CC BY
13
7. ОСТ 134-1031-2003. Изделия космической техники. Общие требования по защите космических средств от механического воздействия частиц естественного и техногенного происхождения. (введ. I кв. 2003 г.). ФГУП «ЦНИИ машиностроения», 2003. 10 с.
Житный Михаил Владимирович, канд. техн. наук, доцент, старший научный сотрудник, vka@mil.ru, Россия, Санкт-Петербург, Военно-космическая академия имени А.Ф. Можайского,
Синельников Эдуард Геннадьевич, старший научный сотрудник, vka@mil.ru, Россия, Санкт- Петербург, Военно-космическая академия имени А. Ф. Можайского,
Апевалов Игорь Владимирович, научный сотрудник, vka@mil. ru, Россия, Санкт- Петербург, Военно-космическая академия имени А. Ф. Можайского
REFINEMENT OF THE PARAMETERS OF THE MODEL OF DESTRUCTION OF THE AMG6 ALLOY AT HIGH - SPEED
M. V. Zhitnyy, E.G. Sinelnikov, A.M. Babin
The result of experimental research and numerical modeling of processes of dynamic deformation and destruction at high-velocity impact loading aluminum alloy AMg6 are shown. To clarify the characteristics mathematical model the data of special experiment on punching the aluminum alloy plate by steel sphere is used.
Key words: space debris, computer modeling, spacecraft, high-velocity impact.
Zhitnyy Mihail Vladimirovich, candidate of technical science, docent, senior researcher, vka@mil.ru, Russia, Saint-Petersburg, Military Space Academy,
Sinelnikov Eduard Gennadievich, senior researcher, vka@mil.ru, Russia, Saint-Petersburg, Military Space Academy,
Apevalov Igor Vladimirovich, researcher, vka@mil.ru, Russia, Saint-Petersburg, Military Space Academy
УДК 621.822.71
DOI: 10.24412/2071-6168-2021-10-561-570
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ТЕЛ КАЧЕНИЯ НОРМИРУЕМОЙ ЖЕСТКОСТИ
А.А. Перегородов, О.П. Решетникова, А.Н. Васин, Б.М. Изнаиров, Д.Ю. Финогеев
В работе приведены результаты экспериментальных исследований по статическому нагружению полимерных армированных полых шариков с различной внутренней силовой структурой.
Ключевые слова: полая сфера, шарик, полый шарик, подшипник, статическая нагрузка.
Конкуренция на внутреннем и внешнем рынках непрерывно подталкивает производителей к разработке все более новых и совершенных продуктов в самых различных сферах техники и производства. При этом четко прослеживается тенденция совершенствования техники в направлении повышения как количественных, так и качественных показателей ее характеристик. Для техники, предназначенной для выполнения действий, связанных с движением, акцент смещается в сторону возрастания скоростей перемещения, частот вращения, частот осцилляции и др., и эти величины, к настоящему времени, достигли невозможных для прежних уровней технического развития значений. Высокие частоты вращения узлов машин являются ключевым
561
условием работоспособности компрессоров, вентиляторов, насосов, турбин. Вращение же в таких изделиях, как известно, обеспечивается подшипниками качения. Для оценки уровня таких конструкций используется скоростной коэффициент п*От, определяемый произведением номинальной скорости вращения на средний диаметр подшипника. Так, например, параметры быстроходных подшипников типа НКС имеют скоростной фактор п*Бт = 3000000 [1]. К факторам, которые ограничивают максимальное число оборотов подшипников качения, относят перегрев в процессе эксплуатации и превышение допускаемых контактных напряжений вследствие роста центробежных нагрузок. Одним из направлений снижения центробежных нагрузок и, соответственно, контактных напряжений, является использование в подшипниках тел качения уменьшенной массы и пониженной жесткости конструкции, к которым относятся полые шарики. Однако широкому использованию полых шариков в подшипниках препятствует небольшой ресурс их работы и несовершенство технологий их изготовления малыми сериями. И если над технологиями изготовления полых тел качения в серийном производстве непрерывно и довольно успешно идет работа [2-9], то с получением заготовок полых шариков дело обстоит не так гладко. Так, для повышения ресурса работы полых тел качения сферической формы необходимо увеличивать толщину их стенок, что приводит к увеличению их массы, снижая эффективность их использования. Кроме того, камнем преткновения является и специфициро-ванность их конструкции, т.к. в основном их изготавливают сборными из двух и более элементов, а любые швы соединения элементов шарика в единое целое приводят к нарушению целостности и прочности их конструкции. В связи с совершенствованием заготовительных процессов появились новые технологии получения заготовок полых монолитных бесшовных шариков, одна из которых - использование аддитивных технологий, а также новых конструкций с внутренней силовой структурой, повышающей прочность и жесткость таких конструкций [10]. В этой статье приводятся результаты экспериментальных исследований воздействия статических нагрузок на полые монолитные бесшовные шарики нормируемой жесткости различных конструктивных разновидностей, изготовленных из полимерных материалов с помощью аддитивных технологий.
Описание лабораторного эксперимента. В ходе эксперимента были проведены циклы нагружений сфер с выявлением критических значений нагрузок, вызывающих разрушения. Опыт проводился с применением универсальной электромеханической двухзонной испытательной машины типа ИР 5082-100 напольного исполнения. Данная машина разработана для механических испытаний образцов из пластмасс, резины, черных и цветных металлов, текстильных и других материалов на растяжение, сжатие, изгиб, осадку, сплющивание, остаточную деформацию, срез, сдвиг и другие. Поэтому выбор данного устройства вполне соответствует поставленным задачам.
В эксперименте использовалась партия заготовок, полученная методом 3D принтинга из ABS-пластика, с различной внутренней архитектурой (рис. 1).
ЯП
образец №1 образец №2 образец №3
образец образец №5
Рис. 1. Конструктивные разновидности полых тел качения, использованных
в эксперименте
Для этого электронные модели заготовок были внесены в программную среду устройства с числовым программным управлением, использующего метод послойной печати детали, <^ог!ш-250тс». Затем при помощи программного обеспечения «Сига 3D» была сформирована управляющая программа для 3D-принтера на основании разбиения на слои толщиной 0,178 мм модели дюймового полого шарика с внутренней силовой структурой. Процесс двухэкструдер-
562
ной печати выполнялся по технологии fused deposition modeling (FDM). В качестве основного материала использовался синтетический полимер АБС (акрилонитрил, бутадиен, стирол), обладающий высокой степенью ударопрочности и эластичности, в виде прутка, который подавался в печатающую головку, где плавился при температуре 310С и выдавливался через сопло фильер в пространство, в котором поддерживался температурный режим 78С. В качестве материала поддержки использовался высокопрочный полистирол «HIPS» (high-impact polystyrene).
Суть проводимого лабораторного исследования заключалась в измерении критической величины сжатия, которую способны воспринять сферические тела качения. В качестве рабочего технологического органа при исследовании использовалось штатное приспособление испытательной машины для сжатия, состоящее из двух металлических дисков диаметром 150 мм с рисками для фиксации образцов. Скорость перемещения подвижной траверсы составляла 2 мм/мин. Температура окружающей среды по среднему значению составила 22,7 °С, влажность воздуха 82 %, атмосферное давление 750 мм. рт. ст.
Механизмы перемещений обеспечивали согласованное поступательное движение сжимающей подвижной части приспособления в процессе непрекращающейся регистрации ЭВМ. При этом скорость перемещения измерялась в мм/мин, создаваемое усилие сжатия в кН, величина относительного сжатия в % от исходного габаритного размера экспериментального образца.
По результатам проведенных опытов были выведены и сохранены протоколы физических эффектов воздействия в виде графических диаграмм, которые отражают зависимость относительного сжатия в %. от величины создаваемой нагрузки в МПа.
Анализ физико-механических показателей полого тела качения. В первом опыте (рис. 2) подвергся испытанию полностью пустотелый шарик. Пиковая нагрузка, воспринятая полым шаром, была 2,138 кН, что привело к внутренним напряжениям в материале величиной 4,3 МПа при относительном сжатии 11,8% (относительно изначального диаметра шарика 1 дюйм).
Нвлр®чение(МРе) Stflss-Sirein Qiiw
6.000
ч 500 4.000 3.5Û0 3.000 £.500
£.000 1.500 1 000 0.000
Рис. 2. Графическая диаграмма напряжений полого шара при нагружении 2,138 кН
Во втором опыте (рис. 3) подвергся испытанию полый шар с полыми стержнями. Пиковая нагрузка, воспринятая таким шаром, была 4,71 кН, что привело к внутренним напряжениям в материале величиной 9,2 МПа при относительном сжатии 13%.
В третьем опыте был испытан полый шар с сетчатой армирующей структурой (рис. 4). Пиковая нагрузка, воспринятая таким шаром, была 5,594 кН, что привело к внутренним напряжениям в материале величиной 10,9 МПа при относительном сжатии 14%.
Объектом четвертого опыта был полый шар со сплошными стержнями (рис. 5). Пиковая нагрузка, воспринятая таким шаром, была 10,96 кН, что привело к внутренним напряжениям в материале величиной 21,8 МПа при относительном сжатии 11,8%.
563
51гез8-51гат Сигуе
Рис. 3. Графическая диаграмма напряжений полого шара с полыми стержнями
при нагружении 4,71 кН
....../
/ V
/ /
/ /
/
/
О 1.50 3.00 А.50 6.00 7.50 9.00 10.5 12.0 13.5 15.0
Относ. Удлин.(%)
Рис. 4. Графическая диаграмма напряжений полого тела качения сетчатой силовой
структурой при нагружении 5,594 кН
л
/ /
/ / „
/ /
/ /
/
/
/
0 /
.20 2.10 3.60
7.20 8.10 9.60
Относ. Ыдлин.(%)
Рис. 5. Графическая диаграмма напряжений полого тела качения со сплошными стержнями при нагружении 10,96 кН 564
В пятом опыте испытывался полый шар с двойными стержнями (рис. 6). Пиковая нагрузка, воспринятая таким шаром, была 9,8 кН, что привело к внутренним напряжениям в материале величиной 9,95 МПа при относительном сжатии 13,8%.
Напряжение(МРа)
Эйдов-Э^ат Сиг\/е
Рис. 6. Графическая диаграмма напряжений полого тела качения с внутренней силовой структурой из удвоенных стержней при нагружении 9,8 кН
Результаты лабораторного эксперимента сведены в табл. 1 и изображены в виде графика на рис. 7.
Таблица 1
№« п/п Вид конструктивной разновидности силовой структуры Пиковая нагрузка до разрушения, кН
1 Полая структура 2,138
2 Структура с полыми стержнями 4,71
3 Сетчатая структура 5,594
4 Структура с удвоенными стержнями 9,8
5 Структура со сплошными стержнями 10,96
Соотношение воспринимаемой нагрузки
ПОЛАЯ СТРУКТУРА СТРУКТУРА С ПОЛЫМИ СЕТЧАТАЯ СТРУКТУРА СТРУКТУРА С СТРУКТУРА СО
СТЕРЖНЯМИ УДВОЕННЫМИ СПЛОШНЫМИ СТЕРЖНЯМИ
СТЕРЖНЯМИ
Рис. 7. Диаграмма изменения пиковой нагрузки полыгх шаров с различныгм типом силовой структуры в результате лабораторного эксперимента
В целях проверки адекватности результатов экспериментальных исследований на лабораторной установке были проведены компьютерные эксперименты и их результаты были сопоставлены.
В качестве инструмента для моделирования и выбора наиболее рациональной конструкции полого тела качения нормируемой жесткости с определенными геометрическими и количественными параметрами силовых элементов внутреннего пространственного каркаса был использован программный продукт САПР SolidWorks, а именно ее программный модуль Solidworks simulation, который позволяет определить напряженно-деформированное состояние полого шарика. С помощью САПР проводился расчет смоделированных конструкций с указанием технических характеристик материала по предусмотренной возможности изменения его свойств.
Первой моделью при проведении эксперимента был полностью полый шар (рис. 8). Пиковая статическая вертикально направленная нагрузка, воспринятая таким шаром без превышения предела прочности при изгибе, была 300 Н.
Следующей моделью при проведении эксперимента был шар с силовой структурой из полых стержней (рис. 9). Максимальная нагрузка, воспринятая таким шаром без превышения предела прочности при изгибе, была 790 Н.
Рис. 9. Диаграмма напряженно-деформированного состояния шарика с силовой структурой из полых стержней
Третьей моделью была сфера с внутренней силовой структурой из сплошных стержней (рис. 10). Наибольшее значение неразрушающей нагрузки составило 820 Н.
566
Рис. 10. Диаграмма напряженно-деформированного состояния шарика с силовой структурой из сплошных стержней
Несколько большую пиковую нагрузку показала модель шарика с сетчатой внутренней силовой структурой 835 Н (рис. 11).
Рис. 11. Диаграмма напряженно-деформированного состояния шарика с сетчатой силовой структурой
В завершении эксперимента проанализирована сфера с внутренней структурой из удвоенных сплошных стержней (рис. 12). Наибольшее значение перенесенной нагрузки составило 1510 Н.
Рис. 12. Диаграмма напряженно-деформированного состояния шарика с силовой структурой из двойных полых стержней
567
Итоги компьютерного эксперимента для наглядности результатов сведены в табл. 2 и отражены на рис. 13.
Таблица 2
Результаты компьютерного эксперимента с пластиковыми телами качения
№ п/п Вид конструктивной разновидности силовой структуры Выдерживаемая нагрузка, Н
1 Полая структура 300
2 Структура с полыми стержнями 790
3 Структура со сплошными стержнями 820
4 Сетчатая структура 835
5 Структура с удвоенными стержнями 1110
а
Соотношение воспринимаемой нагрузки
ПОЛАЯ СТРУКТУРА
СТРУКТУРА С ПОЛЫМИ СТЕРЖНЯМИ
СТРУКТУРА СО СПЛОШНЫМИ СТЕРЖНЯМИ
СЕТЧАТАЯ СТРУКТУРА
СТРУКТУРА С УДВОЕННЫМИ СТЕРЖНЯМИ
Рис. 13. Диаграмма изменения пиковой нагрузки полых шаров с различным типом силовой структуры в результате компьютерного эксперимента
Результаты, полученные на разрывной машине в процессе лабораторных исследований и по итогам компьютерного эксперимента большей частью коррелируют между собой и дают основания для дальнейших теоретических и экспериментальных исследований полых тел качения нормируемой жесткости, выполненных из металла.
Заключение. Анализ полученных результатов показывает достаточно высокую эффективность использования внутренней силовой структуры для полых шариков, с точки зрения возможности увеличения воспринимаемой ими допускаемой нагрузки и, соответственно, повышения их эксплуатационных возможностей. Так, по результатам лабораторных исследований допускаемая нагрузка без разрушения шариков с внутренней силовой структурой по сравнению с полыми шариками без таковой увеличилась более чем в 5 раз, а по результатам компьютерных экспериментов - в 3,7 раза. Т.е. даже если брать во внимание результаты только компьютерного эксперимента, то работа над совершенствованием конструкций полых тел сферической формы вполне оправдана и имеет хорошие перспективы.
Статья подготовлена при финансовой поддержке гранта Президента Российской Федерации для государственной поддержки молодых российских ученых - кандидатов наук № МК-2395.2020.8.
Список литературы
1. Themechanic - технический журнал: [Электронный ресурс]. URL: https://themechanic.ru/vysokoskorostnye-podshipniki-2 (дата обращения: 25.09.2021).
2. Гундорин, В. Д. Расширение технологических возможностей бесцентрового шлифования шариков в серийном производстве / [Текст]: Межвузов. научн.сб., «Гибкие технологические процессы и системы в механосборочном производстве» СГТУ. / В. Д. Гундорин, А.Н. Васин, Б. М. Изнаиров. Саратов, 1988.
3. Иванов, А.И. Повышение эффективности и качества обработки сферических поверхностей деталей запорных устройств трубопроводов [Текст] / А. И. Иванов, А. Н. Васин, Б. М. Изнаиров; М-во образования и науки Российской Федерации, Саратовский гос. технический ун-т. Саратов: Изд-во Саратовского гос. технического ун-та, 2013. - 149 с.
4. Решетникова, О.П. Определение рациональных параметров рабочей зоны при бесцентровом шлифовании [Текст] / Наукоемкие технологии в машиностроении / О.П. Решетникова, А.Н. Васин, Б. М. Изнаиров, Н.В. Белоусова, А.В. Панфилова. М.: Машиностроение, 2020. 48 с.
5. Решетникова, О.П. Определение погрешности операционного размера при бесцентровом шлифовании [Текст] / Известия Тульского государственного университета. Технические науки. №5 / О.П. Решетникова, А.Н. Васин, Б. М. Изнаиров, Н.В. Белоусова, А.В. Панфилова. Тула: Изд-во Тульского гос. технического ун-та, 2020. 540 с.
6. Решетникова, О.П. Определение величины суммарной погрешности наладочного размера при бесцентровом шлифовании шариков [Текст] / Наукоемкие технологии в машиностроении №2 (116) / О.П. Решетникова, А.Н. Васин, Б. М. Изнаиров, Н.В. Белоусова, А.В. Панфилова. М.: Машиностроение, 2021. 48 с.
7. Иванов А.И. Кинематические параметры процесса бесцентрового суперфиниширования пустотелых шариков [Текст] / Научно-технический журнал «Технология машиностроения» № 4 (130) / А.И. Иванов, А.Н. Васин, Б.М. Изнаиров. М, 2013. С.10-14.
8. Решетникова О.П., Изнаиров Б.М., Белоусова Н.В., Семочкин Г.А. Аналитическое определение необходимой величины угла скоса опорного ножа при круглом бесцентровом шлифовании // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2021. Вып. 8. 104 с.
9. Перегородов А.А. Особенности использования полимерных материалов для неметаллических подшипников качения // Научно-технический журнал Вестник СГТУ № 3 (86). Саратов, 2020. 88 с.
10. Заявка 2020132517 Российская Федерация, МПК7 В 24 В 11/02. Полое сферическое тело качения с нормируемой жесткостью / А.Н. Васин, Б.М. Изнаиров, А.А. Перегородов, О.П. Решетникова; приоритет 30.09.2020.
Перегородов Алексей Аркадьевич, аспирант, peregorodov98@mail.ru, Россия, Саратов, Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.,
Решетникова Ольга Павловна, канд. техн. наук, доцент, olgareshetnikova1@yandex.ru, Россия, Саратов, Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.,
Изнаиров Борис Михайлович, канд. техн. наук, доцент, baseev1@mail. ru, Россия, Саратов, Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.,
Васин Алексей Николаевич, д-р техн. наук, профессор, vasin@sstu.ru, Россия, Саратов, Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.,
Финогеев Даниил Юрьевич, магистрант, finogeev-89@mail. ru, Россия, Саратов, Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.
EXPERIMENTAL STUDIES OF MECHANICAL CHARACTERISTICS OF ROLLING ELEMENTS OF
NORMALIZED STIFFNESS
A.A. Peregorodov, O.P. Reshetnikova, B.M. Iznairov, A.N. Vasin, D.Yu. Finogeev
The paper presents the results of experimental studies on static loading of polymer reinforced hollow balls with different internal force structures.
Key words: hollow sphere, ball, hollow ball, bearing, static load.
Peregorodov Alexey Arkadyevich, graduate student, peregorodov98@mail.ru, Russia, Saratov, Yuri Gagarin State Technical University of Saratov,
Reshetnikova Olga Pavlovna, candidate of technical sciences, docent, olgareshetniko-va1@yandex.ru, Russia, Saratov, Yuri Gagarin State Technical University of Saratov,
Iznairov Boris Mikhailovich, candidate of technical sciences, docent, bageev1@mail.ru, Russia, Saratov, Yuri Gagarin State Technical University of Saratov,
Vasin Alexey Nikolaevich, doctor of technical sciences, professor, vasin@sstu.ru, Russia, Saratov, Yuri Gagarin State Technical University of Saratov,
Finogeev Daniil Yurievich, master's, fmogeev-89@mail.ru, Russia, Saratov, Yuri Gagarin State Technical University of Saratov
УДК 629
DOI: 10.24412/2071-6168-2021-10-570-573
ПОВЫШЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ТЯГОВОГО ПОДВИЖНОГО СОСТАВА В УСЛОВИЯХ ЭКСПЛУАТАЦИИ
П.В. Губарев, А.С. Шапшал, Н.Н. Зинченко
В статье авторами рассмотрены технические характеристики и конструкция выпрямительной установки ВУК-4000Т-02. Описана схема соединения силовых диодов ДЛ153-200-800 в выпрямительной установке ВУК-4000Т-02. Проведены испытания на нагрев данной выпрямительной установки. Получены результаты измерений температуры тепловизором BALTECH TR-01100-RW двух выпрямительных установок ВУК-4000Т-02.
Ключевые слова: локомотив, выпрямительная установка, силовой диод, нагрев, испытания, тепловизор, преобразователь.
Транспортные системы являются важнейшим составным элементом экономики развитых индустриальных государств. Базируясь на современных научно-технических идеях и технологиях, они концентрируют в себе передовые достижения фундаментальной прикладной науки, ставя задачи по созданию новых систем контроля и управления. Одними из основных элементов транспортных систем являются локомотивы, оценка технического состояния работающих узлов которых является актуальной задачей [1, 2].
Наибольшее применение на электроподвижном составе нашли тяговые двигатели постоянного тока. Для выпрямления переменного тока в постоянный ток при питании тяговых двигателей локомотивов используют выпрямительные установки (например, ВУК-4000Т-02).
Технические данные выпрямительной установки ВУК-4000Т-02 представлены
в табл. 1.
Рассмотрим конструкцию выпрямительной установки ВУК-4000Т-02.
Одна выпрямительная установка представляет собой выпрямительный мост, обеспечивающий питание двух, параллельно соединенных тяговых двигателей. Конструктивно выпрямительная установка выполнена в виде двух шкафов прямоугольной формы и может работать только с принудительным воздушным охлаждением [3-6].
В выпрямителях используют полупроводниковые приборы. Принцип действия этих приборов основан на их свойстве пропускать ток только в одном направлении. Для изготовления полупроводниковых вентилей используют германий, кремний, селен и другие материалы. Пластины, изготовленные из этих материалов, после внесения специальных примесей имеют слоистую структуру, в которой чередуются проводимости различных типов - электронная (п) и дырочная (р). В неуправляемых выпрямителях используют неуправляемые вентили - диоды, которые начинают проводить ток, как только к ним прикладывают напряжение, действующее в проводящем направлении. Диоды имеют двухслойную р-п-р-структуру, для них характерна высокая проводимость в прямом направлении и низкая в обратном. В преобразователях, предназначенных не только для выпрямления, но и для регулирования выпрямленного напряжения и инвертирования (т. е. преобразования постоянного напряжения в переменное) используют полупроводниковые управляемые вентили - тиристоры. Полупроводниковые приборы подразделяют на различные типы по исходному материалу, назначению, конструкции, мощности, виду охлаждения, диапазону рабочих частот и т. д. В силовых цепях электроподвижного состава используют мощные (силовые) кремниевые полупроводниковые приборы с принудительным
