СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ КОНСТРУКЦИИ И ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЭКСПЛУАТАЦИИ

ТРАНСПОРТНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ МАШИН И КОМПЛЕКСОВ

УДК 62.822

ПРИМЕНЕНИЕ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫХ УРАВНЕНИЙ К ПОСТРОЕНИЮ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ДВИГАТЕЛЯ

APPLICATION OF DIFFERENTIAL EQUATIONS TO BUILD A

MATHEMATICAL MODEL OF THE ENGINE

А.И. Ишутинов

Сибирский государственный автомобильно-дорожный университет (СибАДИ), Россия, г. Омск

Аннотация. В статье рассматривается применение дифференциальных уравнений для построения математической модели двигателя на примере скрепера. В качестве регулируемого параметра, влияющего на величину мощности ДВС, могут быть выбраны: заглубление рабочего органа в грунт (толщина стружки), номер передачи трансмиссии (скорость движения машины) и положение рейки топливного насоса (топливоподачи).

Ключевые слова: двигатель, математическая модель, скрепер, дифференциальное уравнение, управляющее воздействие, регулятор.

управляющим воздействием является положение рейки топливного насоса h ,

характеризующее величину подачи топлива, а следовательно, и количество вырабатываемой энергии, возмущающим воздействием – момент нагрузки на валу, а выходным параметром – угловая скорость вала двигателя ωD .

Фундаментальные и прикладные исследования молодых учёных: материалы Международной научно- практической конференции студентов, аспирантов и молодых учёных, 8-9 февраля 2017 г.

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ КОНСТРУКЦИИ И ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЭКСПЛУАТАЦИИ

ТРАНСПОРТНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ МАШИН И КОМПЛЕКСОВ

Рисунок 1 – Функциональная схема ДВС

Математическую модель двигателя на основании схемы, представленной на рис.1, запишем в виде обыкновенного дифференциального уравнения первого порядка относительно угловой скорости

где J D – момент инерции вращающихся и поступательно движущихся масс, приведённый к валу двигателя; M e – крутящий момент двигателя, M c – момент сопротивления,

обусловленный внешними нагрузками.[5]

В зависимости от режима функционирования скрепера и вида выполняемых технологических операций рабочая точка на силовой установке может находиться как на регуляторной, так и на корректорной ветви. На тракторных ДВС применяют механические

регуляторы прямого действия, работающие по принципу выходного параметра (угловой скорости ωD ) по отклонению заданного значения, которое задается положением рукоятки

H = ∆h .– перемещение рейки топливного насоса относительно начального положения.

h0

Методы решения дифференциальных уравнений (1) и (2) изучают в курсе высшей математики.[6]

Характер изменения жёсткости задающей пружины от перемещения рейки топливного насоса имеет вид, представленный на рис. 2.

Фундаментальные и прикладные исследования молодых учёных: материалы Международной научно- практической конференции студентов, аспирантов и молодых учёных, 8-9 февраля 2017 г.

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ КОНСТРУКЦИИ И ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЭКСПЛУАТАЦИИ

ТРАНСПОРТНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ МАШИН И КОМПЛЕКСОВ

α ,70

Рисунок 2 – Зависимость жесткости задающей пружины от перемещения рейки

Заключение

Составлена математическая модель двигателя в виде дифференциального уравнения первого и второго порядков.[7] В качестве регулируемого параметра, влияющего на величину

мощности ДВС, выбраны номер передачи трансмиссии (скорость движения машины) и положение рейки топливного насоса (топливоподачи).

Научный руководитель – доцент Матвеева С. В.

1.Завьялов, А.М. Основы теории взаимодействия рабочих органов дорожно-строительных машин с грунтом/А.М. Завьялов. – Омск, 1992. – 192 с.

2.Алексеева, Т.В. Дорожные машины. Ч.1. Машины для земляных работ / Т.В. Алексеева, К.А. Артемьев. – М.: Машиностроение, 1971. – 303 с.

3.Мещеряков, В.А. Динамическая модель привода землеройно-транспортной машины с гидромеханической трансмиссией/ В.А. Мещеряков // Вестник Сибирской государственной автомобильно- дорожной академии. – 2007. – № 5. – С. 229–233.

4. Матвеева, С.В. Системный подход к моделированию процесса резания грунта скрепером/ С.В. Матвеева, А.А. Руппель // Вестник Московского автомобильно-дорожного института. – 2009. – № 2. – С. 20–24.

5.Матвеева, С.В. Математика. Дифференциальное исчисление функций нескольких переменных.

Интегральное исчисление. Дифференциальные уравнения. Комплексные числа: учебное пособие/ C.В. Матвеева; СибАДИ. – Омск: СибАДИ, 2016. – 112 c.

6.Руппель, Е.Ю. Приложение рядов для расчета рекуперации кинетической энергии при

использовании пневмогидроаккумулятора / Е.Ю. Руппель // Вестник Сибирской государственной автомобильно-дорожной академии. – 2015. – № 5. – С. 129–135.

7.Матвеева, С.В. Повышение качества организации самостоятельной работы студентов по математике / С.В. Матвеева// Архитектура, строительство, транспорт: материалы Междунар. науч.- практ. конф. (к 85-летию ФГБОУ ВПО «СибАДИ»). – Омск, 2015.

APPLICATION OF DIFFERENTIAL EQUATIONS TO BUILD A

MATHEMATICAL MODEL OF THE ENGINE

A.I. Ishutinov

Abstract. The article discusses the use of differential equations to construct a mathematical model of the engine on the example of the scraper. As the control parameter influencing the amount of power

Фундаментальные и прикладные исследования молодых учёных: материалы Международной научно- практической конференции студентов, аспирантов и молодых учёных, 8-9 февраля 2017 г.

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ КОНСТРУКЦИИ И ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЭКСПЛУАТАЦИИ

ТРАНСПОРТНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ МАШИН И КОМПЛЕКСОВ

of the internal combustion engine, can be chosen: the depth of the working body in the ground (chip thickness), number of transmission (speed of machine) and the rack position of the fuel pump (fuel feed).

Keywords: the engine, mathematical model, scraper, differential equation, control action, controller.ndependent.

Ишутинов Антон Игоревич, студент группы АТб-15А2, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Сибирский государственный автомобильно- дорожный университет (СибАДИ)», Омск (Контактный телефон 89139614514 Е-mail:

matv.sv2015@yandex.ru).

Ishutinov Anton Igorevich, student group ATB-15А2, Federal state budgetary educational institution of higher professional education "Siberian State Automobile and Highway University (SibADI)" Omsk.

УДК 625.089.2:621.914.2

ПРИМЕНЕНИЕ ИОННО-ПЛАЗМЕННОЙ И ИОННО-ЛУЧЕВОЙ ОБРАБОТОК ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ РЕЗЦОВ ДОРОЖНЫХ ФРЕЗ

THE USE OF ION-PLASMA AND ION-BEAM TREATMENTS TO ENHANCE

THE ENDURANCE CUTTERS MILLING MACHINES

Н.А. Кирюшкина, П.В. Орлов

Сибирский государственный автомобильно-дорожный университет (СибАДИ), Россия, г. Омск

239

Аннотация. В статье рассмотрены некоторые способы повышения износостойкости резцов дорожных фрез путем применения ионно-плазменной и ионно-лучевой обработок.

Раскрыты схемы и инструментарий экспериментов, проведен сравнительный анализ результатов испытаний исходных и модифицированных материалов резцов на трение и износ. Так же описано испытания на специальном стенде. В ходе испытания происходили изменение веса образцов, что хорошо можно увидеть в данной статье. Испытания проводились с исходными модифицированными образцами.

Введение

В последние годы кардинально изменился подход к механизации среднего и капитального

ремонта асфальтобетонах покрытий. Если раньше широко использовались ремонтеры, при капитальном ремонте производилась малоэффективная и весьма дорогостоящая обработка утолщения покрытий новым слоем асфальтобетона, то в настоящее время технология ремонта заключается в холодном или горячем фрезеровании покрытия в снятии изношенной части с повторным использованием (регенерацией) снятого асфальта. Основным рабочим органом самоходных, дорожных фрез, ресайклеров, стабилизаторов и комплексов оборудования для строительства и реконструкции дорог является вращающийся фрезерный барабан непрерывного действия, оснащенный системой резцедержателей со сменными режущими резцами. В зависимости от функциональных требований применяются несколько типов фрезерных барабанов: стандартные (standard), грубые (ECO Cutters), точные (fine) и сверхточные (micro-fine), которые отличаются схемой расположения и суммарным количеством

режущих элементов. При этом основными изнашиваемыми рабочими органами дорожных фрез во многом определяющими их эксплуатационные и производственно-экономические

характеристики являются резцы. Некоторые способы повышения их эксплуатационных характеристик рассмотрены в данной работе.

Обработка материалов ионно-плазменными потоками позволяет формировать на

поверхности тонкоплёночные покрытия различного состава и, тем самым, изменять поверхностные свойства металлов и сплавов в широких пределах. Уникальные свойства композиций «основа - покрытие» могут быть обеспечены нанесением многослойных покрытий,

Фундаментальные и прикладные исследования молодых учёных: материалы Международной научно- практической конференции студентов, аспирантов и молодых учёных, 8-9 февраля 2017 г.

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ КОНСТРУКЦИИ И ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЭКСПЛУАТАЦИИ

ТРАНСПОРТНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ МАШИН И КОМПЛЕКСОВ

-покрытие нитридами сплава ИНТОМ5 с последующей имплантацией ионами Ti+ - N+ с энергией Е = 30 кэВ, дозой 5х1017 ион/см2;

-покрытие соединением TiAl;

-покрытие нитридами хрома;

-покрытие хромом;

-имплантация ионами Cu+ – Ar+ с энергией Е = 30 кэВ, дозой 5х1017 ион/см2;

-покрытие нитридами сплава ИНТОМ5 с последующей имплантацией ионами Zr+ - N+ с энергией Е = 30 кэВ, дозой 5х1017 ион/см2.

Толщина наносимых покрытий 3 - 6 мкм. Поверхностная микротвердость модифицированных образцов приведена в таблице 1. Материал основы – сплав ВТ3-1.

Таблица 1– Поверхностная микротвердость модифицированных образцов

Фундаментальные и прикладные исследования молодых учёных: материалы Международной научно- практической конференции студентов, аспирантов и молодых учёных, 8-9 февраля 2017 г.

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ КОНСТРУКЦИИ И ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЭКСПЛУАТАЦИИ

ТРАНСПОРТНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ МАШИН И КОМПЛЕКСОВ

Образцы из титанового сплава ВТ3-1 в виде цилиндров Ø 7х11 мм с модифицированной по

торцам поверхностью подвергались испытаниям на износ в паре с немодифицированной поверхностью из того же материала, что соответствует реальной работе пар в различных конструкциях.

Испытание на износостойкость

Испытания проводились на специальном стенде в жестких условиях сухого трения с удельной нагрузкой 0,1 кг/мм2 и скоростью линейного перемещения 200 м/мин. Время

испытаний 5 мин. При этом общая длина пути трения составляла 1000 м. Испытывались по 2 образца каждого вида модификации с 2-х сторон. Результаты испытаний, оцененные по потере веса, приведены в таблице 2.

Исходя из полученных данных по степени снижения износостойкости модифицированные поверхности располагаются в ряд:

ИНТОМ5-N + Zr+ - N+ (0,0042 г.) → ИНТОМ5-N + Ti+ - N+(0,0045 г.) → TiAl (0,0057 г.) → ИНТОМ5-N (0,0088 г.)→ Cr2N (0,0125 г) → Cr (0,0144 г.) → Cu+ – Ar+ (0,0218 г.) → без модиф. (0,0383 г.).

Сравнение средних значений массового износа модифицированных и исходных образцов показывает, что некоторые комбинации покрытий обеспечивают его снижение до 10 раз.

Таблица 2 – Изменение веса образцов после испытаний

Важным параметром, во многом влияющим на итоговые эксплуатационные характеристики модифицированных резцов является коэффициент трения. Исследования коэффициента трения исследовались как функция, зависящая от времени. Измерения проводились на исходном и модифицированных образцах:

1)Покрытие нитридами хрома - Cr2N.

2)Покрытие хромом.

Фундаментальные и прикладные исследования молодых учёных: материалы Международной научно- практической конференции студентов, аспирантов и молодых учёных, 8-9 февраля 2017 г.

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ КОНСТРУКЦИИ И ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЭКСПЛУАТАЦИИ

ТРАНСПОРТНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ МАШИН И КОМПЛЕКСОВ

3)Покрытие нитридами сплава ИНТОМ5

4)Покрытие соединением TiAl.

5)Имплантация ионами Cu+ – Ar+.

6)Исходный.

7)Покрытие нитридами сплава ИНТОМ5 с последующей имплантацией ионами Ti+ - N+.

8)Покрытие нитридами сплава ИНТОМ5 с последующей имплантацией ионами Zr+ - N+.

Установка состоит из машины трения и блока регистрации. Машина трения состоит из

вращающегося с заданной скоростью столика, на котором укреплен исследуемый образец. Скорость вращения и, следовательно, скорость движения индентора по исследуемой поверхности контролируется с помощью осциллографа, который регистрирует электрические импульсы, поступающие с фотоприемника. Периодическое освещение фотоприемника отраженным светом осуществляется при вращении столика, на боковой стороне которого симметрично относительно центра вращения расположены два отражателя (алюминиевая фольга). Титановый индентор укреплен в штанге, закрепленной в шаровой опоре и сбалансированной противовесом. Величина силы прижима задается разновесом, укрепленным на держателе.

При вращении образца смещение индентора по касательной блокируется ограничителем, в который упирается штанга под действием сил трения. Для определения момента сил трения используется тензодатчик. После подвода с помощью винта тензодатчика к штоку штанги происходит изгиб пластины датчика. Сигнал с датчика поступает на тензоусилитель и регистрируется милливольтметром. Скорость вращения исследуемого образца задается с помощью блока питания, путем установления на нем соответствующего напряжения.

После построения градуировочной кривой тензодатчика задается требуемая скорость вращения (в данном случае V = 0,28 м/сек) и величина силы прижима индентора (Fтяж = 0,403 H). Затем устанавливаем цилиндрический индентор диаметром 0,00185 м в положение с

заданным радиусом канавки для конкретного образца. В нашем случае радиусы составляли 11;

8,5 мм. По известному радиусу R и заданной скорости движения индентора V определяем 242

период вращения и период T следования меток на осциллографе:

В данном случае Т = 0,125; 0,09; 0,056 с.

Повышая ступенчато напряжение, подаваемое на двигатель вращения столика, с помощью блока питания, добиваются соответствия периода следования меток на экране осциллографа вычисленному значению. Затем с помощью противовеса уравновешивают штангу. Установив разновес m = 0,04112 кг на держатель, опускают индентор на исследуемую поверхность

образца, предварительно установленного на вращающийся предметный столик. Включают секундомер, перемещают тензодатчик с помощью винта до момента начала мерцания светодиода и считывают показания милливольтметра через определенные интервалы времени 30, 60 и 90 мин для каждого радиуса дорожки. По градуировочному графику определяют силу давления на тензодатчик FD и определяют силу трения по формуле

F l

где l1 и L2 - плечи сил FD и Fтр соответственно. l1 = 25,5 мм, L2 = 69,5 мм.

Коэффициент трения определяется по формуле:

(3)

Результаты испытаний приведены таблице 3 и на рисунке 1.

Фундаментальные и прикладные исследования молодых учёных: материалы Международной научно- практической конференции студентов, аспирантов и молодых учёных, 8-9 февраля 2017 г.

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ КОНСТРУКЦИИ И ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЭКСПЛУАТАЦИИ

ТРАНСПОРТНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ МАШИН И КОМПЛЕКСОВ

Таблица 3 – Исследования коэффициента трения как функции времени

Как видно из полученных графических зависимостей результатов проведенных испытаний по исследованию коэффициента трения во времени можно сделать вывод о том, что к 60-ой

минуте проведения испытаний наблюдается максимальное значение коэффициента трения у исходного образца, образца с покрытием ИНТОМ5-N+Ti+-N+ и образца, модифицированного хромом, с дальнейшим снижением его значения. У образцов с покрытиями TiAl, Cu+ – Ar+, Cr2N, ИНТОМ5-N максимального значения коэффициента трения за время проведения испытаний эти

образцы достигают к 90 минуте. Следует отметить резкое увеличение значения коэффициента трения с 30 по 90 минуту испытаний для образца ИНТОМ5-N. Абсолютное наименьшее

значение коэффициента трения в течение всего времени испытаний наблюдалось у образца, модифицированного хромом.

Библиографический список

1.Диденко, А.Н. Структурные изменения глубинных слоев материала после модификации ионными пучками и природа его упрочнения / А.Н. Диденко, А.Е. Лигачев, Э.В. Козлов, И.В. Куракин, Ю.П. Шаркеев // ДАН СССР, 1987. –Т. 286. – С. 869–876.

2.Полещенко, К.Н. Износостойкость твердых сплавов системы WC-Co, модифицированных ионными пучками различной интенсивности / К.Н. Полещенко, Г.А. Вершинин, С.Н. Поворознюк, П.В. Орлов // Трение и износ.– 1998. . – № 4. – Т. 19. – С. 475–479.

3.Гринберг, П.Б. Радиационно-энергетическая модификация триботехнических свойств инструментальных материалов/ П.Б. Гринберг, К.Н. Полещенко, Г.А. Вершинин, С.Н. Поворознюк, П.В. Орлов, Н.П. Калистратова // Трение и износ.– 1998.– № 4. – Т. 19. – С. 480–486.

4.Панин, В.Е. Наноструктурирование поверхностных слоев конструкционных материалов и нанесение наноструктурных покрытий / В. Е. Панин, В. П. Сергеев, А. В. Панин. – Томск: Изд-во ТПУ, 2008. – 286 с.

Фундаментальные и прикладные исследования молодых учёных: материалы Международной научно- практической конференции студентов, аспирантов и молодых учёных, 8-9 февраля 2017 г.