоинства, недостатки и способы технико-экономического обоснования целесообразности применения в данной местности по статистическим данным о погодных условиях. Далее упоминаются модули, используемые в программе, основным из которых является специальная библиотека команд для расчёта ветряных турбоустановок Windpowerlib. Описывается последовательность реализации этапов алгоритма расчёта: способов ввода погодных данных и основных характеристик турбины, процедуры расчёта мощности турбогенератора, вывода результатов в виде качественно оформленных графиков. Для апробации разработанной программы произведён расчёт энергетических характеристик одного из наиболее распространённых и широко применяемых в мире ветрогенераторов - модели Siemens SWT 3.6-120, произведено сравнение результатов расчёта с эксплуатационными данными, опубликованными фирмой-изготовителем данной установки. С помощью графиков доказана высокая степень соответствия рассчитанных и фактических характеристик. Определено изменение мощности установки в течение года по часовым временным промежуткам, а также средняя вырабатываемая за год мощность. Полученный программный продукт позволяет конечному пользователю легко загрузить исходные данные и осуществить автоматический расчёт всех вышеуказанных характеристик любой ветряной турбоустановки. В заключении сделаны выводы о проделанной работе, приведены рекомендации для расширения сфер применения рассмотренной методики к определению характеристик прочих энергетических установок. Указано планируемое направление дальнейших исследований по данному направлению с использованием разработанного программного продукта.
Известия МГТУ “МАМИ“. 2021;15(1):23-31
23-31
О расчете коэффициента местного гидравлического сопротивления диафрагм в переходной и ламинарной областях течения
Аннотация
В случае гидравлических машин и аппаратов местные гидравлические сопротивления, как правило, составляют определяющую часть суммарных потерь напора при работе любой гидромашины. Наиболее подробным справочником, выдержавший множество изданий в нашей стране и изданный за рубежом, является «Справочник по гидравлическим сопротивления» И.Е. Идельчика. Вместе с тем, анализ, проведенный в цитируемой литературе, показал, что, в зависимости от года издания справочника И.Е. Идельчика, для одинаковых местных сопротивлений, различия в численных значениях одного и того же местного гидравлического сопротивления может достигать кратности. Целью настоящей работы является анализ приведенных в справочнике рекомендаций по расчету коэффициента гидравлического сопротивления диафрагм (отверстий) с любыми формами краев для различных условий перетекания потока в переходной и ламинарной областях внутри трубопровода постоянного поперечного сечения. В частности показано, что для расчета коэффициента заполнения сечения диафрагмы рекомендуются табличные значения и приведена аналитическая зависимость, различия в численных значениях которых достигает 15 %, что вносит неопределенность в результаты конкретных расчетов. В значительно большей степени аналогичное положение имеет место и при использовании рекомендаций по расчету коэффициента гидравлического сопротивления. В этом случае также, приведенные численные табличные значения коэффициентов гидравлического сопротивления трения при прохождении потока через отверстие и рассчитанные по приведенной аналитической зависимости, различаются в кратности, что свидетельствует об отсутствии связи между ними. Это вопрос требует дальнейшего специального рассмотрения.
Известия МГТУ “МАМИ“. 2021;15(1):32-37
32-37
Численное моделирование динамических процессов в трансмиссии транспортных средств
Аннотация
В данной статье рассмотрены вопросы цифрового моделирования физических динамических процессов в трансмиссиях транспортной техники. Целью данного исследования являлось отработка алгоритма численного математического моделирования динамических процессов в трансмиссиях транспортных машин с использованием современных цифровых пакетов программ. Методика включает системный подход к исследованию динамических процессов при переключении, основанный на моделировании работы КПП совместно с двигателем внутреннего сгорания (с учетом его динамических, скоростных и нагрузочных характеристик). Рассмотрен порядок применения пакета программ MATLab-Simulink, Simscape для численного моделирования динамических процессов. При помощи фундаментальных блоков данных приложений создаы модели физических компонентов: двигателя внутреннего сгорания, фрикционных муфт сцепления, зубчатых редукторов, упругих валов, демпфирующих устройств, а также системы управления силовой передачей трактора. Создана цифровая модель трансмиссии трактора, приведена ее расчетная схема, заданы исходные характеристики. С ее помощью проведено моделирование динамических процессов в коробке перемены передач трактора. Основное внимание в данной работе уделено применению предлагаемой методики для расчета динамических процессов в КПП при переключениях передач под нагрузкой при прямом и реверсном включении, в том числе с одновременным использованием нескольких фрикционных муфт.
Известия МГТУ “МАМИ“. 2021;15(1):38-45
38-45
Методика определения температурных полей свечи зажигания
Аннотация
В данной статье исследованы основные факторы, определяющие тепловую характеристику свечи зажигания в диапазоне температур от 300 до 2500 градусов Кельвина. Определено оптимальное значение температуры теплового конуса. Представлена методика и алгоритмы численного моделирования теплового состояния свечи зажигания, которые позволили выполнить расчеты зависимости коэффициента теплопроводности керамических элементов свечи и удельной теплоемкости керамики изолятора от температуры. Проведен расчет рабочего цикла в цилиндре двигателя. Выполнен расчет распределения температуры тепловых потоков в элементах конструкции свечи зажигания. Проведена оценка тепловой характеристики свечи зажигания, методом численного моделирования рабочего цикла двигателя внутреннего сгорания. Проведен расчет мгновенного распределения температур в теле свечи зажигания и на её поверхности. Проведены расчеты интенсивности тепловых потоков между свечей зажигания и прилегающих к ней частями рабочего тела. Проведено моделирование рабочего цикла для различных режимов работы двигателя. Определены температурные поля свечей зажигания. Сформирован массив исходных данных для расчета температурных полей свечи зажигания. Определены зависимости температуры рабочего тела в окрестностях свечи зажигания от угла поворота коленчатого вала. Рассмотрены гармонические составляющие коэффициентов теплопередачи между рабочим телом и огневым ограждением цилиндра (коэффициент Вошни). Рассмотрены гармонические составляющие плотности теплового потока. Проведены расчеты теплового поля свечи, для различных режимов работы двигателя, с использованием метода конечных элементов. Расчет температурного поля свечи методом конечных элементов производился с использованием программ «ANSYS», «Solid Works», «Inventor» и др.
Известия МГТУ “МАМИ“. 2021;15(1):46-53
46-53
Исследование экологических характеристик дизеля при работе на активированном топливе
Аннотация
Двигатель внутреннего сгорания является самым распространенным и массовым источником энергии для транспортных средств. К основным требованиям, предъявляемым к ДВС можно отнести: эффективность функционирования в составе транспортного средства, высокие эксплуатационные показатели, а также экологические параметры эмиссии отработавших газов в окружающую среду. Выполнение данных условий возможно за счет совершенствования конструкции двигателя, а также улучшения рабочего процесса дизельного двигателя при повышении качества дизельного топлива или дополнительного воздействия непосредственно на само топливо. Одним из эффективных способов воздействия на дизельное топливо является передача ему определенного количества тепла в топливопроводе высокого давления перед форсунками. При этом у дизельного топлива изменяются физико-механические свойства, что приводит к изменению смесеобразования и процессу сгорания в цилиндре двигателя. Для интенсификации процесса сгорания был предложен способ предварительного высокотемпературного локального нагрева ДТ в системе топливоподачи перед форсунками. Для достижения поставленной цели было определено несколько основных направлений, в число которых входило исследование экологических показателей при интенсификации процесса сгорания. Испытания проводились поэтапно. На первом этапе исследовалась работаТПА и топливной форсунки при работе на активированном топливе (стендовые, лабораторные испытания). На следующем этапе исследовались показатели дизеля на основных режимах его работы. Стендовые (лабораторные) испытания позволили сделать вывод о работоспособности и соответствии ТПА техническим требованиям завода-изготовителя и параметрам ГОСТ. Проведенные стендовые испытания доказали возможность работы дизеля на активированном топливе без ухудшения экологических показателей в отработавших газах при этом выявлены изменения токсичности и дымности отработавших газов от разных значений среднего эффективного давления.
Известия МГТУ “МАМИ“. 2021;15(1):54-62
54-62
Современный подход к тестированию и валидации систем помощи водителю
Аннотация
Постоянно растущие требования к безопасности транспортных средств вынуждают автопроизводителей заниматься разработкой ADAS-систем (“интеллектуальных помощников”). В свою очередь, перед выпуском на рынок автомобиля, оборудованного подобными функциями, необходимо полноценно протестировать и свалидировать алгоритмы работы электронных систем в различных условиях. В настоящее время наиболее популярны методы отладки и тестирования ADAS-систем, основанные на программном (“модель и программное обеспечение в петле”) и аппаратно-программном моделировании (“оборудование в петле”), что позволяет выявлять и устранять ошибки на ранних стадиях разработки продукта, таким образом экономя денежные средства. Несмотря на огромные преимущества имитационного моделирования натурные испытания остаются основополагающим и финальным этапом перед стартом серийного производства, это обусловлено тем, что международные и отечественные стандарты в настоящее время не предусматривают сертификацию “электронных помощников” посредством проведения виртуальных тестов. В связи с этим, перед производителями измерительного оборудования и инженерами-испытателями встает задача по разработке принципиально новой тест-установки, обеспечивающей фиксацию положения транспортных средств в динамических режимах с сантиметровой точностью, а также производить синхронизированную видеозапись. В данной статье рассказывается о подходе сотрудников НГТУ им. Р.Е. Алексеева к решению данной проблемы: проектировка принципиальной схемы и её реализация на прототипе легкого коммерческого автомобиля, оборудованного ADAS-системами. Для фиксации географических координат с сантиметровой точностью использовался прибор Racelogic Vbox 100 Hz, работающий в режиме “real-time kinematic” (RTK), синхронизированная видеозапись производилась при помощи Racelogic Video Vbox Pro, включающий в себя 4 широкоугольные камеры. Апробация работы измерительной установки была проведена при испытаниях следующих систем: детектор мертвых зон, предупреждение о выходе из полосы и помощник поиска парковочного места. В статье представлен ряд графиков функционирования одной из систем.
Известия МГТУ “МАМИ“. 2021;15(1):63-72
63-72
Численное исследование влияния интенсивности коагуляции капель на распределение фракций полидисперсного аэрозоля
Аннотация
Исследование посвящено изучению влияния интенсивности колебаний аэрозоля на распределение фракций дисперсной компоненты коагулирующего аэрозоля. В работе численно моделируются колебания аэрозоля в закрытом канале. Для описания динамики несущей среды применяется двухмерная нестационарная система уравнений Навье- Стокса для сжимаемого газа, записанная с учетом межфазного силового взаимодействия и межфазного теплообмена. Для описания динамики дисперсной фазы, для каждой ее фракции решается система уравнений, включающая в себя уравнение неразрывности для «средней плотности» фракции, уравнения сохранения пространственных составляющих импульса и уравнение сохранения тепловой энергии фракции дисперсной фазы газовзвеси. Межфазное силовое взаимодействие включало в себя силу Архимеда, силу присоединённых масс и силу аэродинамического сопротивления. Также учитывался теплообмен между несущей средой -газом и каждой из фракций дисперсной фазы. Математическая модель динамики полидисперсного аэрозоля дополнялась математической моделью столкновительной коагуляции аэрозоля. Для составляющих скорости компонент смеси задавались однородные граничные условия Дирихле. Для остальных функций динамики многофазной смеси задавались однородные граничные условия Неймана. Уравнения решались явным методом Мак-Кормака со схемой нелинейной коррекции, позволяющей получить монотонное решение. В результате численных расчетов было определено, что в близи генерирующего колебания поршня образуется область с повышенным содержанием крупнодисперсных частиц. Процесс коагуляции приводит к монотонному росту объемного содержания фракции крупнодисперсных частиц и монотонному уменьшению объемного содержания мелкодисперсных частиц. Увеличение интенсивности колебаний газа приводит к интенсификации процесса коагуляции капель аэрозоля.
Известия МГТУ “МАМИ“. 2021;15(1):73-80
73-80
Топологическая оптимизация конструкции крыши легкового автомобиля с целью повышения энергоёмкости при боковом ударе
Аннотация
В данной статье рассматривались основные вопросы поиска оптимальных вариантов усиления крыши кузова автомобиля на базе топологической оптимизации с целью обеспечения требований пассивной безопасности при минимуме массы. Методом достижения поставленной цели являлось математическое моделирование с использованием модулей топологической оптимизации (Topology Optimization) программного комплекса ANSYS и явной динамики LS-Dyna. Для проверки эффективности усилений в качестве режима нагружения был выбран боковой удар о столб, регламентированный ЕЭК ООН 135 «Единообразные предписания, касающиеся официального утверждения транспортных средств в отношении их характеристик при боковом ударе о столб». Критерием эффективности принималась энергоемкость кузова, определяемая как отношению энергии системы к остаточной (пластической) деформации на уровне центра двери. На основании топологической оптимизации были получены два практически равнозначных по эффективности варианта расположения усиливающих элементов. Для наиболее полной оценки влияния параметров были рассмотрены несколько вариантов усиления крыши: расстановка стальных усиливающих элементов; размещение пеноалюминия под крышу; комбинация стальных элементов с заполнением их полостей пеноалюминием. По результатам моделирования была выполнена сравнительная оценка эффективности рассмотренных вариантов усиления. Наиболее эффективные оказались варианты усиления крыши балками швеллерообразного сечения и заполнения их пеной и вариант усиления крыши балками швеллерообразного сечения и диагональными перемычками в них, обусловливающие ее повышение по сравнению с оригинальной конструкцией на 20,88 и 19,94% соответственно, но при этом масса первого варианта на 42 кг меньше массы второго.
Известия МГТУ “МАМИ“. 2021;15(1):81-88
81-88
Математическое моделирование системы контроля сопротивления изоляции высоковольтной электросети гибридного автомобиля
Аннотация
В работе представлены математические модели и расчетно-аналитические зависимости, позволяющие реализовать систему контроля сопротивления изоляции высоковольтной электросети гибридного автомобиля и позволяющие сформулировать требования к физической и имитационной модели программно-аппаратного комплекса лабораторных испытаний. Целью работы является определение основных функций и характеристик системы контроля изоляции, её особенностей, принципа действия и методов контроля сопротивления изоляции, составление требований к системе имитационного моделирования. Во введении обоснована важность контроля сопротивления изоляции и приводятся ссылки на стандарты, регламентирующие требования к измерению и определению неисправности электросети. Представлена структурная схема электропитания автомобиля и роль системы контроля сопротивления изоляции в этой схеме, поясняются особенности контроля изоляции. Рассматривается принцип действия системы контроля изоляции и применение наиболее распространенных схем, приводятся расчетные зависимости для каждой из представленных схем, позволяющие вычислить сопротивление изоляции. Описан порядок проведения измерений сопротивления изоляции согласно стандарта ISO и приводятся соответствующие уравнения. Для представленной схемы приводится график, поясняющий принцип работы системы, когда при замыкании одного из ключей происходит изменение напряжения на измерительном резисторе при нормальном состоянии изоляции положительной и отрицательной шины электропитания высоковольтной системы. В выводах дается обобщение представленной математической модели и формулируются требования к программно-аппаратному комплексу, который позволяет проводить имитационное и математическое моделирование электрических систем и их компонентов в различных режимах работы. Поясняются особенности исполнения программно-аппаратного комплекса, позволяющего моделировать изменение сопротивления изоляции и неисправности питающей электросети высокого напряжения для автомобиля с гибридной силовой установкой.
Известия МГТУ “МАМИ“. 2021;15(1):89-98
89-98