Использование гибких упругих элементов дискретного действия для обеспечения контроля и безопасности технологических процессов машиностроения

УДК 539.3

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ГИБКИХ УПРУГИХ ЭЛЕМЕНТОВ ДИСКРЕТНОГО ДЕЙСТВИЯ ДЛЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ КОНТРОЛЯ И БЕЗОПАСНОСТИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

МАШИНОСТРОЕНИЯ

О.О. Барышникова, З.М. Борискина, А.А. Шубин

На современном уровне развития техники актуальна задача создания эффективных элементов систем аварийной сигнализации, которые позволяют измерять и фиксировать давление температуру или другие рабочие параметры. Своевременное гарантийное срабатывание системы аварийной сигнализации позволит избежать опасной ситуации и обеспечить безопасные условия труда. Использование для этой цели гибких элементов дискретного действия обеспечивает ряд преимуществ - простота конструкции в сочетании с высокой технологичностью, надежность, ремонтопригодность, экологическая чистота. Представленные в статье результаты расчета гибких упругих элементов позволили выработать рекомендации по подбору типа и геометрии элемента для обеспечения основных рабочих критериев - требуемое перемещение характерной точки при заданном критическом нагружении.

Ключевые слова: гибкий элемент дискретного действия, аварийная сигнализация, аварийный переключатель, перескок, трубчатый манометрический элемент.

Современный уровень техники и технологий ставит перед разработчиками несколько важных задач: реализация требуемого технологического процесса, создание систем обеспечения комфортных и, в первую очередь, безопасных условий труда обслуживающего персонала, проектирование систем оповещения о возможности возникновения аварийной ситуации [1, 2, 7]. Каждая из перечисленных задач требует грамотного подхода. Любая система современной технологической машины должна обладать высокими показателями надежности и ремонтопригодности. Энергозатраты и стоимость должны быть минимальными при условии полного обеспечения основных рабочих качеств системы машины и всех ее элементов.

Для современных технологий актуальна задача создания элементов систем аварийной сигнализации, которые срабатывают при повышении давления сверх допустимого предела, при повышении температуры и других рабочих параметров. Использование для этой цели гибких упругих элементов дискретного действия обеспечивает ряд преимуществ [10, 3, 5, 6]. Гибкий элемент позволяет проводить измерения контролируемого рабочего параметра, дает возможность визуально отслеживать значения контролируемого параметра, а также фиксировать его изменения с помощью любой записывающей техники. После срабатывания элемента в качестве

датчика аварийной сигнализации гибкий элемент сохраняет свою работоспособность, чем существенно отличается от датчиков предохранительного типа, которые разрушаются, блокируя рабочую цепь.

В качестве элемента системы аварийного оповещения предлагается использовать переключатель, показанный на рис. 1. Внутренняя полость гибкого герметичного элемента 2 в зависимости от его назначения может быть заполнена воздухом, давление которого необходимо контролировать, или сплавом-накопителем водорода (СНВ).

Рис. 1. Аварийный переключатель

Использование СНВ целесообразно при контроле температуры среды. При этом используется свойство сплавов-накопителей водорода при некотором критическом значении температуры выделять водород, при понижении температуры водород вновь поглощается сплавом. При выделении водорода давление во внутренней полости гибкого элемента повышается, форма поперечного сечения элемента вследствие этого изменяется, как показано на рис. 2. Сечение деформируется таким образом, что контакт 4 замыкается и осуществляется передача сигнала. При проектировании упругого элемента на первом этапе необходимо получить рабочую характеристику - перемещение характерной точки в зависимости от нагрузки. Будем рассматривать в качестве характерной точки точку крепления элемента контакта, а в качестве нагрузки - давление во внутренней полости упругого элемента.

1

переключателя

33

Выбор элемента в зависимости от требуемых технологическим процессом характеристик осуществляется подбором формы поперечного сечения гибкого элемента.

Расчет описанного гибкого элемента выполнен с использованием численных методов. Выбор расчетной схемы продиктован особенностями его геометрии. Длина элемента существенно больше параметров поперечного сечения, что позволило не рассматривать малое влияние концевых участков. С учетом предположения, что все сечения деформируются одинаково, в качестве расчетной схемы выбрана стержневая модель (см. рис. 3), для которой известны основные уравнения [3].

Рис. 3. Расчетная схема аварийного переключателя

Исследование процесса нелинейного деформирования гибкого элемента аварийного переключателя проведено с использованием метода дискретного продолжения по параметру в сочетании с методом многосегментной пристрелки [3, 8]. С использованием разработанной методики проведен расчет элемента с различной формой поперечного сечения. Возможность применения метода конечных элементов рассматривалась, но на этапе получения решения в виде рабочей характеристики затраты времени оказались больше [4, 9]. Основные геометрические параметры исходных расчетных элементов приведены в табл. 1.

Таблица 1

Основные геометрические параметры исходных расчетных элементов

№ а Ь Я1 Д2 с к 1

1 2,0 2,56 4,65 1,5 0,2 0,1 8,0

2 2,5 1,71 6,85 1,0 0,2 0,1 8,0

3 3,0 1,28 8,81 0,75 0,2 0,1 8,0

4 4,0 0,80 3,76 0,4 0,2 0,1 8,0

По результатам расчета на рис. 4 построены рабочие характеристики расчетных моделей. Как видно из рис. 4, для гибких элементов постоянной толщины нет зоны скачкообразного перехода из одного деформированного состояния в другое. Однако имеется зона, в которой незначительное увеличение внутреннего давления приводит к значительным перемещениям (см. рис. 4, кривая 4).

р,МПа 1,25 1,0 0,75 0,5

12 3 4

/

/ / /

/ / /

2

4

6

V, мм

Рис. 4. Рабочие характеристики переключателя с постоянной толщиной поперечного сечения

0

С использованием разработанной методики выполнено численное исследование элемента с переменной толщиной, расчетная схема которого показана на рис. 5. Технологически изменение толщины элемента может быть выполнено с помощью лазерной сварки. Основные геометрические параметры для расчета, кроме толщины, остаются неизменными (табл. 1). Результаты расчета приведены на рис. 5 в виде рабочих характеристик.

Рис. 5. Рабочие характеристики переключателя с переменной толщиной поперечного сечения

Как видно из рис. 5, на рабочих характеристиках имеются зоны перескоков. Область скачкообразного перехода из одного равновесного положения в другое обеспечивает необходимое мгновенное срабатывание переключателя (см. рис. 5, кривые 3 и 4).

Величина критического давления и величина перескока зависят от многих параметров. В связи с этим подбор формы поперечного сечения для конкретной практической задачи экспериментальным путем представляется сложным, требующим больших временных и материальных затрат. Использование методики численного исследования значительно облегчает решение поставленной задачи, сокращая затраты времени и денежных средств.

Проведенный анализ процесса нелинейного деформирования переключателя на базе стержневой модели показал, что такие модели могут быть рассмотрены как предельный переход к исследованию процесса нелинейного деформирования гибкого трубчатого элемента бесконечно большого радиуса кривизны.

Анализ результатов численного исследования позволяет дать рекомендации по выбору геометрии гибкого элемента. В том случае, когда необходимо выполнять измерение рабочего параметра и фиксировать его изменения, можно использовать гибкий элемент постоянной толщины поперечного сечения, т.е. упругие элементы могут использоваться в качестве чувствительных элементов приборов.

Для систем аварийной сигнализации рекомендуется использовать гибкий элемент дискретного действия, для которого срабатывание системы аварийного оповещения происходит при достижении некоторого критического значения внутреннего давления (связанного с рабочим параметром). Снижение давления до значения обратного срабатывания приводит к изменению геометрии поперечного сечения гибкого элемента, при снятии нагрузки элемент возвращается в исходное состояние. Следует отметить, что критическое значение внутреннего давления и значение обратного срабатывания могут существенно отличаться в зависимости от геометрии поперечного сечения гибкого элемента.

Простота конструкции в сочетании с высокой технологичностью, надежность, ремонтопригодность, экологическая чистота - основные преимущества датчиков систем контроля и аварийного оповещения.

Для современных систем аварийной сигнализации задача выбора основного элемента иногда осложняется ограничением по габаритам. В этом случае имеющееся в распоряжении конструктора пространство не позволяет разместить гибкие элементы, показанные на рис.1. При таком ограничении целесообразно использовать гибкий упругий трубчатый манометрический элемент, принципиальная схема которого показана на рис. 6. Поперечное сечение элемента имеет некруглую форму (см. рис. 6, б). При подаче давления во внутреннюю полость сечение деформируется, стремясь принять форму, близкую к окружности. При этом угол закручивания элемента уменьшается, а соответствующий радиус кривизны увеличивается

(см. рис. 6, а). В результате свободный конец гибкого трубчатого элемента перемещается. Все преимущества, которые были перечислены для аварийного переключателя, сохраняются, при этом трубчатый элемент имеет существенно меньшие габариты.

Рис. 6. Деформация гибкого трубчатого манометрического

элемента

Использование стержневой модели для описания трубчатого элемента бесконечно большого радиуса кривизны позволило сделать вывод, что наибольшее влияние на процесс деформирования манометрического элемента имеет форма его поперечного сечения. Поэтому из большого числа возможных геометрических параметров в первую очередь проанализировано влияние формы поперечного сечения на рабочую характеристику. В табл. 2 приведены основные геометрические характеристики четырех базовых моделей. Геометрические параметры приведены в табл. 2 в миллиметрах, модуль упругости первого рода £ = 1105 МПа и коэффициент Пуассона 1/ = 0,3. Формы поперечных сечений базовых моделей показаны на рис. 7.

Таблица 2

Основные геометрические характеристики четырех

базовых моделей

№ модели с а Ъ Ь д2

1 121 8,55 1,35 0,6 оо

2 121 8,55 1,35 0,6 40

3 121 8,55 1,35 0,6 1

4 121 8,55 1,35 0,6 2,65

Рис. 7. Формы поперечных сечений гибких трубчатых манометрических элементов

Результаты численного анализа нелинейного поведения гибких трубчатых элементов при больших перемещениях приведены на рис. 8 в виде рабочих характеристик.

О 15 30 45 60 г,мм

Рис. 8. Рабочие характеристики гибких трубчатых элементов

Трубчатому элементу, имеющему плоскоовальное поперечное сечение (см. рис. 8, модель 1), соответствует наибольшая жесткость при практически линейной рабочей характеристике. Для моделей 3 и 4 получены близкие характеристики, они имеют наименьшую жесткость из рассмотренных вариантов. Трубчатый элемент с поперечным сечением (см. рис. 8, модель 2) занимает промежуточное по жесткости положение, и его рабочая характеристика имеет уже заметную нелинейность. Даже незначительное снижение толщины этого трубчатого элемента до 0,5 мм (см. рис. 8, модель 2' здесь и ниже индексу " ' " соответствует уменьшение толщины) приводит к значительному снижению жесткости. На данном этапе исследования внутренняя перегородка не моделировалась.

Геометрическая сторона задачи, наглядно показывающая уровень перемещений гибкого трубчатого элемента, приведена на рис. 6 для модели 2 (см. рис. 8). Центральный угол в недеформированном состоянии был

Фо =180°, после нагружения он уменьшился на Дф = 67° и составил 113° (см. рис. 6, а). При этом радиус кривизны в меридиональном направлении р2о =121 мм увеличился до значения р2 =196 мм, или на 62%. Форма поперечного сечения модели 2 гибкого трубчатого элемента также получила значительные изменения (см. рис. 6, б).

На рис. 9 приведен анализ влияния толщины трубчатого манометрического элемента на рабочие характеристики для модели 2. С уменьшением толщины жесткость элемента снижается, а рабочая характеристика при больших перемещениях становится более пологой. Следует отметить, что и при уменьшении толщины трубчатого элемента сохраняется возможность достаточно больших перемещений, которые соответствуют рис. 9, а.

17,1

4-5-1

р, МПа

7,0

3,5

/7=0,6

-h

Ri

/7=0,5

0 20 40 60 80 100 мм

б

Рис. 9 Влияние толщины гибкого трубчатого манометрического элемента на рабочие характеристики

С использованием метода конечных элементов выполнено исследование манометрической пружины овального поперечного сечения. Параметры сечения: малый диаметр скругления сечения 3 мм, большой 9 мм, толщина стенки 0,15 мм, радиус скругления трубки 300 мм. Расчеты выполнены в ANS YS. Рабочая характеристика для такого типа элемента имеет линейную зависимость. При избыточном давлении Р = 100 МПа абсолютное перемещение свободного конца 0,1 м.

39

Расчет рассмотренных гибких упругих элементов с различной геометрией численными методами позволяет получать рабочие характеристики элементов разного вида при минимальных затратах.

Предлагаемые варианты технического решения позволяют увеличить надежность использования элементов в предохранительных устройствах, системах контроля и аварийного оповещения, повысить безопасность труда. Использование гибких элементов в описанных системах в качестве датчиков позволяет уменьшить габариты самих систем, упростить конструкцию, за счет высокой технологичности снизить затраты на изготовление. Наличие замкнутой полости в конструкции гибких элементов позволяет безопасно измерять и контролировать давление любой среды, содержащей вредные или опасные примеси. Способность гибких элементов после снятия нагрузки возвращаться в исходное состояние обеспечивает долговечность систем безопасности, в состав которых они входят.

Список литературы

1. Аникеева О.В., Афонин А.Н., Ивахненко А.Г. Автоматизация диагностирования и прогнозирования состояния металлорежущих станков на промышленных предприятиях // Известия Юго-Западного государственного университета. 2012. № 1-1 (40). С. 103 - 107.

2. Аникеева О.В., Ивахненко А.Г. Организация функциональной диагностики металлорежущих станков // Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии. 2011. № 2-3 (286). С. 133 - 138.

3. Барышникова О.О. Проектирование механизмов с гибкими трубчатыми элементами // Известия вузов. Сер. Машиностроение. 2012. № 12. С. 34 - 37.

4. Барышникова О. О., Борискина З.М., Шубин А. А. Исследование колебаний оболочечных конструкций методом конечных элементов // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2013. Вып. 7. Ч. 1. С.153 - 160.

5. Барышникова О.О., Гемберг А. А., Марков А. А. Проектирование устройства вибровоздействия с применением гибких упругих элементов // Наука сегодня: теоретические аспекты и практика применения: сб. науч. тр. по материалам междунар. заоч. науч-практ. конф. 28 октября 2011 г.: Тамбов: Изд-во ТРОО «Бизнес-Наука-Общество», 2011 г. Ч. 5. С. 17 -18.

6. Барышникова О.О., Тихонова Н.А. Создание устройства для проведения лазерной абляции // Наука сегодня: теоретические аспекты и практика применения: сб. науч. тр. по материалам междунар. заоч. науч-практ. конф. 28 октября 2011 г. Тамбов: Изд-во ТРОО «Бизнес-Наука-Общество», 2011. Ч. 5. С. 19 - 20.

7. Васин С.А., Иноземцев А.Н., Анцев В.Ю. Информационная инфраструктура технологической подготовки производства // Вестник компьютерных и информационных технологий. 2004. № 6. С. 32 - 44.

8. Гаврюшин С. С., Барышникова О. О. Многопараметрический подход к исследованию сложных процессов деформирования гибких элементов // Математическое моделирование сложных технических систем. М.: Изд-во МГТУ, 1998. С. 11 - 26.

9. Гаврюшин С.С., Коровайцев А.В. Методы расчета элементов конструкций на ЭВМ: учеб. пособие. М.: Изд-во ВЗПИ, 1991. 160 с.

10. Механика и физика точных вакуумных механизмов: монография в 2 т. / А.Т. Александрова [и др.] МГТУ им. Н.Э. Баумана. М.: НПК «Интелвак»; Вакууммаш, 2002. Т. 2. 152 с.

Барышникова Ольга Олеговна, канд. техн. наук, доц., Россия, Москва, Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана,

Борискина Зягря Михайловна, канд. техн. наук, доц., Россия, Калуга, Калужский филиал Московского государственного технического университета им. Н. Э. Баумана,

Шубин Александр Анатольевич, канд. техн. наук, доц., Россия, Калуга, Калужский филиал Московского государственного технического университета им. Н. Э. Баумана

THE USE OF FLEXIBLE ELASTIC ELEMENTS OF DISCRETE STEPS TO ENSURE THE SECURITY CONTROL OF TECHNOLOGICAL PROCESSES OF MECHANICAL

ENGINEERING

O.O. Baryshnikova, Z.M. Boriskina, A.A. Shubin

At the present level of technology the challenge of creating effective elements of alarm systems, which allow you to measure and record the pressure, temperature or other operating parameters. Timely warranty triggered alarms will allow you to avoid dangerous situations and ensure safe working conditions. Using for this purpose the flexible element discrete steps provides a number of advantages - Pro-state design in combination with high performance, reliability, Remon-copyrightnote, environmental cleanliness. Presented in the article the results of the RAS couple flexible elastic elements has led to recommendations on the selection of the type and geometry of the element to provide basic performance criteria required PE-Emesene characteristic point at a given critical loading.

Key words: flexible element discrete action, emergency ALARM-tion, emergency switch, jump, roll manometric element.

Baryshnikova Ol'ga Olegovna, candidate of technical sciences, docent, Russia, Moscow, Moscow Bauman State Technical University,

Boriskina Zjagrja Mihajlovna, candidate of technical sciences, docent, Russia, Kaluga, Kaluga branch of Moscow Bauman State Technical University,

Shubin Aleksandr Anatol'evich, candidate of technical sciences, docent, Russia, Kaluga, Kaluga branch of Moscow Bauman State Technical University

УДК 622

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ПРОКОЛА ГРУНТА СИММЕТРИЧНЫМ РАБОЧИМ ИНСТРУМЕНТОМ

А.Б. Жабин, И.М. Лавит, А.С. Рыбаков

Описывается математическая модель взаимодействия рабочего инструмента проходческого става при взаимодействии с грунтом. При этом став моделируется абсолютно твердым конусом, а грунт - жесткопластической средой. Приводятся и обосновываются основные допущения. В итоге производятся формирование и решение основных уравнений модели.

Ключевые слова: прокол, жесткопластическая среда, математическое моделирование, соотношение Леви - Мизеса.

Будем считать грунт, в который внедряется рабочий инструмент проходческого става, жесткопластической средой. Движение среды будем рассматривать в эйлеровых координатах. Рабочий инструмент смоделируем абсолютно твердым конусом.

Далее предположим, во-первых, что область жесткопластического течения представляет собой шар радиуса а с вырезанным конусом с углом раствора 2а . Физический размер а представляет собой длину конической части прокалывающего инструмента.

Так как течение осесимметричное, очевидно, что скорость равна

нулю.

Связь между векторами скорости и тензором скоростей деформаций определится следующим образом:

Эуг 1 дvQ

егг ; еее -—+ —; Эг г эе г

еФФ-—^е + ^;

т т г г

е „,- ^ с^е + ^;

гг

e v9 - 2

1 ( ЭvQ 1 Эvr Vq

V

+

Эг r Э0 r

erj - 0; 80ф - 0 42