В статье описывается новое явление в механике - эффект «застревания» маятника на вращающемся валу механической системы. Суть его заключается в том, что для маятника, установленного на валу двигателя механической системы с возможностью свободного вращения, в зависимости от момента инерции и трения в его опоре вероятен такой режим движения, когда вал вращается с заданной угловой скоростью, а частота вращения маятника равна одной из собственных частот колебаний механической системы. При моделировании данного процесса с использованием операции осреднения получено в первом приближении уравнение движения маятника, которое наглядно показывает, что его угловая скорость на вращающемся валу механической системы зависит не только от момента инерции и трения в его опоре, а также от собственной частоты колебаний и демпфирования механической системы. Кроме того, в работе рассматриваются явления, которые в некоторой степени можно считать аналогами эффекта «застревания» маятника на вращающемся валу механической системы: колебания механических систем с ограниченной мощностью двигателя; эффект Зоммерфельда; несинхронное движение исполнительных элементов в виде шариков (роликов) в шаровом автобалансире вертикального ротора. В первых двух случаях эффекта «застревания» маятника аналогии больше носят математический, чем физический характер. Более близким к эффекту «застревания» маятника является несинхронное движения шариков (роликов) в шаровом автобалансире вертикального ротора.
Современные технологии. Системный анализ. Моделирование
2023. — Выпуск 3(79)
Содержание:
Одним из факторов качества обработанной поверхности являются остаточные напряжения, возникающие после механической обработки, которые имеют важное значение для долговечности и надежности конструкций и изделий. В связи с этим актуальность определения таких остаточных напряжений становится все более важной задачей. Остаточные напряжения необходимо учитывать при проектировании и изготовлении изделий. Определение уровня напряжений и их распределения в материале помогает предотвратить возникновение проблем и повреждений при эксплуатации продукции, а также оптимизировать процессы обработки и повысить ее качество и надежность. Существуют различные методы для измерения и снятия остаточных напряжений, такие как механический, рентгеноструктурный, акустический и др. Все они имеют свои достоинства и недостатки, и выбор метода зависит от конкретных требований и условий. Однако отсутствует способ, позволяющий на стадии технологического проектирования изделия прогнозировать допустимый уровень остаточных напряжений. В данной статье предложена и описана методика, основанная на использовании компьютерного моделирования, которая помогает прогнозировать и контролировать уровень и величину остаточных напряжений еще на стадии технологической подготовки производства. Применение компьютерного моделирования совместно с данными о материалах и процессе обработки дает возможность точно настроить параметры обработки, чтобы достичь желаемого уровня и знака остаточных напряжений, что повысит эффективность производства и снизит вероятность дефектов продукции.
Ключевые слова
В уплотнительной технике встречаются конструкции клапанных соединений, где для снижения радиальных деформаций тонкостенного уплотнения в затворе применяются различные осевые упоры и полимерные гасители ударных нагрузок. Использование полимерных материалов в качестве осевых ограничетелей компенсирует ударные нагрузки в уплотнительном стыке и обеспечивает дополнительную герметичность (вторичное уплотнение) соединения при относительно небольших усилиях со стороны привода. Однако применение полимерных материалов ограничено условиями эксплуатации (химический состав рабочей среды, давление рабочей среды и др.). Полимерные уплотнения выдавливаются и разрушаются при больших давлениях герметизируемой среды. Также следует отметить изменение физико-механических характеристик полимеров с течением времени, при температурных, радиационных и других воздействиях. Использование исключительно металлических упоров позволяет сократить воздействие ударных нагрузок на тонкостенное уплотнение, но такие конструктивные решения ведут к снижению ресурса уплотнительного соединения и лимитируют область применения. Таким образом, осевые упоры в качестве ограничителей деформации могут быть предусмотрены в конструкции уплотнительного соединения на случай значительного превышения давления герметизируемой среды над расчетым с целью минимизации повреждений затвора клапана. Для ослабления ударных нагрузок в уплотнительном соединении может быть выполнена «разгрузка» затвора. В научной статье представлены обзор и анализ уплотнительных соединений, в которых снижение динамических нагрузок в затворе клапана компенсируется посредством осевых упоров и полимерных гасителей ударных нагрузок. Проведено сравнение указанного способа с одним из перспективных направлений совершенствования клапанных соединений - «разгрузкой». Представлены разработанные автором актуальные конструкции разгруженных затворов, которые позволяют выполнить тонкостенный оболочечный элемент рациональных геометрических размеров, что, в свою очередь, ведет к снижению герметизирующего усилия и энергоемкости привода. Проведенный обзор и анализ показали, что наличие упоров необходимо в условиях нестационарности давления герметизируемой среды, приводящей к значительным изменениям составляющей усилия герметизации.
Ключевые слова
В электрических сетях, примыкающих к тяговым подстанциям железных дорог переменного тока, может возникать значительная несимметрия трехфазных напряжений. При небольших мощностях короткого замыкания на шинах 110-220 кВ тяговой подстанции коэффициенты несимметрии по обратной последовательности могут заметно превышать предельно допустимые значения. Анализ отечественных и зарубежных публикаций позволяет сделать вывод об актуальности исследований, направленных на решение проблемы уменьшения несимметрии в системах электроснабжения железных дорог. Предлагаемые методы и средства решения этой проблемы отличаются многовариатностью подходов. Поэтому выбор технически рационального способа решения должен базироваться на результатах моделирования, основанного на адекватных цифровых моделях. Для создания таких моделей можно применять подход, использующий фазные координаты. В статье приведены результаты исследований, направленных на определение технической эффективности применения систем тягового электроснабжения, в которых применяются трансформаторы с обмотками, соединенными в открытый треугольник. Разработаны цифровые модели, обеспечивающие моделирование сложно несимметричных и несинусоидальных режимов таких систем тягового электроснабжения. Результаты моделирования показали, что при небольших размерах движения эффективность симметрирования в схеме с тяговым трансформатором открытого треугольника по сравнению с типовой существенно возрастает. Коэффициенты несимметрии по обратной последовательности k 2U уменьшаются на 15-25 %. Максимумы суммарных коэффициентов гармоник на вводах 220 кВ тяговых подстанций снижаются на 22-47 %. Итоговые показатели по напряжениям на токоприемниках электровозов в обеих схемах различаются на доли процентов, за исключением минимального напряжения четного поезда, которое в схеме с тяговым трансформатором открытого треугольника ниже аналогичного показателя для типовой системы тягового электроснабжения примерно на 3 %. В схеме с тяговым трансформатором открытого треугольника максимальные значения потерь в линии электропередач уменьшаются на 7 %, а в тяговых сетях увеличиваются на 16 %. Снижение потерь в линии электропередач связано с выравниваем нагрузок по фазам. Повышение потерь в тяговых сетях вызвано пониженными напряжениями в схеме с тяговым трансформатором открытого треугольника по сравнению с типовой системой тягового электроснабжения. Из-за снижения напряжений возрастают токи, что приводит к увеличению напряженностей магнитного поля. Разработанные цифровые модели могут применяться на практике при выборе средств симметрирования на участках дорог с размерами движения, не достигающими пределов пропускной способности.
Ключевые слова
В статье представлена методика разработки математической модели асинхронного электродвигателя. Проведен анализ наиболее частых недостатков подобных моделей, основанных на эквивалентной Т-образной схеме замещения. К ним относятся не всегда применимые интерфейсные переменные (входные сигналы), а также пренебрежение намагничиванием стали сердечника и потерями в стали. Решение этих недостатков значительно расширит область применения рассматриваемых моделей, в частности позволит использовать их в системе управления асинхронным приводом, основанной на бездатчиковом методе управления. При таком подходе отсутствуют физические датчики температуры и скорости вращения ротора, сигналы с которых рассчитываются по косвенным параметрам. В связи с этим требуется учет нелинейных процессов, что повышает точность расчета. Показано, что среди существующих методов учета намагничивания электродвигателя предпочтительным является метод статических индуктивностей. Он представляет собой взаимоиндукцию между статором и ротором в виде зависимости от тока намагничивания. Введение данной зависимости не сделает модель нелинейной, однако даст возможность провести более корректный расчет при минимуме дополнительных параметров. В то же время учет потерь в стали осуществляется за счет введения активного сопротивления параллельно цепи намагничивания. В работе подробно описывается разработка модели с теоретическим обоснованием использования тех или иных допущений и формул. Входные переменные модели ограничены тремя фазными напряжениями, скоростью вращения ротора и температурой внешнего воздуха. Данный набор может считаться минимально необходимым для использования модели в составе системы управления частотным асинхронным приводом. Наиболее чувствительны подобные системы управления к сопротивлению статорной обмотки электродвигателя, поэтому предложена методика расчета ее температуры на основе двухмассовой модели, которая рассматривает электродвигатель в двух частях: обмотки и сердечник с корпусом. В конце приведены расчет параметров эквивалентной схемы замещения на примере конкретного электродвигателя и результаты его моделирования.
Ключевые слова
Одной из ключевых задач Центральной дирекции по управлению терминально-складским комплексом ОАО «РЖД» является постепенное наращивание доли транспортно-логистических услуг и сервисов, оказываемых дополнительно к базовым, в числе которых: выполнение погрузочно-разгрузочных работ, хранение грузов, промывка вагонов и контейнеров, в также переход к комплексному уровню транспортно-экспедиционного обслуживания клиентов, при котором все обязанности грузоотправителя и грузополучателя, установленные нормативными документами в области железнодорожного транспорта, принимают на себя в соответствии с доверенностью работники железнодорожного транспорта. Это позволит не только расширить спектр сервисного обслуживания, но и в значительной степени повысит его качество, что особо важно в условиях ужесточения конкуренции со стороны крупных российских и международных транспортно-логистических компаний. В научной статье представлены некоторые результаты социологического исследования удовлетворенности клиентов транспортно-экспедиционными услугами ОАО «РЖД», выявлены сильные и слабые стороны компании, что помогло разработать ряд мероприятий по оптимизации деятельности. Опрос показал, насколько по-разному производится оценка качества работы грузовых пунктов в зависимости от рода перерабатываемого груза и в каких направлениях необходимо оптимизировать деятельность и технологические процессы. Проведенный анализ позволил установить следующее: среди всех транспортных услуг, которые клиент наиболее часто заказывает у других транспортных компаний, выделяются услуги по оформлению документов на перевозку грузов по доверенности и экспедирование. В связи с этим предложено техническое решение, направленное на повышение качества работы отрасли в данном направлении.
Ключевые слова
В статье рассмотрен контейнерный терминал «Е». Основной задачей компании «Е», как и любой другой коммерческой структуры, является получение прибыли. Прибыль - не только инструмент удовлетворения нужд организации, но и способ ее развития при правильном вложении полученных средств, что тоже считается важным фактором. Также компании необходимо расширять свое производство или модернизировать его, чтобы не только повышать свои доходы, но и оставаться конкурентоспособной на рынке. В нашем случае компания выбрала путь модернизации: вложить часть полученной прибыли в строительство новой площадки для стоянки автотранспорта и оптимизировать схему его передвижения по территории терминала, что в дальнейшем поможет нарастить контейнерооборот и расширить емкости контейнерной площадки. В работе выполнен анализ существующей схемы движения автотранспорта на терминале, отмечены основные недостатки. Изучены причины ожидания автотранспорта на территории терминала и простоя при различных операциях с помощью диаграммы Исикавы. Установлено, что основная причина простоя автотранспортных средств на терминале - перегруженность парковки, которая возникает из-за неравномерного прибытия автотранспорта. Выполнен анализ объема работы терминала по месяцам. Выявлено, что самым напряженным месяцем является март. Определены максимальные, минимальные и средние размеры прибытия автотранспортных средств на терминал. Посредством графических зависимостей в результате обработки статистических данных получены графики распределения автомобилей по суточным интервалам. На основании графиков сделан вывод, что распределение автомобилей носит случайный характер, что может вызывать затруднения в работе терминала. С учетом суточных интервалов прибытия транспорта созданы три модели работы терминала в программе AnyLogic. Имитационное моделирование подтвердило, что схема движения автотранспорта внутри терминала требует доработки, а также указало на недостаточность одной парковки.
Ключевые слова
Проблема взаимодействия подвижного состава и железнодорожного пути является важнейшей для железнодорожного транспорта. До настоящего времени она не решена в полном объеме, видимо, из-за сложности соответствующих математических моделей. Для решения данной проблемы следует менять парадигму математических моделей, переходя от обыкновенных дифференциальных уравнений на обыкновенные дифференциальные уравнения со случайными коэффициентами. Большинство исследователей в расчетах динамики взаимодействия железнодорожного пути и подвижного состава вертикальную жесткость пути принимают постоянной величиной в продольном направлении, а это не так. Даже в случае «бархатного» пути существует его неравноупругость, жесткости над шпалой и в междушпальном ящике, по данным профессоров М.Ф. Вериго и А.Я. Когана, отличаются, такой вывод сделан на основании экспериментальных данных Всесоюзного научно-исследовательского института железнодорожного транспорта. Также необходимо учитывать, что жесткости по левым и правым колесам не идентичны. В новой парадигме обыкновенных дифференциальных уравнений с переменными, случайными или параметрическими коэффициентами меняются понятия резонанса и устойчивости. Из приведенных расчетов видно, что при введении показателя силы тяжести и учете параметров подвижного состава, а также жесткости пути под левым и правым колесами, величины подпрыгивания и боковой качки с увеличением скорости значительно возрастают, что может привести к разгрузке колеса и, как следствие, к его вползанию на головку рельса.
Ключевые слова
На сегодняшний день в системах электроснабжения устройств автоблокировки часто фиксируется несоответствие показателей качества электроэнергии требованиям нормативной документации. Усугубляется данная проблема и тем, что к концу 2024 г. на участках Восточного полигона запланирована установка системы автоблокировки с тональными рельсовыми цепями в микропроцессорных шкафах - АБТЦ-МШ. Так как данная система построена на микропроцессорной базе, которая крайне чувствительна к качеству электроэнергии, то возникает вероятность отказов, что приведет к простоям поездов, а это является недопустимым. В статье описываются системы электроснабжения устройств автоблокировки одного из участков Восточного полигона. Представлены результаты замеров показателей качества электроэнергии на двух постах электрической централизации исследуемого участка. Выявлено несоответствие измеренных показателей требованиям стандарта. Произведена разработка модели системы электроснабжения устройств автоблокировки указанного участка в программно-вычислительном комплексе Fazonord. Модель призвана упростить процесс анализа отклонений показателей качества электроэнергии от допустимых значений и ускорить процесс подготовки технических решений по уменьшению данных отклонений. В работе уделяется особое внимание несинусоидальности напряжения на стороне низкого напряжения 0,4 кВ, к которой непосредственно через понижающие трансформаторы подключаются потребители автоблокировки и оборудование АБТЦ-МШ. Проведен анализ возможных мероприятий по снижению несинусоидальности, аргументирован выбор использования активных фильтров гармоник, показаны результаты моделирования до и после установки активных фильтров гармоник и сделаны соответствующие выводы об эффективности их применения.
Ключевые слова
На сегодняшний день область применения асинхронных машин наиболее обширна. Асинхронные двигатели применяются не только в промышленности как приводы конвейеров или приточно-вытяжной вентиляции, но и используются на железнодорожном транспорте. Асинхронные двигатели малой мощности эксплуатируются также в мотор-вентиляторных, мотор-компрессорных установках, их применяют и в качестве приводов расщепителей фаз. Тенденция развития электроподвижного транспорта не ограничивается использованием только маломощных двигателей. Сейчас в качестве тяговых двигателей электроподвижного состава также задействуют асинхронные машины. В статье рассматриваются вопросы повышения качества работы асинхронного двигателя путем уменьшения времени переходных процессов в динамические. Основной задачей исследования является разработка механизма модального регулирования работы асинхронного двигателя, который будет обеспечивать заданные показатели качества системы автоматического управления. Описаны результаты моделирования переходных процессов в каналах потокосцепления и скорости двигателя при использовании модального регулятора. Проведен сравнительный анализ работы асинхронного двигателя с векторной системой регулирования с модальным регулятором и без него. Итоги анализа подтвердили перспективность модального управления при работе асинхронного двигателя. Получены соответствующие графики переходного процесса, подтверждающие достижение заданного времени регулирования при применении модального регулятора. Сформулирован вывод об эффективности предлагаемого метода модального управления асинхронным двигателем.
Ключевые слова
В статье показаны проблемы, связанные с нарушением технологии укладки пенополистирольных плит при проведении капитальных ремонтов железнодорожных путей. Указано на недостатки, возникающие при новом строительстве и эксплуатации участков пути с теплоизоляционными материалами. Актуальность работы заключается в аргументации замены малоэффективного пенополистирола на экологически безопасные полимерные композиционные материалы с повышенными прочностными характеристиками. Учеными Забайкальского института железнодорожного транспорта Иркутского государственного университета путей сообщения на основе золошлаковых отходов разработаны материалы - аналоги пенополистирола. Основная цель работы - оценка эффективности предложенных теплоизоляционных материалов с помощью проведения тепловых прогнозных расчетов. Теплотехнические сравнительные расчеты проводились с применением программного комплекса Frost 3D Universal. Прогноз эффективности действия представленных проектных мероприятий осуществлялся сроком на пять лет. Установлено, что температура грунта на границе между основной площадкой земляного полотна и применяемыми в настоящее время теплоизоляторами составляет примерно 0,76 °С на середину декабря пятого года эксплуатации. Однако в случае использования предлагаемых теплоизоляторов при аналогичном сроке эксплуатации температура грунта будет достигать примерно 0,92 °С. В целом это позволяет сказать, что по теплотехническим свойствам теплоизолятор, выполненный на основе золошлаковых отходов, соответствует всем необходимым требованиям. Его применение может быть целесообразно при необходимости полного выведения зоны промерзания (оттаивания) из пучинистых грунтов. Кроме того, это поможет исключить ряд недостатков, обнаруживающихся в процессе работы с существующими теплоизоляторами. Например, при укладке на основную площадку земляного полотна есть возможность его раскатывания.
Ключевые слова
В статье отмечается важное значение железнодорожного транспорта в экономике Российской Федерации и обеспечении безопасности страны. Рассматривается проблема увеличения производительности железнодорожного транспорта, на решение которой могут повлиять повышение надежности тягового подвижного состава и снижение количества отказов в процессе его работы. Реализация мероприятий, направленных на сокращение числа отказов и времени простоя тягового подвижного состава, окажет благоприятное воздействие на функционирование железнодорожного транспорта путем повышения его производительности. Особенно важно отметить необходимость роста качественных показателей работы тягового подвижного состава. Большое значение среди этих показателей занимает участковая скорость. Она является одним из основополагающих параметров, определяющих перевозочную деятельность железнодорожного транспорта. Нарушения графика движения вызывают временные потери. Такие нарушения достаточно часто вызываются отказами подвижного состава. Качество графика движения характеризуется коэффициентом скорости, который зависит от соотношения участковой, технической и ходовой скоростей, а также от некоторых других факторов, в том числе и времени простоя подвижного состава. В работе приведены статистические данные по количеству «сходов с кольца» локомотивов на ст. Тайшет, рассмотрены типология причин «сходов с кольца» и алгоритм процессов при «сходе с кольца». Кроме того, указана статистика отказов элементов песочной системы электровозов парка Восточно-Сибирской железной дороги. Отмечено, что нерациональная подача песка из песочной системы локомотивов приводит к длительным простоям подвижного состава. Изучены песочные системы электровозов переменного тока парка Восточно-Сибирской железной дороги, их назначение, конструкция и принцип работы на примере песочной системы электровоза 2(3) ЭС5К «Ермак». Приведены способы управления подачей песка в песочной системе локомотивов, выявлены основные направления совершенствования систем пескоподачи локомотивов и рассмотрены некоторые примеры их реализации. По результатам исследования сделан вывод о необходимости модернизации систем пескоподачи локомотивов или их замены на альтернативные системы.
Ключевые слова
В статье определена функция распределения числа отказов грузовых вагонов в межремонтном периоде на основе использования статической информации и установлено наиболее вероятное число отказов полувагонов в процессе эксплуатации. Анализируется объем статистических данных о выполнении ремонтов вагонов за продолжительный период времени. Для оценки рассматриваемой выборки предлагается использовать линейные графики зависимостей числа отказов от номера наблюдения. В дальнейшем применяется гистограмма изменения количества отказов, необходимая для идентификации типа распределения исследуемых данных. Для выделения фактического срока службы выборочной совокупности полувагонов предлагается трансформация представления сведений для перехода от распределения Пуассона к нормальному закону. При исследовании статических данных применялось математическое ожидание, которое подтверждает нормальный характер распределения. Приведены аналитические решения по определению числа отказов, полученных на основе оценки статистики посредством известных подходов. Построены графики распределения ремонтов и отказов. Статические данные проанализированы при помощи пакета прикладных программ «Статистика». Найденные решения и сформированная методика могут использоваться при создании специализированного программного комплекса, что позволит выстраивать приближенные прогнозные модели, так как существующими средствами не всегда возможно быстро решить поставленные задачи. Таким образом, результаты исследований могут быть востребованы при осуществлении планирования технических, эксплуатационных, финансовых и стратегических ресурсов вагонного хозяйства и железнодорожной отрасли в целом.
Ключевые слова
На нефтяных скважинах широко применяется энергия взрыва в виде кумулятивной струи, которая пробивает канал. При прострелочно-взрывных работах на нефтяных скважинах находят применение перфораторы на основе кумулятивных зарядов с сегментной облицовкой. Однако проведение прострелочно-взрывных работ - процесс дорогостоящий и опасный. Поэтому перспективным является его компьютерное моделирование, более дешевое и безопасное по сравнению с натурным экспериментом. Так, для моделирования процесса, характеризуемого малым временем протекания, большими деформациями и перемещениями, частичным или полным разрушением материала, перспективно использовать прикладное программное обеспечение ANSYS AUTODYN. В данной статье описывается разработанная и отработанная методика создания компьютерной модели для точного определения пробивного действия кумулятивного заряда перфоратора из смесевого энергонасыщенного материала повышенной мощности с сегментной облицовкой по глубине канала в стальной плите. Проведен виртуальный эксперимент с моделью кумулятивного заряда перфоратора для изучения направленного действия взрыва. Представлено сравнительное изучение результатов компьютерного моделирования и натурного эксперимента пробивной способности кумулятивных зарядов. С помощью вычислительных экспериментов установлено влияние прогиба и толщины облицовки на глубину пробития. В ходе вычислительного эксперимента для заряда перфоратора найдены эффективные значения толщины и прогиба сегментной облицовки кумулятивного заряда перфоратора.
Ключевые слова
В работе рассмотрены способы определения гидравлических характеристик трубопроводной арматуры. Вычислена пропускная характеристика клеточного регулирующего клапана, а также проведено сравнение результатов стендовых испытаний и конечно-элементного анализа пропускной способности клапана в зависимости от степени открытия регулирующего органа «золотника». В исследовании использованы методы конечно-элементного моделирования и статистической обработки данных. Разработана 3D-модель арматуры, которая установлена на участке трубопровода. На первом этапе расчета проверена сходимость сетки, определен размер ее ячеек и влияние размера ячейки на результаты расчета. В соответствии с требованиями ГОСТ 34437-2018 предусмотрены участки трубопровода до и после арматуры. Построены графики пропускной характеристики клапана, полученной по итогам конечно-элементного моделирования, экспериментальной пропускной характеристики клапана, корреляция результатов конечно-элементного анализа и экспериментальных данных. Также построен график отклонения полученных значений. Можно сделать вывод, что конечно-элементный анализ необходим при проектировании клапанов на различных стадиях производства для снижения общих издержек. Предложения по практическому применению данных научного исследования заключаются в их использовании в проектировании объектов атомной и нефтегазовой промышленностей. В научной работе указаны полученные расчетные и экспериментальные значения пропускной способности, а также дана оценка возможности применения конечно-элементного анализа при выполнении проектирования клапанов.