авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ БИБЛИОТЕКА РОССИИ

КОНФЕРЕНЦИИ, КНИГИ, ПОСОБИЯ, НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:     | 1 |   ...   | 2 | 3 || 5 | 6 |   ...   | 9 |

«Министерство образования и науки РФ Министерство промышленности и торговли РФ Министерство транспорта РФ Федеральное агентство по техническому регулированию ...»

-- [ Страница 4 ] --

Технический регламент (прил. № 6, разд. 1, подразд. 1.18), хотя и повторяет в основном предписания ГОСТ Р 50913, но не в полном объеме, ряд требований к технологическому оборудованию АЦ не включен в технический регламент [9] (см. табл. 2). В частности не включено требование ГОСТ Р 50913 (п. 5.1.6.17), предписывающее самозакрывание дыхательного устройства при опрокидывании АЦ.

Кроме того, ряд положений технического регламента [9] неточно сформулирован. Например, требование (прил. № 6, п. 1.18.1) "АЦ не должны устанавливаться на транспортных средствах с двигателем, работающем на газе" фактически означает, что транспортное средство с кузовом-цистерной не должно устанавливаться на другое транспортное средство, работающее на газе. Целесообразно уточнить предписания технического регламента [9] в отношении АЦ и максимально гармонизировать эти предписания с положениям гл. 6.8 ДОПОГ [3].

Одним из путей решения проблемы поддержания в эксплуатации исправного состояния технологического оборудования АЦ может стать создание специализированных пунктов технического осмотра. Создание таких пунктов предусматривает:

1) разработку перечня объектов контроля в отношении технологического оборудования АЦ, включая разработку дополнительной (вспомогательной) диагностической карты;

2) разработку испытательного оборудования, позволяющего проводить инструментальные проверки технического состояния и работоспособности элементов технологического оборудования (герметичности цистерн, люков цистерн, правильности работы дыхательных устройств и пр).

В настоящее время УГИБДД УВД Омской области совместно с кафедрой "Автомобили и тракторы" СибАДИ проводит работу по изучению возможности организации специализированного пункта технического осмотра, созданию оборудования и методов проверки технологического оборудования АЦ.

Библиографический список 1. ГОСТ Р 50913-96. Автомобильные транспортные средства для транспортирования и заправки нефтепродуктов. Типы, параметры и общие технические требования.

2. ГОСТ Р 51709-2001. Автотранспортные средства. Требования безопасности к техническому состоянию и методы проверки.

3. Европейское соглашение о международной дорожной перевозке опасных грузов (ДОПОГ-2009): В 2-х томах. – Нью-Йорк, Женева: Издание ООН, 2008.

4. Наставление по техническому надзору Государственной инспекции безопасности дорожного движения Министерства внутренних дел Российской Федерации. – Утверждено приказом Министерства внутренних дел Российской Федерации от декабря 2000 г. № 1240.





5. Основные положения по допуску транспортных средств к эксплуатации и обязанности должностных лиц по обеспечению безопасности дорожного движения. – Утверждены постановлением Совета Министров – Правительства Российской Федерации от 23 октября 1993 г. № 1090.

6. Положение о проведении государственного технического осмотра автомототранспортных средств и прицепов к ним государственной инспекцией безопасности дорожного движения Министерства внутренних дел Российской Федерации. – Утверждено постановлением Правительства Российской Федерации от 31 июля 1998 г. № 7. Правила перевозки опасных грузов автомобильным транспортом. – Утверждены приказом Минтранса России от 8 августа 1995 г. № 73.

8. Правила проведения государственного технического осмотра транспортных средств Государственной инспекцией безопасности дорожного движения Министерства внутренних дел Российской Федерации. – Утверждены приказом Министерства внутренних дел Российской Федерации от 15 марта 1999 г. № 190.

9. Технический регламент "О безопасности колесных транспортных средств", утвержденный постановлением правительства Российской Федерации от 10 сентября 2009 г. № УДК 629. МЕТОД ВВЕДЕНИЯ ЖЕСТКОЙ КИНЕМАТИЧЕСКОЙ СВЯЗИ И СРЕДСТВА ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ А.Н.Торопов, А.В. Келлер, канд. техн. наук, доц., С.В. Ушнурцев, С.В. Отегов, Д.Н. Бакин Челябинское высшее военное автомобильное командно-инженерное училище На современных автомобилях многоцелевого назначения (АМН) наиболее распространен дифференциальный привод, обеспечивающий автомобилю достаточно высокие эксплуатационные показатели. Однако такому приводу присущи и серьезные недостатки, ограничивающие возможность полной реализации тягово – скоростных свойств АМН. Анализ конструкции дифференциалов, применяющихся на современных АМН показал, что, ни один из существующих дифференциалов не обеспечивает оптимального характера связи между колесами для всех условий движения.

Как показывает практика одним из эффективных методов обеспечения подвижности АМН в условиях разбитых, размокших, заснеженных дорог, а также при движении по бездорожью является метод введения жесткой кинематической связи, который теоретически обеспечивает полную реализацию сцепных возможностей ведущих колес. Вместе с тем, методу введения жесткой кинематической связи присущи два существенных недостатка: затрудненное введение жесткой кинематической связи в процессе движения АМН, и перераспределение крутящим моментов вследствие неизбежного кинематического несоответствия.

На АМН в настоящее время наибольшее распространение получила принудительная механическая блокировка дифференциалов, которая достаточно проста и надежна. Однако, заблокировать дифференциал можно только на неподвижном автомобиле, вследствие чего, блокировка используется для преодоления временных сопротивлений, а эффективность ее применения зависит от квалификации водителя. связи с этим, предложены конструкции систем управления блокировкой межосевого и межколесного дифференциалов (рисунки 1, 2). Алгоритм работы объединенной системы представлен на рисунке 3.

Система управления блокировкой межосевого дифференциала (рисунок 1) содержит муфту 1 блокировки, установленную на валу привода переднего моста и пневматический цилиндр 2 управления блокировкой, шток которого связан с муфтой 1 блокировки, модулятор давления 3, соединённый посредством пневмопроводов 4 с пневмоцилиндром 2 управления блокировкой и пневмоцилиндром 5 управления подачей топлива двигателя транспортного средства, блок управления 6, связанный посредством электрических цепей 7 с датчиками частот вращения ведущих колёс 8 и 9, и угла поворота рулевого колеса 10 и модулятором давления 3.

При движении машины по прямой на хорошей дороге колёса переднего 11 и заднего 12 мостов АМН вращаются синхронно, муфта 1 блокировки межосевого дифференциала разблокирована, датчики 8 и 9 частоты вращения передают в блок управления 6 данные о частотах вращения колёс, разность которых не превышает допустимого значения, заложенного в программу блока управления 6. Буксование колес того или другого моста приводит к увеличению разности частот вращения колёс. В том случае если эта величина превышает допустимые пределы, блок управления 6 передаёт управляющий сигнал в модулятор давления 3, который подает воздух в пневмоцилиндр управления подачей топлива двигателя, в результате чего уменьшается подача топлива, снижается развиваемый двигателем крутящий момент, и как следствие происходит уменьшение буксования колес, и выравнивание угловых скоростей ведущих колес переднего 11 и заднего 12 мостов. После выравнивания угловых скоростей блок управления 6 подает сигнал в модулятор давления 3 для подачи воздуха в пневмоцилиндр 2 управления блокировкой, который воздействует на муфту 1 блокировки межосевого дифференциала, в результате чего происходит блокировка межосевого дифференциала. При этом, вследствие равной скорости ведущих колес, блокировка дифференциала происходит безударно.

Рис. 1.Система управления блокировкой межосевого дифференциала транспортного средства (патент РФ на полезную модель №83043) При повороте АМН, в блок управления 6 от датчика 10 поворота рулевого колеса поступает сигнал, и в этом случае величина разности угловых скоростей колёс переднего 11 и заднего 12 мостов, при которой включается блокировка межосевого дифференциала увеличивается, пропорционально увеличению угла поворота управляемых колёс, что устраняет возможность блокировки дифференциала при повороте АМН.

Система управления блокировкой межколесного дифференциала (рисунок 2) содержит муфту блокировки 4, установленную на полуоси и пневматический цилиндр 3, шток которого связан с муфтой блокировки 4, модулятор давления 5, соединённый посредством пневмопроводов 12 с пневмоцилиндром 3 и тормозными камерами 1, 10 тормозной системы транспортного средства, блок управления 6, связанный посредством электрических цепей 13 с датчиками частот вращения ведущих колёс 2 и 7, и угла поворота управляемого колеса 11, и модулятором давления 5.

Рис. 2. Система управления блокировкой межколёсного дифференциала (патент РФ на полезную модель №82012) При движении машины по прямой на хорошей дороге колёса транспортного средства 8 и 9 вращаются синхронно, муфта блокировки межколёсного дифференциала 4 разблокирована, датчики частоты вращения полуосей 2 и 7 передают в блок управления 6 данные о частотах вращения колёс, разность которых не превышает допустимого значения, заложенного в программу блока управления 6. Буксование того или другого колеса приводит к увеличению разности частот вращения колёс. В том случае если эта величина превышает допустимые пределы, блок управления 6 передаёт управляющий сигнал в модулятор давления 5, который подает воздух в тормозную камеру буксующего, результате чего начинается его торможение, и как следствие выравнивание угловых скоростей ведущих колес, после выравнивания угловых скоростей блок управления подает сигнал в модулятор давления для подачи воздуха в пневмоцилиндр 3, который воздействует на муфту блокировки межколесного дифференциала 4. При этом, вследствие равной скорости ведущих колес, блокировка дифференциала происходит безударно.

При повороте АМН, в блок управления 6 от датчика поворота управляемого колеса 11 поступает сигнал, и в этом случае величина разности угловых скоростей колёс, при которой включается блокировка межколёсного дифференциала увеличивается, пропорционально увеличению угла поворота управляемых колёс, что устраняет возможность блокировки дифференциала при повороте АМН.

а) б) в) Рис. 3. Алгоритм работы системы управления блокировками дифференциалов:

а – общий алгоритм;

б – блокировки межосевого дифференциала;

в - блокировки межколесного дифференциала УДК 629. ОСОБЕННОСТИ И ПРОБЛЕМЫ ПРОЦЕССА РЕКУПЕРАЦИИ ЭНЕРГИИ НА АВТОМОБИЛЕ С ГИБРИДНОЙ СИЛОВОЙ УСТАНОВКОЙ А.И. Филонов МГТУ «МАМИ»

Рекуперацией называется процесс возвращения части энергии для повторного использования в том же технологическом процессе. Этот процесс возможен на автомобилях с гибридной силовой установкой (ГСУ). Гибридной силовой установкой называется такая установка, которая включает в себя два двигателя, получающих энергию из источников разных типов, как правило, это двигатель внутреннего сгорания (ДВС) (первичный источник энергии), питающийся углеводородным топливом, и электромотор с аккумуляторными батареями (вторичный источник энергии). Автомобили с такими силовыми установками принято называть гибридными. Использование ГСУ позволяет повлиять на состояние вторичного источника питания, т.к. в нем возможна регенерация энергии во время движения.

Существует несколько путей для рекуперации на борту автомобиля с гибридной силовой установкой. При наличии двигателя внутреннего сгорания, обладающего избытком мощности для движения, этот избыток можно возвращать в батарею. Избыток энергии может образоваться при движении автомобиля на постоянной скорости и даже при ускорении автомобиля. Еще один резерв для пополнения запаса энергии – это рекуперативное торможение. Именно процесс возвращения энергии при торможении потенциально представляется основным источником для пополнения недостатка энергии и устранения ее отрицательного баланса.

Дисбаланс энергии в автомобиле с гибридной силовой установкой может возникнуть, например, при трогании автомобиля с места и его движении с низкими скоростями только на электротяге, когда вторичный источник, работая как электродвигатель, тратит больше энергии, чем впоследвии возвращает, функционируя в режиме генератора.

Основными задачами при разработке систем рекуперации являются следующие:

- правильный выбор накопителя энергии;

- определение наилучших параметров агрегатов ГСУ для увеличения времени использования рекуперативного торможения с достаточной эффективностью без вовлечения в работу фрикционных тормозов. Высокие замедления при торможении способна обеспечить система рекуперации, воспринимающая большие мощности, следовательно, создающая значительный тормозной момент, что позволит автомобилю на некоторых режимах замедляться только при помощи рекуперативного торможения.

- повышение эффективности рекуперации путем выбора рациональной схемы ГСУ с минимальными потерями при преобразовании энергии из одного вида в другой при ее передаче от источника к источнику. КПД преобразований зависит от схемы примененной ГСУ. Выбранная схема оказывает заметное влияние на эффективность процесса рекуперации.

В МГТУ «МАМИ» работы над рекуператорами энергии ведутся на протяжении ряда лет. В 1988 году в лаборатории кафедры «Автомобили»

им. Е.А. Чудакова А.М Фироновым под руководством профессора В.В.

Селифонова были проведены теоретические и экспериментальные исследования инерционных накопителей кинетической энергии – маховичных накопителей. Был создан экспериментальный стенд и получен ряд патентов. Результаты исследований показали, что применение механического рекуператора энергии позволяет улучшить топливную экономичность малого автобуса почти на 30%.

Применение маховичных накопителей исключает преобразования энергии из одного вида в другой, что повышает КПД процесса рекуперации. Эти накопители обладают большой удельной мощностью. Но такие недостатки механических рекуператоров, как большие размеры, необходимость применения бесступенчатой передачи, высокие требования к безопасности и необходимость учета аэродинамических эффектов из-за высокой скорости вращения маховика ограничивают возможности их применения в системах рекуперации автомобилей.

В настоящий момент в рамках научно-образовательного центра «Автомобили с гибридными силовыми установками» при МГТУ «МАМИ»

ведутся работы над накопителями электрической энергии – аккумуляторными батареями. Гибридная силовая установка с данными накопителями используется на автомобиле «МАМИ-ГСУ», созданном сотрудниками центра (рис.1).

Рис. 1. Автомобиль «МАМИ-ГСУ»

В табл. 1 дана техническая характеристика автомобиля «МАМИ-ГСУ».

При использовании в системе рекуперации автомобилей с ГСУ накопителей электрической энергии возникает ряд проблем, обусловленных внутренними свойствами этих накопителей. При высоком уровне заряда аккумуляторной батареи эффективность процесса подзарядки резко снижается. Также невозможно заряжать батареи при низких скоростях движения автомобиля из-за того, что при малой частоте вращения якоря электромашины, работающей в режиме генератора, на возбуждение ее обмотки тратится больше энергии, чем возвращается в батарею. Данные ограничения влияют на величину тормозного момента, создаваемого генератором. Их можно учесть с помощью весовых коэффициентов (рис. 2):

TРЕК W1 W2 TM где Трек – тормозной момент, создаваемый генератором при рекуперативном торможении, Tм – тормозной момент, который может создать генератор, W1 – весовой коэффициент, учитывающий уровень заряда батареи, W2 – весовой коэффициент, учитывающий скорость автомобиля.

Таблица Техническая характеристика автомобиля «МАМИ-ГСУ»

Колесная формула 4х2, 4х Масса, кг снаряженная электрокомпонентов полная ДВС УМЗ-4518. Макс. крутящий момент, Нм Макс. мощность, кВт (л.с.) 73 (99.2) Мин. удельный расход топлива, г/кВтч 300 (221) Электрическая машина трехфазная, асинхронная Масса Макс. крутящий момент, Нм Макс. мощность, кВт при частоте вращения вала, об/мин Напряжение, В Аккумуляторная батарея (тип) свинцово-кислотная Количество аккумуляторов Масса общая, кг Макс. емкость (при 3-х часовом разряде), Ач Рис. 2. Весовые коэффициенты На автомобиле «МАМИ-ГСУ» установлены свинцово-кислотные аккумуляторные батареи Optima YellowTop. Техническая характеристика этих батарей представлена в табл. 2.

Таблица Техническая характеристика аккумулятора Optima YellowTop Напряжение, В 13. Конструкция Герметичная, необслуживаемая Емкость, Ач Стоимость, $ Размеры, Д/Ш/В, мм 254/172/ Масса, кг На рис.3 можно видеть расположение батареи на борту автомобиля.

Рис. 3. Аккумуляторные батареи Тип батарей также накладывает ряд ограничений на процесс рекуперации. В нашем случае во избежание негативных эффектов, связанных с разрушением батареи, ток при ее зарядке не мог быть больше некоторого определенного значения. Это повлекло за собой уменьшение мощности рекуперации. Кроме этого, батарея имеет ограничение напряжения на терминальных выводах, превышение которого может привести к ее разрушению (в нашем случае ограничение составило 160 В).

В связи с вышесказанным необходимо тщательно подходить к выбору типа накопителя электрической энергии. Существует возможность использовать в системе рекуперации помимо свинцово-кислотных другие типы аккумуляторов, в том числе более перспективные никель металлогидридные и литий-ионные, а также суперконденсаторы и комбинации «суперкондесатор-батарея», «маховик-батарея».

Выбор аккумуляторной батареи базируется на анализе и сравнении свойств и показателей аккумуляторов различных типов. Во-первых, при проектировании гибридной силовой установки необходимо учитывать удельные характеристики накопителей, такие как удельная энергия [Вт*ч/кг] и удельная мощность [Вт/кг]. Для свинцово-кислотных аккумуляторов, установленных на экспериментальном автомобиле «МАМИ-ГСУ» абсолютные значения данных показателей сравнительно невелики, но их зависимость друг от друга удовлетворительна – при увеличении удельной мощности, например, в режиме зарядки, что требуется для обеспечения необходимой мощности рекуперации, удельная энергия, т.е. способность запасать полученное количество энергии, отнесенное к единице массы батареи, уменьшается незначительно. Для никель-металлогидридных батарей данная зависимость оптимальна – при увеличении удельной мощности в определенных пределах удельная энергия почти не уменьшается. Это выгодно отличает данные аккумуляторы от литий-ионных, у которых удельная энергия может уменьшиться в несколько раз при незначительном увеличении удельной мощности. Но этот недостаток в данном случае может компенсироваться увеличением числа аккумуляторов в батарее, так как масса одного литий ионного аккумулятора намного меньше, чем свинцово-кислотного и никель металлогидридного. В итоге масса батареи может быть одинаковой у всех трех типов аккумуляторов, а удельная мощность заметно отличаться.

Данный факт указывает на то, что при выборе накопителя необходимо анализировать и другие показатели батарей, такие как: масса, стоимость, освоенность в производстве, приспособленность к конкретным условиям эксплуатации, величину жизненного цикла и т.д. Таким образом, при разработке гибридной силовой установки для автомобиля «МАМИ-ГСУ»

выбор был сделан в пользу свинцово-кислотных аккумуляторных батарей, потому что по стоимости, приспособленности к эксплуатации при низких температурах и освоенности в производстве данные батареи заметно отличаются в лучшую сторону от батарей других типов, а именно эти показатели, при допустимых ограничениях по удельным мощности и энергии, были определяющими для разработчиков. Никель металлогидридные и литий-ионные аккумуляторы имеют заметно большую стоимость, к тому же массовое производство тяговых литий-ионных батарей еще не освоено, при этом они требуют специальной системы подогрева при эксплуатации в холодном климате, иначе их характеристики, к примеру, емкость, при низких температурах заметно снижаются. Таким образом, в перспективе разработчиками планируется установка на автомобиль с ГСУ никель-металлогидридных батарей как наиболее удовлетворяющих всем критериям оценки, кроме, пожалуй, стоимости.

Упомянутые выше комбинации батарей с маховиками и суперконденсаторами также являются перспективными. Такое решение позволяет избежать ограничений по мощности зарядки, накладываемое батареей, так как в этом случае именно маховик или суперконденсатор воспринимают большую мощность и сразу передают ее в батарею, которая используется для хранения возвращенной энергии. В этом случае при подзарядке исключена возможность ее разрушения.

Сотрудниками научно-образовательного центра были проведены стендовые и дорожные испытания автомобиля с гибридной силовой установкой. В ходе испытаний была выполнена оценка эффективности работы системы рекуперации энергии торможения и ее влияния на топливную экономичность автомобиля с гибридной силовой установкой.

Так как данный автомобиль имеет возможность накапливать энергию не только во время торможения, а также в режимах разгона и равномерного движения, это также было учтено при расчете расхода топлива.

Испытания проводились в соответствии с Правилами №83 по европейскому городскому циклу ECE-15 (рис.4):

Рис. 4. Цикл ECE- На рис. 5 и 6 изображены фрагменты испытаний автомобиля «МАМИ ГСУ»:

Некоторые результаты испытаний представлены в табл. 3:

Таблица Результаты испытаний Выбросы вредных веществ, г/км Расход топлива, л/100 км по по СО СН СО газоанализатору расходомеру УАЗ-3153 17.8 3.43 383 18.8 20. МАМИ-ГСУ 5.3 1.51 211 9.5 10. Рис. 5. Испытательное оборудование Рис. 6. Стендовые испытания Из табл. 3 видно, что применение гибридной силовой установки значительно улучшает топливную экономичность и экологичность автомобиля. Данная экономия топлива получена при отрицательном балансе энергии, в среднем равном 300 кВт*c за цикл. С учетом норм Правил №101 ЕЭК ООН для автомобилей с ГСУ эквивалентный расход топлива с учетом этого дисбаланса составил 12.4 л/100км. Экономия топлива при компенсации дисбаланса энергии получена за счет выключения ДВС при замедлении, остановках и в начальной фазе разгона автомобиля. Кроме этого, экономия обеспечивается рекуперацией энергии.

Этот процесс иллюстрируется табл. 4:

Таблица Экономия топлива с учетом рекуперации Рекуперация при Подзарядка батареи Подзарядка батареи торможении при равномерном во время разгона движении Снижение расхода 0.6 1.71 0. топлива, л/100 км Возвращенная 55.61 156.91 25. энергия, кДж Доля возвращенной 23 66 энергии Табл. 4 демонстрирует возможности рекуперации на автомобиле «МАМИ-ГСУ». Наибольшую долю возвращенной энергии дает рекуперация при равномерном движении автомобиля в цикле, когда двигатель внутреннего сгорания работает по характеристике минимальных удельных расходов топлива, а значит с почти полностью открытой дроссельной заслонкой, а избыток энергии направляется в накопитель.

Также небольшой вклад вносит и подзарядка батареи при разгоне автомобиля в цикле, когда также образуется небольшой избыток энергии при работе ДВС по характеристике минимальных удельных расходов топлива. Рекуперация при торможении возвращает в батарею 23% энергии.

Но общая эффективность процесса рекуперативного торможения невелика.

Данный факт иллюстрирует табл. 5.

Таблица Эффективность процесса рекуперации Свободная кинетическая энергия при торможении, кДж 457. Энергия, возвращенная в накопитель при торможении, кДж 55. Эффективность, % Как можно видеть из табл. 5, при торможении запасается лишь 12% от всей кинетической энергии, которую теоретически можно было бы вернуть в накопитель во время замедления. Это наглядно иллюстрирует график зависимости мощности от времени при движении в цикле (рис. 7). На графике зеленым цветом выделены зоны под кривой, соответствующие запасенной энергии, а красным – та энергия, которую не удалось рекуперировать. Это произошло из-за того, что процесс рекуперации невозможен при низких скоростях движения (красные зоны выше горизонтальной прямой) и по причине ограничения тока (а значит и мощности) зарядки во избежание разрушения свинцово-кислотных батарей, установленных на автомобиле (красные зоны ниже горизонтальной прямой).

Рис. 7. График зависимости мощности от времени Тем не менее, результаты испытаний показали, что использование рекуперации положительно влияет на топливную экономичность и экологичность автомобиля, однако ее эффективность, в том числе на автомобиле «МАМИ-ГСУ», относительно невысока. Поэтому для улучшения этого показателя возможно провести ряд усовершенствований ГСУ, а именно:

- применить накопители энергии с высокими удельными мощностными и энергетическими показателями;

- применить комбинированную систему накопления энергии, состоящую из высокомощных конденсаторов и тяговых батарей;

- применить электроагрегаты с высоким КПД во всем скоростном и силовом диапазоне;

- разработать алгоритм управления ГСУ, обеспечивающий высокий КПД работы всех составляющих агрегатов.

В настоящее время ведется работа по модернизации гибридной силовой установки с учетом полученных результатов.

УДК 629. КОНСТРУКТИВНЫЕ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ТРАНСПОРТНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ МАШИН С РОТОРНО-ВИНТОВЫМ ДВИЖИТЕЛЕМ В.А. Шапкин, д-р техн. наук, А.А. Кошурина, канд. техн. наук, М.С. Крашенников, Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева Роторно-винтовой движитель для транспортно-технологических машин изготавливается в одном из двух основных типов исполнений.

Наиболее распространенный вариант исполнения – это двух роторный движитель (рис.1.а ГПИ-66;

рис.1.б ГПИ-16Р).

Рис. 1.а) ГПИ-66 Рис. 1.б) ГПИ-16Р Подобный вариант исполнения движителя, ставший уже классическим, впервые применил еще в 1804 году американский инженер механик Джон Стивенс (1749-1838). Он создал пароход, курсировавший по р. Гудзон, с приводом от двух гребных винтов.

Вторым видом исполнения является четырех роторный движитель (рис.2.а ГПИ-06;

рис.2.б ГПИ-72).

Рис. 2 а) ГПИ-06 Рис. 2 б) ГПИ- Его отличие от предыдущего состоит в том, что движители в нем на каждом из бортов разделены на два винтовых ротора с равными длинами, вращающимися в разном направлении, поэтому эти части изготавливаются с направлением навивки лопастей друг навстречу другу.

Машины с роторно-винтовым движителем не отличаются большой скоростью передвижения, в среднем она составляет около 20 км/ч (40 км/ч уже считается «рекордной»), но этот недостаток полностью оправдывается высокой проходимостью в различных климатических условиях, в том числе и в сложных условиях бездорожья, а также в условиях Сибири и Крайнего Севера. Такой вездеход обладает высокими тягово-сцепными и экономическими качествами и может свободно преодолевать непроходимые болотистые участки, легко передвигаться по илистому грунту, по глубокому снегу, плавать по воде со скоростью, недоступной для колесных и гусеничных плавающих машин. Следует указать, что роторно-винтовые машины не пригодны для езды по асфальтным покрытиям или по бетону, а также могут нанести существенный экологический ущерб вдоль трасс своего движения. И поэтому, не смотря на то, что такие машины имеют широкую область применения, они не претендуют при этом на замещение собой существующих типов движителей, а занимают свое место в ряду средств передвижения вездеходной техники.

Одной из самых важных характеристик любого транспортного средства является его управляемость. Рулевое управление роторно винтовыми машинами традиционно осуществляется за счет изменения разности вращающих моментов на роторах, находящихся на разных бортах машины. В некоторых случаях это приводит к полной потере управляемости. Так, например, при выполнении поворота на снегу всего небольшое рассогласование во вращающих моментах может за 1,5- секунды развернуть машину на 90 градусов. Подобное поведение вполне можно охарактеризовать как неуправляемое (рис. 3).

Рис. 3. Схематичное изображение потери управления роторно-винтовой машины при выполнении поворота Недостатком приведенного рулевого управления роторно-винтовой машиной является его неспособность обеспечить при относительно больших скоростях достаточную устойчивость прямолинейного движения, а при повороте обеспечить минимально возможные увод с траектории и угол заноса (рис. 4).

Рис. 4. Схематичное представление поворота роторно-винтовой машины в общем виде Все эти отклонения связаны также и с тем, что переход с одного режима вращения роторов на другой при разгоне осуществляется водителем вручную, а не автоматизировано. Следствием это является в лучшем случае ступенчатое переключение скоростей, с трудом осуществляемое вовремя вне условий испытания. Однако все вышеперечисленные недостатки связаны не с самим принципом регулировки параметров движения, а связаны с несовершенством конкретных конструктивных и технических его реализаций.

При сравнении типовых исполнений роторно-винтового движителя между собой, при прочих равных условиях и наиболее обобщенно, можно отметить следующее:

1. Двух роторные машины менее критичны к небольшому (до четверти длины) смещению центра тяжести, чем четырех роторные;

боковой увод у двух роторных машин меньше;

2. При малой скорости движения (порядка 1-3 км/ч) по снегу с 3 плотностью от 0,25 т/м до 0,5 т/м двух роторные машины имеют более линейную зависимость угла поворота от разности вращающих моментов (более управляемы) по сравнению с четырех роторными. Также при таких скоростях движения и при одинаковой разности вращающих моментов двух роторные машины будут поворачивать на больший угол;

3. С ростом скорости движения преимущество двух роторных машин уменьшается и при скорости около 5 км/ч угол их поворота уже будет меньше, чем у четырех роторных;

Таким образом, исходя из вышеперечисленного, получаем, что в качестве транспортных машин, у которых в процессе эксплуатации изменяется центр тяжести, рационально использовать двух роторные машины и использовать их при относительно небольших скоростях движения.

В свою очередь четырех роторная машина будет наиболее пригодной для выполнения технологических и иных операций, где требуются более высокие скорости передвижения, и существуют строгие требования к выполнению задач в сложных условиях эксплуатации.

Выводом из этого следует вопрос о возможности объединения достоинств существующих исполнений роторно-винтового движителя в одном движителе, путем разработки на их основе нового перспективного исполнения. Для дальнейшего его использования в создании универсального транспортно-технологического средства с характеристиками, превосходящими предыдущие решения, а также имеющего более широкую область своего рационального применения.

При создании роторно-винтового движителя проектировщики задавали количество роторов, величину их диаметра, длину базового цилиндра ротора, конструктивные параметры винтовой лопасти (высоту, форму в поперечном сечении, угол навивки и ее направление) и т.д. В данной работе предлагается рассмотреть иное соотношение длин базовых цилиндров роторов в четырех роторном движителе и оценить целесообразность возможного применения подобного исполнения (рис. 5).

Рис. 5. Предлагаемое исполнение роторно-винтового движителя Предполагается, что такое решение, наряду с его простотой реализации и экономичностью изготовления, сможет вобрать в себя все преимущества вышеперечисленных типовых исполнений роторно-винтовых движителей, добавив к тягово-сцепным качествам двух роторных скоростные качества четырех роторных. Однако применение ротора с более короткой передней частью будет означать сосредоточение управляющих механизмов спереди машины, а так как роторно-винтовые машины при встрече с препятствием (например, выходом на лед) воспринимают нагрузку лобовой частью, то это может повлечь за собой выход машины из строя. И поэтому четырех роторный движитель с более короткой задней частью может оказаться более надежным в эксплуатации. Также одним из достоинств предлагаемой новой схемы исполнения движителя является возможность создания дополнительного управляющего воздействия на машину (поворот передних или задних коротких частей четырех роторного движителя в зависимости от нужного направления движения).

Основная сложность создания подобной конструкции состоит, прежде всего, в определении оптимального соотношения длин частей ротора и определении рационального режима работы передних и задних частей при вождении. Все это позволит вездеходам на роторно-винтовом ходу расширить круг своего применения.

СЕКЦИЯ НОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ, ОБОРУДОВАНИЕ, МАТЕРИАЛЫ И ПРОЦЕССЫ В АВТОМОБИЛЕСТРОЕНИИ УДК 621. РАСЧЕТ ДЕФОРМАЦИОННОЙ ПОВРЕЖДЕННОСТИ ФЛАНЦЕВ СО СФЕРИЧЕСКИМИ И КОНИЧЕСКИМИ ПОВЕРХНОСТЯМИ А.А. Александров, канд. техн. наук, доц.

Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия Необходимым условием создания и успешной реализации конкурентоспособных технологий на основе эффективных конструкторских и технологических решений является нахождение и применение оптимальных параметров и режимов обработки материалов при изготовлении деталей Известно, что одним из ограничений к применению малоотходных технологий холодной объемной штамповки для получения изделий является ресурс пластичности металла. В данной статье приведена математическая модель процесса поперечного выдавливания фасонных фланцев со сферическими (коническими) поверхностями. С использованием обобщенных показателей напряженно-деформированного состояния металла на кромке фланца получены выражения, позволяющие рассчитывать деформационную поврежденность металла, прогнозировать исчерпание ресурса его пластичности, находить оптимальные параметры инструмента для повышения предельной пластичности выдавливаемого металла и получения качественных изделий.

Схема процесса представлена рис. 1.

Примем кинематически возможное поле скоростей, удовлетворяющее гипотезе плоских Vо сечений. При этом радиальная составляющая скорости Ro перемещения частицы в зоне RT фланца задается в виде V 3 f ( ), и определяется из условия постоянства объема h0 z1 V 3 0,5 V0 R0 / hT, (1) V0 – скорость движения где hT z2 пуансона;

R0 – внутренний радиус контейнерной части матрицы;

– RT 1 текущий радиус сферических поверхностей матрицы и RT z3 контрпуансона;

hT – текущая высота зазора, а z1 и z2 – ординаты Рис. 1. Схема процесса соответственно верхней и нижней выдавливания сферических границ боковой поверхности z фланцев фланца;

R1 и R2 – радиусы сферических поверхностей матрицы z и контрпуансона соответственно.

Составляющие скорости деформации находятся из дифференциального уравнения несжимаемости среды Z 0.

2 V / V / 0.5 [V0 R0 (1 / C 2 1 / C1 )] / hT, V V 2, Z Z 0.5 V0 R0 1 / C 2 1 / C1 / hT, z где C1 R1 2, C2 R2 2.

2 Интегрируя (1), с учетом граничных условий:

VZ3=V3 tg1 при z1= z3 –R1 cos 1 ;

VZ3=V3 tg2 при z2= z4 –R2 cos 2, где tg1 = tg(arcsin /R1)=/C1, tg2 = tg(arcsin /R2)=/C2, находим осевую составляющую скорости перемещения частиц металла во V tg1 z 2 V tg 2 z1 z z 1 V tg1.

фланце VZ 3 z z 2 z1 z Экспериментально установлено [2], что разрушение при выдавливании такого вида изделий является область кромки, прилегающая к поверхности матрицы. Поэтому дальнейший расчет ведется для траектории, совпадающей с образующей матрицы.

Величина составляющей скорости деформации сдвига Z вдоль указанной траектории описывается выражением V 2 1 1 C ( M ) VZ 1.

Z C2 hT C C2 Интенсивность скоростей деформации сдвига H 2 [( ) 2 ( Z ) 2 ( Z ) 2 ] / 3 Z, 2 C 1 1 C3 C3 1 1, 2 V 0.25 2 C S S C1 S C1 где С3 1 / С 2 1 / С1.

Выразим линейные размеры, определяющие форму фланца, через R0:

K = / R0 ;

S = S3 / R0 ;

= h0 / R0.

Показатель деформированного состояния – степень деформации сдвига K K C3 2 1 1 C R H ( K ) 0 dK C3 R0 dK.

2 C C V 2 C1 C1 1 1 1 В качестве показателя напряженного состояния, являющегося критерием жесткости схемы деформирования, принято относительное гидростатическое давление /T ( - гидростатическое давление;

T – интенсивность касательных напряжений).

Из уравнения связи осевых компонент напряжений и деформаций для несжимаемого материала 2 T / H, с учетом граничного условия на кромке фланца ( = 0), находим, что 1 / C3 / C T 2..

T H 2 С3 / С1 С3 / С1 0.5 / С1 1 / C1 C При аппроксимации диаграммы пластичности в интервале изменения показателя напряженного состояния / T (от +1,0 до –1,0) линейными функциями предельная степень деформации сдвига P представляется в виде P A B / T, где A и B – коэффициенты аппроксимации, Считая, что характер исчерпания ресурса пластичности в каждый момент процесса деформирования зависит практически от соотношения /P, то предельное значение коэффициента выдавливания KП можно определить из условия, что поврежденность металла на кромке фланца KП H ( K ) R dK =1.

V p / T ( K ) Полученные формулы позволяют рассчитывать поврежденность металла и прогнозировать возможность появления трещин на кромке фланца при холодном поперечном выдавливании фланцев со сферическими поверхностями.

С применением вышеописанной методики к расчету предельной деформируемости металла при выдавливании конических фланцев (схема процесса на рис. 2) получены следующие выражения для определения P и KП.

Предельная степень деформации сдвига p A 2 B ( S K m) / M, где M = (4+ctg2)(S - Km) + 4KSm;

m=ctg-ctg.

Предельное значение коэффициента выдавливания KП находится из условия:

KП M /K S ( A M 2 B ( S K m) dK 0.

На рис. 3 приведены расчетные зависимости предельного коэффициента выдавливания от геометрических параметров формообразующего инструмента для алюминиевого сплава АВ (авиаль).

Сравнение теоретических расчетов и экспериментальных данных по предельной деформируемости металла показывает (рис. 4) их хорошее соответствие.

Рис.2. Схема процесса выдавливания конических фланцев Рис.4. Зависимости Кп от угла Рис.3. Зависимость Кп от параметров и величины при = 90о и (сплав АВ) при = 90о расчет (––––), эксперимент (– – –) Библиографический список 1. Колмогоров В.Л. Напряжения, деформация, разрушение / В.Л. Колмогоров. – М.:

Металлургия, 1970. – 230 с.

2. Евстифеев В.В. Устойчивость деформирования в процессах выдавливания изделий с коническими поверхностями / В.В. Евстифеев // Омский научный вестник. – 1998.– №2.

– С. 49-55.

УДК 621. ГРАФИЧЕСКИЙ МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ НАПРАВЛЕНИЯ ВОЛОКНА ПРИ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ ЗАГОТОВКИ А.А. Александров, канд. техн. наук, доц., А.И. Ковальчук, аспирант Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия Для изделия, работающего в условиях циклических и динамических нагрузок, одной из важных характеристик его эксплуатационных свойств является направление и форма волокон. Известно, что расположение последних по сечению детали может существенно влиять на усталостную прочность, ударную вязкость, износостойкость и т.д. [1, 2]. Возможность создания изделий с заданной волокнистой структурой в полной мере относится к получению их методами обработки металлов давлением.

В данной статье на примере процесса волочения (прессования) полосы через симметричную клиновую матрицу описан графический метод расчета направления волокон в деформированной заготовке. Ввиду симметрии на рис.1 изображена половина схемы процесса, а на рис. 2 – соответствующий ей годограф скоростей. Деформируемая полоса представлена в виде трех зон. Очаг пластической деформации представлен в виде треугольной зоны 2.

Основные приемы построений с использованием годографа скоростей покажем на изменении положения сечения, которое в исходном положении (до деформации) перпендикулярно к оси симметрии (рис. 3).

Для определения положения сечения во второй зоне в плоскости годографа (рис. 3а) проводятся две прямые – одна из полюса годографа скоростей параллельно вектору V1-2, а другая из конца вектора скорости блока V1 перпендикулярно к этому вектору до их пересечения. Соединяя точку M пересечения этих прямых с концом вектора V2, получаем линию, показывающую положение сечения в очаге деформации.

Для определения положения сечения на выходе из матрицы проводятся две прямые – одна из полюса годографа скоростей параллельно вектору V2-3, а другая из конца вектора скорости 2 блока V2 параллельно найденному положению (направлению) волокна в очаге деформации до их пересечения в точке N. Соединяя эту точку с концом вектора V3, находим искомое положение сечения на выходе из матрицы.

Таким образом, определяется поворот сечения при прохождении двух линий сдвига.

Рис. 1. Схема процесса Рис. 2. Годограф скоростей а) б) Рис. 3. Построение изменения положения сечения (волокна):

а) в плоскости годографа скоростей;

б) в физической плоскости (на схеме процесса) На рис. 4 показана поэтапная деформация квадратной ячейки и вписанной в неё окружности, которые после прохождения линий сдвига между зонами 1 2 и 2-3 преобразуются соответственно в параллелограмм и в эллипс.

Рис. 4. Деформация квадратной ячейки (окружности) при прохождении линий сдвига Последовательность построения изменения формы элементарной квадратной ячейки А1В1С1D1 показана на рис. 5. Отметим, что при использовании нижеследующих приёмов построения площадь деформируемой ячейки не изменяется, следовательно, условие постоянства объема строго выполняется.

Через точку А1 (рис. 5а) проводятся две линии – L1 и L2. Линия L параллельно направлению скорости V2, а линия L2 параллельно отрезку MN (рис. 3а), определяющему направление сечения во 2 зоне. Затем из точек В1 и D1 проводятся линии L3 и L4 параллельные отрезку ОМ до пересечения с линиями L1 и L2 проходящими через точку А1. Точки их пересечения обозначены как B2 и D2. Затем через точки B2 и D2 проводятся линии L5 и L6 параллельные отрезку MN и направлению скорости V соответственно. Они пересекаются в точке С2. Соединяя все найденные точки (точки А1 и А2 совпадают), получаем параллелограмм А2В2С2D2, представляющий вид деформированной элементарной ячейки после прохождения линии сдвига между зонами 1 и 2.

а) б) Рис. 5. Построение искажения элементарной ячейки: а) во 2 зоне;

б) – в 3 зоне Аналогичным образом, можно получить вид деформированной элементарной ячейки после прохождения линии сдвига между зонами 2 и (рис. 5б). Для этого через точку В2 проводятся линия L8 параллельно направлению скорости V3, а линия L7 параллельно отрезку, определяющему положение сечения в 3 зоне (рис. 3а). Из точек А2 и В2 проводятся линии L9 и L10 параллельные отрезку ОN до пересечения с линиями L7 и L8. Точки их пересечения обозначены как А3 и С3. Затем через найденные точки А3 и С проводятся линии L11 и L12 параллельные линиям L7 и L8. Их пересечение дает точку D3. Соединяя все найденные точки (точки B2 и B3 совпадают), получаем искомый параллелограмм А3В3С3D3.

Далее по найденным параллелограммам соответственно устанавливаются параметры соответствующих эллипсов и рассчитываются деформации.

Применение предложенных приемов определения деформации сетки и направления волокна непосредственно на годографе скоростей упрощает вычисления, а также показывает более широкие расчетные возможности данного метода в сравнение с известным методом построения линий тока и искажения прямоугольной сетки [3].

Исходя, из вышеизложенного заключим, что предложенный графический метод позволяет эффективно рассчитывать деформированное состояние по сечению заготовки и может быть использован для квалифицированной оценки расположения волокон в штампованном изделии на этапе разработки технологии.

Библиографический список 1. Фельдман Г.Д. Холодное выдавливание стальных деталей. М.: Машгиз, 1963. 188 с.

2. Воронцов А.Л. Расчет направления волокон в стенке выдавленных полых изделий // Вестник машиностроения. 2005. №10. С. 63-66.

3. Томленов А.Д. Теория пластического деформирования металлов. М.: Металлургия, 1972. 408 с.

УДК 621. 735. ПОСТРОЕНИЕ РАЦИОНАЛЬНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ХОЛОДНОГО ВЫДАВЛИВАНИЯ В.В. Евстифеев, д-р. техн. наук, проф., А.А. Александров, канд. техн. наук, доц., В.Г. Азаров, канд. техн. наук, доц., И.С. Лексутов, преподаватель, К.Н. Пантюхова, преподаватель * Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия *Омский государственный технический университет Технологии холодной объемной штамповки (ХОШ) с полным основанием относятся к малоотходным. Опыт отечественных и зарубежных фирм показывает, что при изготовлении изделий ХОШ почти вдвое сокращаются расходы материала и электроэнергии, уменьшается, а иногда полностью исключается, доработка резанием.

В то же время внедрение процессов холодного деформирования требует относительно высоких расходов на опытно-конструкторские работы и изготовление деформирующего инструмента.

ХОШ характеризуется многообразием вариантов технологических схем пластического деформирования, которые зависят от свойств деформируемого металла, геометрии детали, необходимости обеспечения определенных эксплуатационных характеристик, программы выпуска, типа используемого оборудования.

Эффективность технологических процессов определяется максимальным коэффициентом использования металла, минимальным количеством операций формоизменения и последующей механической обработки, относительно небольшими удельными силами деформирования.

Ниже показаны технологии, отвечающие этим показателям, разработанные специалистами МГТУ «МАМИ», НИИТАвтопрома, ОмГТУ, СибАДИ, [1].

При отработке технологии штамповки ниппеля (рис. 1а) выбраны операции формирования ступенчатой полости обратным выдавливанием и высадки головки, что обеспечивает высокую стойкость инструмента и небольшой отход материала при отрезке исходной трубной заготовки.

Выдавливание детали «Гайка» (рис. 1, б) из заготовки диаметром 36 мм (степень деформации 70%) требует изготовления инструмента из твердых сплавов или быстрорежущих сталей. Вопрос повышения стойкости решается при использовании операций контурной осадки (рис. 1, 2), когда при определенных соотношениях размеров исходной заготовки высота отростка остается равной высоте заготовки (рис. 1, 1), и вытяжки-свертки (рис. 1, 3).

Механическая доработка состоит в нарезании резьбы и торцовке.

В случае выдавливания детали «Крышка» (рис. 2) за счет подбора диаметра исходной заготовки (32 мм) удалось добиться того, что формирование стенок полой части и многогранного отростка завершается одновременно (то есть в условиях комбинированного выдавливания).

Для штамповки выдавливанием деталей с многогранной наружной поверхностью обоснован выбор формы заготовки в виде цилиндра с усеченным конусом (или двумя) или «недозаполненного многогранника» с усеченным конусом с целью оформления ребер по всей высоте [2]. Такая форма части заготовки, предназначающейся для формирования полой многогранной части детали, используется при штамповке штуцеров, накидных гаек с коническим хвостовиком и др.

1 2 а) б) Рис. 1. Технологические переходы штамповки ниппеля (а) и гайки (б):

1 – заготовка;

2 – осадка контурная;

3 – вытяжка-свертка 1 2 Рис. 2. Технологические переходы штамповки детали «Крышка»: 1 – осадка;

2 - выдавливание комбинированное;

3 – вытяжка с утонением При рассмотрении вариантов технологий штамповки фасонных деталей следует в первую очередь рассматривать варианты со способами комбинированного выдавливания, так как последние выполняются при относительно небольших удельных деформирующих силах. Именно этот принцип использован при разработке технологии выдавливания детали «Гайка»

(рис. 4). Можно рекомендовать также способы комбинированного выдавливания стержневых и полых деталей с использованием способов а, в (рис. 5) в условиях мелкосерийного производства и способов б, г (рис. 5) во всех других [3].

В некоторых случаях (проверка технологий с использованием операций со сложной кинематикой течения металла) необходимо проводить опытную штамповку для определения текущего и конечного формоизменения, что увеличивает стоимость проектирования. Но в настоящее время ее можно заменить численными экспериментами при помощи системы автоматизации моделирования процессов холодной объемной штамповки [4].

Рис. 3. Технология выдавливания гайки колесной: 1 – осадка- калибровка заготовки;

2 – формовка цилиндроконической заготовки;

3 – полуфабрикат перед заключительным переходом штамповки Рис. 4. Переходы выдавливания детали «Втулка»: 1 - выдавливание комбинированное;

2- деталь Рис. 5. Схемы инструментов для одновременной штамповки двух деталей в условиях комбинированного выдавливания: 1 – пуансон;

2 – матрица;

3, 4 – заготовки;

5 – контрпуансон Покажем возможности моделирования на примере оценки формоизменения при выдавливании опоры шаровой (рис. 6 б) из трубной заготовки. Задача решалась в осесимметричной постановке, при этом сферическая поверхность инструмента аппроксимировалась (рис. 7а) двадцатью отрезками прямых линий.

В процесс моделирования изменялись размеры заготовки (высота кольцевой заготовки H и её толщина L): 10 и 5 мм;

10 и 4,5 мм;

9 и 5 мм.

а) б) Рис. 6. Технология выдавливания детали «Опора шаровая»: а – заготовка (без указания высоты и толщины стенки перед имитационным моделированием);

б - деталь Построение зависимостей изменения размеров заготовки от хода пуансона происходило автоматически за счет считывания координат точки на пересечении верхней торцовой и наружной поверхностей, а также точки на внутренней поверхности на уровне основания детали (рис. 7б).

По графикам (рис. 8) видно, что в третьем случае размеры выдавленного полуфабриката при ходе пуансона 6,0 - 6,5 мм наиболее близки к размерам детали (с учетом растачивания отверстия до диаметра 36 мм).


На рис. 9 и рис 10 представлены схемы инструментов для одновременной высадки утолщений на двух заготовках. В первом случае заготовки 2 и 4 устанавливаются в матрицы 1 и 3 параллельно друг другу на расстояниях между осями, обеспечивающих при совместной высадке контакт по плоскости, образующей грани (лыски) на каждой головке (б);

таким образом исключаются операции фрезерования или обрезки (в). Во втором случае обеспечивается высадка полок (меньшей или большей толщины, чем толщина исходных заготовок) на плоских заготовках [5].

Детали типа конических стаканов возможно выдавливать только по схеме прямого выдавливания [7]. При этом должны быть обеспечены условия, когда радиальные и тангенциальные напряжения на кромке – сжимающие.

L P H а) Пуансон сфера H L Матрица б) Рис. 7. Картина формоизменения кольцевой заготовки при автоматизированном моделировании: а) до деформирования;

б – в процессе деформирования H, L (мм) H H H L L L 0 1 2 3 4 5 6 7 Ход пуансона Рис. 8. Изменение высоты и толщины (по нижнему торцу) поковки для трех соотношений размеров исходной заготовки а) б) в) Рис. 9. Инструмент и детали, высаживаемые при встречном движении матриц Рис. 10. Схема одновременной высадки полок: 1 – пуансон;

2, 3 – заготовки;

4 - матрица а) б) Рис. 11. Конический стакан, выдавленный по схеме прямого выдавливания в суживающуюся щель: а) деталь (штамповка);

б) заготовка исходная Библиографический список 1. Евстифеев В.В. Научное обоснование, обобщение и разработка прогрессивных технологий холодной объемной штамповки / Дис. …докт. техн. наук. М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана,1994. 482 с.

2. Евстифеев В.В. Исследование кинематики течения металла и силового режима при холодной штамповке полых многогранных деталей / Дис. … канд. техн. наук. М.:

МАМИ, 1969. 197 с.

3. Азаров В.Г. Исследование одновременного выдавливания двух заготовок / В.Г.

Азаров, В.В. Евстифеев // Анализ и синтез механических систем: Сб. науч. тр. Омск:

ОмГТУ, 1998. С. 80 – 83.

4. Евстифеев В.В. Проектирование, анализ и расчет процессов холодной объемной штамповки / В.В. Евстифеев, А.А. Александров, И.С. Лексутов. Омск: СибАДИ, 2009. 184 с.

5. Патент РФ № 2227989 МПК В21D 22/02, В21J 5/08. Способ изготовления Г – образных деталей / Евстифеев В.В., Пантюхова К.Н. 20.06.2006. Бюл. № 17. 4 с., ил.

6. Евстифеев В.В. Прогнозирование возникновения дефектов на стадии разработки технологии холодной высадки / В.В. Евстифеев, А.А. Александров, И.С. Лексутов, К.Н.

Пантюхова // Матер. III Междунар. технологич. конгресса «Военная техника, вооружение и технологии двойного применения». Омск: ОмГУ, 2005. Ч. I. С. 124 – 125.

7. Евстифеев В.В. Методика построения геометрии инструмента при холодном выдавливании конических стаканов / В.В. Евстифеев, Г.П. Подколзин // Кузнечно штамповочное производство, 1978. № 3. С. 11-13.

УДК 621. НОВЫЕ КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ МАШИНОСТРОЕНИЯ В.В. Естифеев, д-р. техн. наук, проф., В.И. Гурдин, канд. техн. наук, проф., В.В. Седельников, канд. техн. наук, А.В. Бердюгин, аспирант Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия Непрерывное обновление и совершенствование машин и приборов, применяемых в современном машиностроении, требует создания материалов с высокими эксплуатационными свойствами. Особая роль в их разработке отводится методам порошковой металлургии, которые являются энерго- и ресурсосберегающими. Во многих случаях они могут обеспечивать уникальные свойства за счет возможности соединения различных компонентов композиционных материалов (КМ), обладающих разными физико-механическими свойствами.

Наиболее широко применяются КМ из спеченных железных порошков. Повышение плотности и механических свойств изделий из спеченных порошковых КМ достигается за счет применения высоких давлений уплотнения, легирования матрицы КМ, прессования с применением специальных способов получения материалов и изделий (горячее статическое и динамическое прессование, повторное прессование и т.д.) Однако эти методы повышают энергоемкость процессов, а значительная часть получаемых материалов и изделий характеризуется большей или меньшей остаточной пористостью. Применение жидкой фазы, образующейся в прессованном изделии в результате плавления более легкоплавкой составляющей или контактного плавления легирующих добавок между собой (или в паре с основным компонентом при нагреве и последующем жидкофазном спекании), не позволяет получать изделия с минимальной усадкой.

Увеличение плотности прессовки может быть достигнуто инфильтрацией предварительно спеченного каркаса более легкоплавким компонентом (пропитывающим сплавом). Композиционные материалы, полученные методом пропитки сплавами определенного химического состава и последующего жидкофазного спекания, могут обеспечить высокие эксплуатационные свойства изделий.

Повышение конкурентоспособности продукции автомобилестроения требует создания новых материалов, обладающих высоким уровнем механических свойств и высоким сопротивлением термомеханической усталости, а также новых, более совершенных способов получения КМ.

Важную роль в решении этой задачи играют армированные КМ со спеченной металлической порошковой матрицей, имеющие высокое сопротивление усталостному разрушению. При получении материалов, армированных металлическими волокнами, необходимо обеспечить прочную связь на границе раздела фаз «волокно – матрица», обеспечивающую передачу нагрузки на волокна. При жидкофазном спекании создаются условия для сближения поверхностей частиц пропитывающего сплава с поверхностью волокон на достаточно малые расстояния и образования химической связи между этими фазами.

Совершенство гетерогенной структуры материалов, определяющее термомеханическую стабильность КМ, может быть достигнуто за счет совмещения процессов пропитки и легирования компонентов КМ при жидкофазном спекании. Поэтому проблема создания КМ на основе спеченной железной матрицы, имеющих высокие механические и теплофизические свойства, является актуальной и представляется важной в теоретическом и практическом отношениях.

В данной работе представлено одно из возможных решений указанной проблемы, которое базируется на предложенной идее применения в качестве пропитывающих материалов борсодержащих сплавов эвтектического состава на основе железа, никеля и кобальта, обладающих высокой жидкотекучестью, низким поверхностным натяжением и высоким уровнем физико-механических свойств, что позволяет разрабатывать технологии их получения методом пропитки борсодержащими сплавами эвтектического состава и последующего жидкофазного спекания на основе структурно-энергетического подхода к определению состава и технологических режимов, обеспечивающих получение гетерогенной структуры с высокими механическими и теплофизическими свойствами.

На рисунке 1 представлена схема пропитки пористого изделия борсодержащими сплавами эвтектического состава.

Использование в качестве пропитывающих материалов новых эвтектических борсодержащих сплавов на основе железа, кобальта и никеля требует определения температуры плавления сплавов, температуры образования и разложения различных химических соединений в присутствии железа, кобальта и никеля, так как эти данные либо вообще отсутствуют, либо носят противоречивый характер [1, 2].

Эти характеристики пропитывающих материалов определялись дифференциально-термический анализом (ДТА) на дериватографе типа ОД-103 Венгерского оптического завода.

Эксперименты показали, что в интервале температур плавления эвтектических сплавов происходит резкое изменение энтальпии.

Экстремальный минимум соответствует поглощенной теплоте плавления пропитывающих сплавов, то есть изменению энтальпии системы при переходе из твердого состояния в жидкое.

Частица порошка бора Частица железного порошка Рис. 1. Схема пропитки пористого изделия Особый интерес представляют физико-химические явления, происходящие в процессе пропитки пористых прессовок эвтектическими сплавами: взаимодействие между жидкой фазой (пропитывающим сплавом) и твердой пористой прессовкой;

взаимная диффузия элементов пропитывающего сплава и пористой матрицы и т.д.

Проведенный термодинамический анализ процесса получения композиционных материалов методом пропитки железной матрицы борсодержащими пропитывающими сплавами эвтектического состава на основе железа, кобальта, никеля и последующего жидкофазного спекания показал, что в системе «пропитывающий сплав – пористая железная прессовка» при определенных температурах развивается термодинамический процесс, включающий:

- плавление пропитывающего сплава (фазовый переход), сопровождающее-ся резким изменением энтальпии системы, которое соответствует поглощенной теплоте плавления пропитывающего сплава, т.е. изменению энтальпии системы при переходе из твердого в жидкое состояние;

- проникновение пропитывающего сплава в поры железной матрицы под действием капиллярных сил, сопровождающееся выделением тепла.

Исследования показали, что процесс пропитки (проникновение жидкой фазы в твердую пористую матрицу) начинается сразу после появления первых капель жидкой фазы в брикете питателя и заканчивается почти одновременно с полным расплавлением пропитывающего сплава.

В табл. 1 представлены результаты экспериментов. Видно, что прочность композиционных материалов тем выше, чем больше величина WA.

Таблица Результаты ДТА процесса пропитки и свойства композиций WA, Пропитывающий сплав в, МПа кДж / моль материал матрицы Ni 4 % B 3,1 360 – Fe 100 % Сo 4 % B 4,3 400 - Fe 100 % Fe 14 % ФБ 2,15 280 – Fe 100 % Fe 3,8 % B 0,49 240 – Fe 100 % Это дает основание полагать, что при пропитке железной прессовки материалами составов Ni + 4 % В и Со + 4 % В идет энергичное смачивание жидкой фазой твердого каркаса;


активнее протекает взаимодействие этих двух фаз с образованием промежуточных соединений, что приводит к повышению работы адгезии.

При легировании сплавов молибденом, вольфрамом, ниобием и другими элементами изменяется и температура их плавления.

При изыскании более и менее дефицитных борсодержащих материалов и разработке сплавов для пропитки железных прессовок с целью повышения их физико-механических свойств использовался ферробор марок ФБ 20, ФБ 17, ФБ 12, ФБ 6, применяемых в металлургии сталей и сплавов.

Свойства образцов, изготовленных из прессовок, (давление прессования 500 МПа, температура спекания 1190…1200 0С, время жидкофазного спекания 15 мин., = 0,22), полученных методом пропитки пористой железной матрицы сплавами системы Fе – ФБ 20, приведены в табл. 2.

Таблица Свойства композиционных материалов, полученных методом пропитки пористой железной матрицы сплавами системы Fе – ФБ Состав пропитывающего в, МПа, % Линейная усадка, % материала Fе+10% ФБ 20 260…280 1,2…1,8 0,9…1, Fе+14% ФБ 20 270…280 1,8…2,0 1,2…1, Fе+18% ФБ 20 280…290 1,9…2,2 1,1…1, Fе+22% ФБ 20 250…270 2,0…2,2 1,1…1, Таблица Свойства полученных композиционных материалов Композиционный материал:

в, МПа, % питатель / матрица Fe + 14 % ФБ 20 / Fe + 6 % Ni 340 10, Fe + 14 % ФБ 20 / Fe + 6 % Cr 440 Fe + 14 % ФБ 20 / Fe + 6 % Mo 600 2, Fe + 14 % ФБ 20 / Fe + 6 % Mn + 0,2 % C 700 1, Примечание – давление прессования образцов = 500 МПа;

температура спекания 1190°С;

среда спекания - вакуум не выше 0,01 Па;

время жидкофазного спекания 15 минут.

Исследования показали (табл. 3), что по механическим свойствам полученные материалы не уступают материалу, содержащему бор, но по стоимости в 25-30 раз дешевле, что является определяющим фактором в перспективности их применения [3].

Библиографический список 1. Бор: Его соединения и сплавы [Текст] / Г.В. Самсонов [и др.]. – Киев: Изд–во АН УССР, 1960. – 590 с.

2. Криштал, М.А. Структура и некоторые свойства сплавов железа с бором [Текст] / М.А. Криштал, А.Н. Свободов. // Металловедение и термическая обработка металлов. – 1969. – № 9. – С. 7–10.

3. Сплав на основе железа [Текст]: а.с. № 587172 СССР: МКИ2 С22 С38/00, С22 С33/02, B22 F3/26 / А.К. Машков, В.И. Гурдин В.И., Е.П. Поляков [и др.];

заявитель и патентообладатель Омский политехнический институт. – № 2367638/22-2;

заявл.

26.05.76;

опубл. 05.01.78, бюл. №1. – 2 с.

УДК 678.5. НОВЫЕ КОНСТРУКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА АВТОМОБИЛЕЙ А.П. Жигадло, д-р. пед. наук, доц., А.Л. Иванов, канд. техн. наук, доц., В.П. Расщупкин, канд. техн. наук, доц., Д.А. Цуркан, инженер Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия Известно, что применение компьютерного моделирования значительно сокращает время поиска эффективных материалов и снижает расходы на эти цели. Это не означает, что методами компьютерного моделирования удаётся точно предсказать структуру материала, но удаётся оптимизировать цикл экспериментальных исследований, существенно сократить количество элементов, подлежащих экспериментальной проверке. Можно ожидать, что применение компьютерного моделирования при конструировании наноструктурированных материалов также окажется эффективным.

В настоящее время внимание фокусируется на моделях, позволяющих прогнозировать новые свойства материалов. Развивается направление, получившее название «Многомасштабное моделирование материалов и процессов». Для реализации этого подхода необходимо опираться на знания и модели, описывающие различные уровни организации материала:

атомарный, наноразмерный – кластер атомов, микро - и макроуровневый.

Строение и свойства конечного макрообъекта определяются строением и свойствами всех уровней организации материала. Модели, применяемые сегодня, на каждом из уровней иерархии должны быть связаны в единую программу расчёта.

Реализованы методы отбора значимых результатов расчета, полученных на каждом иерархическом уровне, и их интеграция в рамках полномасштабного описания исследуемого объекта. Многомасштабный подход в стратегической перспективе играет роль объединяющей парадигмы и языка науки и техники, позволяя соединить различные научные, вычислительные и технические модели, представления и метрики.

Считается, что применение этого подхода в сфере нанотехнологий будет эффективно, поскольку интенсивно разрабатывается аппарат агрегирования моделей, применяемых на разных уровнях иерархии материала, растет доступность вычислительных ресурсов для работы со сложными моделями и осознается потенциал моделей прогнозировать свойства, которые лежат за пределами современного эксперимента.

Для повышения физико-механических свойств сплавов типа чугуна осуществлен поиск элементов, которые формируют эти свойства в процессе кристаллизации жидкого расплава.

Выяснение механизма образования центров кристаллизации графита в расплаве чугуна является важным, но до сих пор нерешенным вопросом. В настоящей работе исследовали механизм образования центров кристаллизации графита на молекулярном уровне в рамках термодинамической модели кванторавновесных систем на основе теории информации, теории графов и статистической термодинамики. Работа состояла из двух частей – компьютерного эксперимента и натурных испытаний.

Компьютерный эксперимент проводили по алгоритмам и программам, описанным в работах [1-3]. Расчет квазиравновесных концентраций пластинчатых и сферических центров кристаллизаций графита проводили по методу Бринкли [4]. В качестве базовой модели была взята эвтектика Fe-C, содержащая 4,3 % С, которой добавляли микролегирующие добавки ЩЗМ (Mg, Ca, Ba) и лантаноиды.

Расчеты показали, что наиболее вероятен механизм образования центров кристаллизации: 2 - интеркалят, 3 - полеарен, 4 - «сэндвич» соединение, 5 - сферический центр кристаллизации или полиэдран, 6 карбиды металлов, М - атом железа, ЩЗМ или лантоноида. На основе значения потенциалов Гельмгольца все эти соединения располагаются в следующие ряды при t = 1150/1200 С° и р= 100/300 кПа: для эвтектики Fe C:14~2316, для состава Fe – C – М, где М – лантоноид: 5421~36.

Полиэдраны со структурой типа 5 должны быть стабильными частицами (ареновые и сэндвичевые комплексы могут служить временными соединениями, образующимися и распадающимися в процессе образования и роста центра графитизации). В этом случае они могут наблюдаться в реальных расплавах эвтетик. Действительно, расчет квазиравновесных концентраций соединении 1-4 выявил р-Т области наиболее вероятного обнаружения зародышей кристаллизации со структурой полиэдранов 5.

Определены зависимости максимальных вероятностей обнаружении соответствующих квазиравновесной концетрации соединения 5, от давления и температуры расплава при следующих концетрациях микролегирующей добавки: 0,01;

0,05 и 0,1%. Оптимальными металлами для образования сферических центров кристаллизации являются Mg, Ca, Ba, Y, La, Ce, Sin и Gd.

Для натуральных испытаний выбрали чугун, микролегированный 0,058% Ce. Из литого образца по стандартной методике выделяли графитовые включения, которые сепарировали по мелкости путём их взбалтывания в 10% м водном растворе глицерина. Мелкие частицы, плавающие на поверхности раствора, деконтировались, отделялись от раствора на стеклянном фильтре и сушились при комнатной температуре. Химический анализ показал, что выделенный продукт содержит 85,78% С и 13,98% Се, что отвечает составу С 71,4 Се 0,99. С выделенного вещества были сняты рентгеновский и ИК-спектры на приборах ДРОН-2, ИСК-29. Сопоставление этих спектров со спектрами графита показало наличие существенных различий строения выделенного вещества и пластинчатого графита. Наличие поглощения в области 1000 1200см-1 в ИК – спектре говорит о существовании пятичленных циклов в выделенном веществе (в пластичном графите эти циклы и отвечающие им поглощения в ИК- спектре отсутствует). Тем самым натуральные испытания подтвердили данные компьютерного эксперимента.

Полученные результаты позволяют проводить целенаправленный подбор микролегирующих добавок к чугунам в зависимости от условий плавки металла, скорости охлаждения отливки, её массы и условий термообработки.

Распространённые методы модифицирования стали и сплавов добавками ШЗМ и РЗМ повышают пластичность металла и незначительно увеличивают прочность. Действие комплексных модификаторов, содержащих карбидо- и нитридообразующие элементы, сочетает модифицирование с микролегированием, обеспечивая измельчение зерна, твёрдорастворное и дисперсионное упрочнение при термообработке.

Введение модификаторов в жидкий расплав является сложной технической проблемой. Ее удалось решить, применяя принцип нанотехнологии. Во первых, была решена проблема получения наночастиц и, во – вторых, был разработан технологический способ ввода в жидкую сталь частиц путём вдувания или в виде прессованных таблеток.

Известно, что стали и сплавы интенсивнее упрочняются при введении частиц в виде ультрадисперсных порошков (УДП) тугоплавких соединений, частицы которых являются мельчайшими кристаллами размером 0,01-1 мкм, а также комплексными модификаторами, упрочняющими сплавы на нескольких структурных уровнях. На структурном уровне кристаллических решёток такие частицы, равномерно распределенные внутри зёрен и имеющие межфазные границы, служат стоками вакансии и атомов примесей, которые в отсутствии частиц снижают силы межатомного взаимодействия в кристаллических решётках и прочность матрицы сплава.

Так, в сталях, модифицированных 0,02% (массы расплава) карбонитридом {Ti(CN)}, на частицах кристаллизуется эвтектика, содержащая 28-30% Fe, Mn, 7-8,7% P и С, размеры включения которой мкм. Частицы УДП делят матрицу сплава на блоки за счёт полей напряжений вокруг них, препятствуя движению дислокации и способствуя их зарождению, что повышает предельное напряжение разрушения.

Граница зерна в модифицированной стали огибает частицы и имеет вид ломаной линии. Частицы УДП оказывают влияние на топографию и морфологию избыточных фаз, являясь центрами их кристаллизации, и препятствуют выделению эвтектики, что оказывает инверсию структуры.

Улучшенные свойства стали можно получать с применением легирования и модифицирования. Для получения необходимых зависимостей реализовали 13 планов дробного факторного эксперимента, при этом один является базовым (для нелегированного и не модифицированного составов), а остальные при одинаковом уровне общих переменных факторов (C, Si, Mn, P, S, Ti) дополнительно содержали один из легирующих элементов (Mn, Si, Ni, Al, Cr, U, Mo, W, Ti) или модификаторов (ФС, КС). Обработкой экспериментальных данных получили уравнения регрессии, устанавливающие зависимость механических свойств, параметров структуры. Учитывая, что для всех планов одинаковыми сохранились уровни общих факторов, установили коэффициенты отражающие влияние легирующих элементов и модификаторов, в результате чего получили следующее i k i i уравнение: yi a 0 aixi aik xi x k ai j x j l l l В уравнении первые три слагаемые отражают влияние общих переменных факторов (C, Si, Mn, S, P, d, T) на структуру и свойства, а последнее – влияние на них легирующих элементов и модификаторов.

Количество легирующих добавок и модификаторов, обеспечивающих заданный уровень свойств и параметров структуры чугуна, определяется эмпирически.

Легирующие добавки и модификаторы расположены в порядке их технологической и экономической целесообразности. Для каждой добавки установлен диапазон изменения ее уровня. В зависимости от требований производства для заданных свойств или параметров структуры устанавливаются диапазоны их изменений: yi yi yi max. Для расчета двух, трех или четырех добавок разработаны программы для ЭВМ.

Удовлетворение заданным требованиям проверяются для вектора y покоординатно и при первой же координате y, не удовлетворяющей требованиям, дальнейшая проверка на этих уровнях прекращается, что резко сокращает время расчета: для двух добавок оно составляет пять минут, для 3 10 мин. для 4- 15мин. Все три программы могут использоваться как самостоятельные или могут быть соединены в одну с автоматическим выбором числа и уровней добавок или объединены в комплекс с программой состава базового чугуна с дальнейшим легированием и модифицированием.

Как видим, оптимальный химический состав не легированного состава не обеспечивает требуемых свойств и параметров структуры отливки. В связи с этим по разработанным программам выбирали тип и количество легирующих добавок и модификаторов, которые обеспечивали бы требуемые свойства.

Найдено, что заданные свойства и параметры структуры (при сохранении оптимального химического состава) нелегированного состава обеспечиваются составами, %:1 Cu+1.1Cr;

1.15Mn+0.85Cu+1Cr;

1.15Mn+0.2ФС + 0,85Cr+1Cu/ Наилучшие свойства достигаются в последнем варианте.

Вопрос о выборе конкретного оптимального состав сплава и наложений на него допусков, а также ограничений на вредные примеси – это важная подзадача общего синтеза сплавов. Данная подзадача решается путем планируемого эксперимента, построением математической модели и ее оптимизации. Решение подзадачи позволяет свести число факторов – компонентов, входящих в сплав, до приемлемого минимума. Любой технический сплав должен обладать определенными механическими свойствами. При синтезе конструкционных сплавов, для которых это требование является главным и часто единственным, приходится решать задачу о соотношении прочности, пластичности и стоимости. Все чаще ставится вопрос о экономнолегированных сплавах, т.е. очевидно, о сплавах, обладающих минимальной стоимостью при заданных прочности и пластичности. Методика расчета, необходимая для данной конструкции прочности и пластичности, к сожалению, пока не создана. При допущении той или иной пластичности и прочности приходится опираться на накопленный опыт и интуицию. Упрочнение сплавов за счет регулирования их составов может осуществляться с растворением легирующих элементов в основе, ограничением содержания вредных примесей.

Библиографический список 1. Хеккель, К. Техническое применение механики разрушения / К. Хеккель М.:

Металлургия, 1974. 256 с.

2. Нотт. Дж. Ф. Основы механики разрушения / Дж. Ф. Нотт М.: Металлургия, 1976. 256 с.

3. Финкель, В.М. Физика разрушения. Рост трещин в твердых телах / В.М. Финкель М.:

Металлургия, 1970. 376 с.

4. Браун, М.П. Микролегирование стали / М.П. Браун Киев: Наукова думка, 1982. 30 с.

УДК 621.87 681. ПОСТРОЕНИЕ МАТРИЦЫ СМЕЖНОСТИ ГРАФА ПОВЕРХНОСТИ С ПРЕПЯТСТВИЯМИ ДЛЯ ПОИСКА КРАТЧАЙШЕЙ ТРАЕКТОРИИ ПЕРЕМЕЩЕНИЯ ГРУЗА АВТОМОБИЛЬНЫМ КРАНОМ М.С. Корытов, канд. техн. наук, доц.

Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия При перемещении грузов автомобильными кранами, как правило, не ставится задачи точной отработки траектории перемещения груза. Однако существуют ситуации, при которых задание определенной траектории перемещения груза необходимо. Такие ситуации могут иметь место, например, при наличии различных препятствий между начальным и конечным положениями груза. Наличие препятствий предусматривает их обход с какой либо стороны, а следовательно, возникает задача управления грузом в трех координатах пространства и минимизации пути [1, 2].

Использование методик поиска кратчайшего пути в системе автоматического управления автокраном позволит перемещать груз по оптимальной траектории, обеспечивая минимизацию расстояния (а следовательно, повышение производительности), и одновременно плавность перемещения.

Необходимо переместить груз из начального положения в конечное, минуя препятствия, расположение и форма которых известны.

Дополнительно необходимо минимизировать длину траектории перемещения. Форма и размеры груза предполагаются известными.

Все преобразования в трехмерном пространстве могут быть сведены к композиции двух преобразований: вращения и переноса вдоль координатных осей. Это позволяет разделить и выполнять по отдельности:

1) нахождение траектории определенной точки груза в трехмерном пространстве с препятствиями;

2) оптимизацию траекторий трех угловых координат груза.

Выполнение п. 1 предполагает расчет и оптимизацию пути перемещения характерной точки начала координат системы груза в среде с поверхностями-препятствиями, представляющими собой пространственные эквидистантные (равноудаленные) поверхности от реальных поверхностей-препятствий (чтобы исключить столкновение груза с реальными поверхностями препятствий).

Существуют традиционные подходы к решению задачи поиска минимального пути. Наиболее эффективны алгоритмы на взвешенных графах. Это относительно сложные алгоритмы. Все более простые алгоритмы не гарантируют, что путь обязательно будет найден, и найденный путь будет именно кратчайшим [3, 4].

Алгоритмы поиска путей на графе работают с 2-мерным массивом чисел, описывающим пространство с препятствиями как граф.

Разработаны и используются готовые программные реализации ряда из перечисленных алгоритмов. Чтобы их использовать, необходимо подготовить исходные данные в виде матрицы смежности графа [4].

В каждой ячейке этой матрицы записывается число, определяющее наличие связи от вершины-строки к вершине-столбцу (либо наоборот). В нашем случае это число будет расстоянием между двумя точками в пространстве – вершинами графа.

Возможны разные подходы к созданию матрицы смежности, от эффективности и удачности выбора которых зависит точность и быстродействие применения алгоритмов поиска.

Наиболее универсальным способом задания значений матрицы смежности, применение которого описывается простым алгоритмом и возможно при любой конфигурации препятствий, является способ рассмотрения всех без исключения узлов трехмерной равномерной пространственной решетки ограниченной области пространства, где происходит движение груза из начального положения в конечное (рис. 1).

При этом для каждого узла описываются его связи только с ближайшими узлами-соседями в реальном пространстве.

Для каждого узла возможно рассмотрение соседних узлов в пределах одного ряда, в пределах двух или нескольких рядов.

Если для какого-либо узла j= jmin,(jmin+1),…jmax y z пространственной решетки вертикальная координата z будет k=kmin, эквидистантной (kmin+1) меньше высоты поверхности в точке с данными …kmax координатами x и y (то есть узел будет находиться внутри препятствия), то i=imin,(imin+1),…imax x расстояние между данным узлом и всеми его рассматриваемыми узлами- Рис. 1. Пространственная равномерная решетка (пример): o – свободные соседями принимается на графе равным узлы;

– занятые препятствием узлы бесконечности () [3, 4].

Вычислительные затраты на подготовку матрицы смежности при увеличении рассматриваемых узлов-соседей возрастают в геометрической прогрессии, и при количестве рядов-соседей более трех становятся недопустимо большими для практического использования.

Вычислительные эксперименты показали, что влияние количества рассматриваемых рядов-соседей на точность найденной траектории незначительно, то есть можно ограничиться рассмотрением одного ряда. В этом случае затраты на подготовку матрицы смежности относительно невелики. Однако, в общем случае, траектория, найденная любым алгоритмом поиска пути на графе при таком способе задания значений матрицы смежности, не является кратчайшей.

Улучшить эффективность поиска кратчайшего пути в среде с препятствиями можно за счет изменения алгоритма подготовки матрицы смежности графа.

Предлагается, во-первых, уменьшить количество вершин графа, принимая в рассмотрение только точки, расположенные на поверхности препятствий выше определенного уровня, например, Рис. 2. Точки поверхности (пример): уровня нижней из двух точек o – не учитываемые в графе;

начала/окончания пути (рис. 2).



Pages:     | 1 |   ...   | 2 | 3 || 5 | 6 |   ...   | 9 |
 



Похожие работы:





 
© 2013 www.libed.ru - «Бесплатная библиотека научно-практических конференций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.