CC BY
20
The main task of ground testing of experimental models of electric rocket engines (ERE) is to measure the values of indicators and characteristics of ERE. To carry them out, special systems are required, equipped with a complex of sophisticated bench equipment, control measuring and research instrument. Such a system includes the VS-1 vacuum system, which includes a VU-M vacuum unit for carrying out firing tests of on electric propulsion engine. To ensure the testing of an electric propulsion engine at the VU-M, a device was developed that provides precision positioning of measuring devices by a complex of complex bench control and measuring (their elements) in the instrument compartment of the VU-M vacuum unit.
Key words devise for transmission motion in vacuum, universal table, digital electronic rockets, engine, control unit, experiment, strain gauge.
Goncharov Pavel Sergeevich, candidate of technical science, head of department, [email protected], Russia, Saint-Petersburg, Military Space Academy,
Kopeyka Alexander Leonidovich, head of laboratory, [email protected], Russia, Saint-Petersburg, Military Space Academy,
Shunevich Nikolay Aleksandrovich, head of laboratory, vka@mil. ru, Russia, Saint-Petersburg, Military Space Academy,
Apevalov Igor Vladimirovich, research associate, [email protected], Russia, Saint-Petersburg, Military Space Academy
УДК 629.3.015.4
DOI: 10.24412/2071-6168-2021-10-651-658
АНАЛИЗ И ОПТИМИЗАЦИЯ «ПОВОРОТНОГО КУЛАКА» КАК ДЕТАЛИ МАШИНЫ BRAVOEGO
С.А. Ефанов, С.И. Борискин, С.А. Гнутов
В данной работе рассматриваются анализ статической прочности и жесткости элементов конструкции передней подвески электромобиля BravoEgo. В качестве метода анализа используется метод конечных элементов, а в качестве среды моделирования SOLID WORKS Simulation. По результатам выполненного анализа была произведена оптимизация конструкции детали Поворотный кулак позволяющая уменьшить массу исследуемой детали без потери надежности.
Ключевые слова: 3D моделирование, конечно элементный анализ, напряженно-деформированное состояние, SOLID WORKS Simulation.
Раньше авто с двигателями внутреннего сгорания считались экологически чистыми. Теперь же электромобили становятся все более доступными, и с каждым годом экологическая обстановка ухудшается, очевидно, что будущее не за автомобилями на бензиновых двигателях.
Прикладные аспекты статической прочности и жесткости несущих элементов электромобиля были рассмотрены в работе [11.
Способы расчета НДС несущих систем колесных машин описаны в работе Вдовина Д.С., Чичекина И.В., Левенкова Я.Ю. [2].
Значительное количество работ посвящено проектированию и изучению подвесок машин [3,4,5,6].
В связи с этим актуальными являются вопросы проектирования и анализа напряженно деформированного состояния, как всей машины, так и различных узлов в отдельности.
В данной статье рассмотрен анализ и оптимизация детали Поворотный кулак являющегося деталью переднего подвеса электромобиля BravoEgo. 3D модель исследуемой детали построена в программном комплексе SolidWorks и показана на рис. 1.
Поворотный кулак является деталью переднего подвеса электромобиля BravoEgo. 3D модель которого представлена на рис. 2.
Рис. 2. 3D модель переднего подвеса правого колеса 1 - амортизатор; 2 - колесо; 3 - мотор-колесо;4- палец шаровой верхний; 5 - палец шаровой нижний; 6 - поворотный кулак; 7 - проставка кулака; 8 - рулевая сошка; 9 - рычаг верхний; 10 - рычаг нижний;11- тормозной диск
Для проведения анализа исследуемой детали необходимо определить расчетную схему. Которая должна быть максимально экономичной по вычислительным затратам и при этом должна обеспечить адекватность получаемых результатов.
В расчетную схему были включены поворотный кулак, пальцы обеих шаровых как передающие нагрузку непосредственно на анализируемую деталь и проставка поворотного кулака. 3D модель рассчитываемого узла изображена на рис. 3.
С целью избежать при расчете эффекта сингулярности в Поворотный кулак были внесены изменения в виде добавления фасок на острых гранях [7,8,9].
К трехмерной модели рассчитываемого узла были применены 3 пары контактов, приложены ограничения и силы. Более подробно расчетная схема была описана в статье [10]. Рассматриваемая задача решалась в модуле SOLIDWORKS Simulation. Полученные результаты показаны на рис. 4.
Рис. 1. 3D модель детали Поворотный кулак
Рис. 3. Трехмерная модель рассчитываемого узла 1 - палец шаровой верхний; 2 - палец шаровой нижний;3- поворотный кулак;
4- проставка кулака
[N/111 шл2 (МРа)) . 58.954
I
34.390 29.477 24.564 19.651
Эпюра напряжений по Мизесу
Эпюра «Срок службы»
Эпюра распределения коэффициента запаса прочности Рис.4. Результаты анализа детали Поворотный кулак
Максимальные напряжения появляющиеся на исследуемой детали не превышают 58,954МПа, что значительно меньше предела текучести.
Для анализа запаса прочности детали была построена эпюра, представленная на рис. 4, из которой видно, что Поворотный кулак значительно превышает запас прочности, рекомендуемый для деталей машин воспринимающих динамические нагрузки больше либо равный 3. Поэтому показателю исследуемая деталь имеет большой запас прочности.
Согласно техническим требованиям деталь Поворотный кулак должна обеспечивать не менее 1 миллиона циклов нагружения. Поэтому был выполнен анализ усталостной прочности исследуемой детали. Для того чтобы учесть изменения направления нагрузки был выбран пункт «Полностью реверсировано».
Из проведенного анализа видно, что деталь гарантированно выдержит 1 миллион циклов нагружения.
Из полученных результатов статического анализа и анализа усталостной прочности можно сделать вывод, что конструкция имеет большой запас прочности. Поэтому можно рекомендовать внести изменения в конструкцию детали «Поворотный кулак», которые позволили бы уменьшить массу детали с сохранением необходимых условий надежности конструкции.
Для этого проанализируем деталь «Поворотный кулак» воспользовавшись эпюрой «Design Insight» эта эпюра позволяет лучше увидеть ненагруженные места анализируемого узла. Результаты анализа представлен на рис. 5.
Рис.5. Эпюра DesignInsight
Из полученной эпюры видно, что самыми ненагруженными местами детали «Поворотный кулак» являются: места установки пальцев верхней и нижней шаровой, четыре проушины, боковые части между проушинами, верхняя и нижняя стойки детали.
Так как шаровые планируется использовать стандартные соответственно посадочные отверстия для установки пальцев обеих шаровых изменяться не должны.
Четыре проушины используются как места для крепления других деталей передней подвески, поэтому их изменять так же не рекомендуется.
Центральное отверстие и место для базирования «Проставки кулака» так же необходимо сохранить без изменений.
Поэтому остаются три менее нагруженных области. Это боковые части между проушинами, верхняя стойка и нижняя стойка детали. Соответственно именно в эти элементы и будем вносить изменения. Весь процесс условно разобьем на три шага.
Шаг первый. Будем вносить изменения в боковые части между проушинами и стремиться уменьшить массу с сохранением надежности узла.
Для этого создаем эскиз для элемента «Вытянутый вырез», представленный на рис. 6 и задаем параметры и шаг их изменения.
Размеры, определяющие эскиз 11мм, 11мм и 33,1мм будем использовать как переменные «В», «В2», «а» соответственно. Переменная «а» будет изменяться от 33,1мм до 23мм, таким образом, мы оставим запас от шпоночного паза в 5,7мм. Переменные «В», «В2» будут изменяться от 11мм до 15мм.
Зададим ограничения. В качестве датчика будем использовать данные моделирования, а конкретно запас прочности. Запас прочности не должен быть меньше 3. Все значения будут браться из статического анализа.
Целью расчета будет являться уменьшение массы сборочного узла за счет уменьшения массы детали «Поворотный кулак».
В качестве оптимального сценария SolidWorks рекомендует сценарий, где параметр «а» равен 23мм, параметры «Ь» и «Ь2» равны между собой и равны 15мм.
На втором шаге внесем изменения в верхнюю стойку.
Для этого создаем эскиз для элемента «Вытянутый вырез», представленный на рис. 7 и задаем параметры и шаг их изменения.
Размеры, определяющие эскиз 40мм, 6мм и 70мм будем использовать как переменные «С», «С1», «С2» соответственно. Переменная «С» будет изменяться от 38мм до 44мм. Переменная «С1» определяет ширину паза и будет изменяться от 5мм до 9мм. Переменная «С2» определяет длину паза и будет изменяться от 60мм до 78мм.
Глубину вытяжки паза обозначим переменной «ССС» и присвоим ей «Дискретное значение» равное 22мм.
Задаваемые ограничения и цель расчета аналогичны шагу 1.
В качестве оптимального сценария SoПdWorks рекомендует сценарий где параметр «С» равен 38мм, параметры «С1» равен 9мм и параметр «С2» равен 78мм.
На третьем шаге будем изменять нижнюю стойку.
Для этого создаем эскиз для элемента «Вытянутый вырез», представленный на рис. 8 и задаем параметры и шаг их изменения.
Рис.8. Шаг 3
Размеры, определяющие эскиз 10мм, 16мм будем использовать как переменные <^», <^1» соответственно. Переменная определяет ширину паза и будет изменяться от 10мм до 16м. Переменная «^1» определяет длину паза и будет изменяться от 16мм до 24мм.
655
34мм.
Глубину вытяжки паза обозначим переменной и она будет изменяться от 16мм до
Задаваемые ограничения и цель расчета аналогичны шагу 1.
В качестве оптимального сценария SolidWorks рекомендует сценарий где параметр равен 14мм, параметры «Ш» равен 16мм и параметр равен 34мм. Получившаяся деталь представлена на рис. 9.
Рис. 9. Результат оптимизации массы детали Поворотный кулак
После внесения изменений в конструкцию детали были произведены проверочные расчеты статический анализ и анализ усталостной прочности проектируемой детали, результаты которых представлены на рис. 10.
чоп М1зе5 (М/ттЛ2 (МРа)) ^^ 104,884 ^Л 96.144
61135,543 56 041,406 50 947,273 45 853Д37 40 759,000 35 664,863 30 570,730 25 476,596 20 382,459
Срок службы (цикл) ^^ 1 001 000,063 1 000 516,750 1 000 833,375 . 1 000 750,063 . 1 000 666,688 . 1 000 583,375 I . 1 000 500,000 . 1 000 416,688 . 1 000 333,375 . 1 000 250,000 . 1 000 166,688 1 000 083,313
Н. 1 000 000,000
Эпюра напряжений по Мизесу
Эпюра распределения Эпюра «Срок службы»
коэффициента запаса прочности
Рис. 10. Результаты проверочного расчета детали Поворотный кулак
Проведенный комплекс расчетов показал: масса детали уменьшилась на 30,4%;
максимальные значения напряжений по Мизесу увеличились с 58,98МПа до 104,88МПа;
коэффициент запаса прочности уменьшился с 10,5 до 5,9, но все равно превышает допустимое значение;
анализ усталостной прочности показал, что полученная деталь гарантированно выдержит 1 миллион циклов нагружения.
Список литературы
1. Чугунов М.В. Анализ статической прочности и жёсткости несущих элементов конструкции электромобиля BravoEgo / Чугунов М.В., Кечемайкин В.Н., Панин М.В., Полунина И.Н., Махров Г.А. // Интернет-журнал «НАУКОВЕДЕНИЕ». 2016. Т. 8. № 3. [Электронный ресурс] URL: http://naukovedenie.ru/PDF/134TVN316.pdf (дата обращения: 10.05.2021).
2. Вдовин Д.С., Чичекин И.В., Левенков Я.Ю. Автоматизация нагружения конечно-элементных моделей несущих систем колесных машин с применением метода инерционной разгрузки и твердотельной динамической модели автомобиля // Труды НАМИ. 2018. № 1 (272). С." 36-50.
3. Генералова А.А., Хабибуллин Р.Р. Моделирование системы динамической стабилизации подвески // В сборнике: Системы проектирования, моделирования, подготовки производства и управление проектами CAD/CAM/CAE/PDM Сборник статей XI Международной научно-практической конференции. 2017. С. 64-67.
4. Горобцов А.С., Карцов С.К., Поляков Ю.А., Дьяков А.С. Динамический анализ параметров передней подвески кабины грузового автомобиля // Известия МГТУ МАМИ. 2014. № 4 (22). Т. 1. С. 74-80.
5. Левенков Я.Ю., Чичекин И.В. Определение параметров модели рессоры для анализа нагрузок и оценки прочности элементов подвески в системе расчёта динамики твёрдых тел // Инженерный вестник. 2016. № 12. С. 4.
6. Ефанов С.А., Чугунов М.В., Пьянзин А.М. Анализ динамики передней подвески элек-тротрайка. Эпоха науки. 2019. № 20. С. 150-154.
7. Rukavishnikov V.A., Rukavishnikova E.I. Weighted finite element method for the elasticity problems with singularity // Finite Element Method -Simulation, Numerical Analysis and Solution Techniques. Rijeka, Croatia: InTech, 2018. P. 295-311.
8. Frei W. Распознавание и разрешение сингулярностей в моделях при построении расчётной сетки / Walter Frei // Блог COMSOL электронный ресурс. 2013. [Электронный ресурс] URL: https://www.comsol.ru/blogs/how-identify-resolve-singularities-model-meshing (дата обращения: 10.05.2021).
9. Ефанов С.А. Сингулярность при решении задач методом конечных элементов. Ефанов С.А. Тенденции развития науки и образования. 2019. № 55-1. С. 31-35.
10. Бегеев В.И. Анализ статической прочности и жесткости поворотного кулака электромобиля BRAVOEGO. Бегеев В.И., Ефанов С.А. САПР и графика. 2019. № 12 (278). С. 70-72.
Ефанов Сергей Александрович, канд. техн. наук, [email protected], Россия, Республика Мордовия, Рузаевка, Рузаевский институт машиностроения ФГБОУ ВО «МГУ им. Н.П. Огарёва»,
Борискин Сергей Иванович, старший преподаватель, [email protected], Россия, Республика Мордовия, Рузаевка, Рузаевский институт машиностроения ФГБОУ ВО «МГУ им. Н. П. Огарёва»,
Кеняйкин Дмитрий Сергеевич, магистр, boriskinsi@rambler. ru, Россия, Республика Мордовия, Рузаевка, Рузаевский институт машиностроения ФГБОУ ВО «МГУ им. Н.П. Огарёва»
ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF THE ROTARY KNUCKLE AS A BRAVOEGO MACHINE
PARTS
S.A. Efanov, S.I. Boriskin, D.S. Keniaykin
This paper examines the analysis of the static strength and stiffness of the front suspension structure elements of the BravoEgo electric vehicle. The ffinite element method is used as the analysis method, and SOLIDWORKS Simulation is used as the modeling environment. Based on the results of the analysis performed, the design of the steering knuckle part was optimized, which allows to reduce the mass of the investigated part without losing reliability.
657
Key words: 3D modeling, finite element analysis, stress-strain state, SOLIDWORKS Simulation.
Efanov Sergey Alexandrovich, candidate of technical sciences, [email protected], Russia, Ruzayevka, Ruzayevka Institute of Engineering, National Research Mordovia State University of N.P. Ogaryov,
Sergey Ivanovich Boriskin, senior teacher, boriskinsi@,rambler. ru, Russia, Ruzayevka, Ruzayevka Institute of Engineering, National Research Mordovia State University of N.P. Ogaryov,
Gnutov Sergey Alexandrovich, master, [email protected], Russia, Ruzayevka, Ruzayevka Institute of Engineering, National Research Mordovia State University of N.P. Ogaryov
УДК 62-97-82
DOI: 10.24412/2071-6168-2021-10-658-667
ВЕРИФИКАЦИЯ НАГРУЗКИ, ДЕЙСТВУЮЩЕЙ НА МАНЖЕТНОЕ ЦИЛИНДРОПОРШНЕВОЕ УПЛОТНЕНИЯ, РАБОТАЮЩЕГО БЕЗ СМАЗКИ
С.С. Бусаров, А.В. Недовенчаный, Р.Э. Кобыльский, Н.Г. Синицин, Л.А. Муслова
В данной работе проведена верификация методики определения нагрузки действующей на манжетное цилиндропоршневое уплотнение работающее без смазки. При этом рассмотрена схема сил, действующих на манжетное цилиндропоршневое уплотнение, описана разработанная математическая модель в программном комплексе ЛЫБУБ С¥Х, которая позволяет анализировать газовую динамику потока газа в зазоре между поршневым уплотнением и стенкой цилиндра. Данные полученные при помощи математической модели были верифицированы на созданном экспериментальном стенде. В результате проведенного исследования было получено: распределение давления газа в зазоре между манжетным уплотнением и стенкой цилиндра; был уточнен коэффициент в, который характеризует нелинейное падение давления по высоте уплотнения; была рассчитана нагрузка, действующая на манжетное цилиндропоршневое уплотнение.
Ключевые слова: манжетное уплотнение, течение газа в зазоре, нагрузка, математическая модель.
Надежность и долговечность поршневого уплотнения работающего без смазки проточной части цилиндра, в значительной степени зависит от перепада давлений действующего на данное уплотнение. При многих достоинствах манжетных уплотнений их применение в компрессорах, работающих без смазки ограничивается быстрым износом. Проведенный литературный обзор [1-7] показал, что в настоящее время отсутствуют данные по характерному распределению давления газа при использовании манжетного цилиндропоршневого уплотнения работающего без смазки, а использование экспериментальных данных, полученных для поршневых колец, приводит к значительным погрешностям расчётов. Для проведения экспериментов по определению массового и линейного износа уплотнений, необходимо точно знать нагрузку, при которой работает манжетное уплотнение, что и является основной целью данной работы.
Теория. Нагрузка, действующая на манжетное уплотнение (как и на поршневое кольцо), определяется четырьмя силами, представленными на рис. 1: осевой силой Fl которая «раздавливает» уплотнение о стенку цилиндра, радиальной силой F2, которая прижимает уплотнение к зеркалу цилиндра, осевой силой трения Fз, которая всегда направлена противоположно вектору скорости поршня и силой собственной упругости материала F4.
Износ наружной поверхности А в основном зависит от величины силы F2, которая определяется разностью сил давления газа действующих на поверхность В и С и рассчитывается по формуле (справедливой только для расчета уплотнений, работающих без смазки) [8]:
