Функциональные возможности эластичного конического тора

Рис. 10. Распределение отказов подъемной и тяговой лебедок в течение года

ния шлицевых соединений и галтель вала-шестерни. Влияние отрицательных температур сказывается на увеличении загруженности деталей редуктора в связи с разработкой плохо разрыхленной породы и смерзшейся горной массы.

Высокий уровень отказов редукторов главных приводов, являющихся причиной проведения неплановых ремонтов, в 3-5 раз более длительных и трудоемких по сравнению с плановыми, связан с тем, что невозможно точно оценить состояние отдельных деталей визуально или другими способами, что имеет

место в практике эксплуатации машин. Кроме того, анализ работы и динамики частоты отказов драглайнов показал, что для повышения их надежности необходимо уменьшить уровень нагрузки в зимние месяцы. Сокращения простоев в ремонте и увеличения выработки машин можно добиться путем применения не-разрушающих методов технической диагностики, что позволит заблаговременно подготовить программы плановых ремонтов и снизить стоимость содержания машин.

Статья поступила 16.04.2014 г.

Библиографический список

1. Авдеев А.Н., Болотнев А.Ю., Унагаев Е.Н. Распределение напряжений в базовых узлах карьерных экскаваторов и хрупкие разрушения конструкций // Вестник Иркутского государственного технического университета. 2009. № 2. С. 1719.

2. Большакова М.Ю. Исследование влияния состава и структуры упрочненного поверхностного слоя на долговечность тяжело нагруженных зубчатых колес: дис. ... канд. техн. наук: 05.16.09. Пермь, 2011.

3. Квагинидзе В.С., Козлов В.А. Влияние низких отрицательных температур на работоспособность металлоконструкций

горных машин // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2003. № 9. С. 27-29.

4. Кох П.И. Надежность горных машин при низких температурах. М.: Недра, 1972.

5. Путятин А.Н. Оценка долговечности металлоконструкций шагающих экскаваторов при разработке взорванных пород на угольных разрезах Кузбасса: дис. ... канд. техн. наук: 05.05.06. Кемерово, 2005.

6. Хладноломкость и хладостойкость металлоконструкций горных машин в условиях Севера. Д.Е. Махно, А.И. Шадрин, А.Н. Авдеев [и др.]. Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2010. 232 с.

УДК 669.213.3

ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ ЭЛАСТИЧНОГО КОНИЧЕСКОГО ТОРА

1 9

© В.П. Кольцов1, Нгуен Ван Хоан2

Иркутский государственный технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.

Рассмотрены функциональные возможности эластичного тора при его использовании в различных машинах и механизмах. Проведен силовой анализ конического эластичного тора и описаны возможности использования эластичного конического тора в качестве не только средства размещения и герметизации, но и привода перемещения устройства.

1Кольцов Владимир Петрович, доктор технических наук, профессор кафедры оборудования и автоматизации машиностроения, тел.: (3952) 405150, e-mail: kolcov@istu.edu

Koltsov Vladimir, Doctor of technical sciences, Professor of the Department of Machinery and Automation of Mechanical Engineering, tel.: (3952) 405150, e-mail: kolcov@istu.edu

2Нгуен Ван Хоан, аспирант, тел.: 89247018668, e-mail: nguyenhoanirk@yahoo.com Nguyen Van Hoan, Postgraduate, tel.: +79247018668, e-mail: nguyenhoanirk@yahoo.com

Ил. 2. Библиогр. 2 назв.

Ключевые слова: эластичный тор; давление; функциональные возможности; привод; герметизация; надежность; простота.

FUNCTIONAL CAPABILITIES OF ELASTIC CONICAL TORUS V.P. Koltsov, Nguyen Van Hoan

Irkutsk State Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia.

The article examines functional capabilities of elastic torus used in various machines and mechanisms and provides its force analysis. It describes the possibilities of using the elastic conical torus both as a means of placement and sealing and as a device actuator. 2 figures. 2 sources.

Key words: elastic torus; pressure; functional capabilities; actuator; sealing; reliability; simplicity.

В настоящее время эластичные оболочечные конструкции могут найти свое применение практически во всех областях техники, промышленности и народного хозяйства в качестве мягких движителей, защитных и силовых пневмоконструкций, стационарных строительных сооружений, аварийных спасательных средств, индивидуальных и коллективных пользователей благодаря своим уникальным свойствам: многофункциональности, мобильности, быстроте монтажа и демонтажа, простоте эксплуатации в различных условиях, в том числе экстремальных, а также защитным, силовым, движительным. Они обладают комплексом свойств конструкционного материала: прочностью, герметичностью, эластичностью, агрессиво-стойкостью, а также свойствами рабочей среды: плотностью, текучестью, упругостью. Такие конструкции могут эксплуатироваться при длительных и кратковременных внешних воздействиях; в статических, квазистатических и динамических режимах нагружения; в условиях сосредоточенной и распределенной, асси-метричной и несоосно приложенной внешней сжимающей нагрузки [2].

Особое место среди таких конструкций занимают тороидальные выворачивающиеся оболочки. Под воздействием внешних или внутренних сил тороидальный механизм проявляет следующие функциональные особенности:

- перемещается путем выворачивания или наволакивания по жесткой, эластичной и любой другой опорной поверхности, «омывая» ее деформированные участки и инородные включения, при этом самоуплотняется в замкнутой, охватывающей его периферию поверхности, «сам себя находит»;

- обеспечивает широко регулируемую площадь контакта и небольшие удельные давления на опорную поверхность с низким давлением текучей среды в своей оболочке;

- создает тяговые усилия и ударный эффект;

- преобразовывает виды движения, например поступательное во вращательное и наоборот;

- наволакиваясь на предмет, захватывает его независимо от его формы, удерживает и/или перемещает его внутри себя с регулируемым обжимающим усилием («мягкий» захват);

- выворачиваясь, выталкивает с различной начальной скоростью находящийся внутри себя пред-

мет;

- выворачиваясь и/или наволакиваясь переходит из одного устойчивого состояния в другое;

- при выворачивании и наволакивании скорость поступательного движения центрального жгута по крайней мере в два раза больше скорости поступательного движения тороида относительно его периферии;

- при продольном перемещении перемещается дополнительно и в поперечном направлении и т.п.

Таким образом, тороидальное движение является высшим (базовым, основным, главным, образующим) видом движения, а не отдельным подвидом.

Функциональные возможности машины или механизма, имеющего в своем составе эластичный тороид, увеличиваются как минимум в два раза, поскольку эластичный тороид на своей внешней поверхности имеет две рабочие поверхности, плавно переходящие друг в друга - центральную часть и периферию (двухсторонняя замкнутая поверхность).

Для реализации своих потенциальных возможностей эластичные тороиды могут иметь различные формы и быть кинематически связаны с конструктивными элементами как центральное и/или внешнее и/или внутреннее периферийные тела различной формы, выполненные из различных материалов.

На основании возможностей тороидальных оболочек рассмотрим использование конического эластичного тора в качестве силового привода. На рис. 1 показан эластичный конический тор, который наполнен жидкостью или газом под регулируемым давлением р, МПа, размещенный в жестком коническом корпусе. В отверстии тора установлен и удерживается жесткий цилиндр диаметром D, мм, и весом 0, г.

Выделим внутренний участок (А'В'С'-АВС) поперечного сечения конического эластичного тора. Положение точек А(А') и С(С') определено радиусами га и гс, мм, соответственно. Последние точки определяют сечения верхнего и нижнего окончаний конического эластичного тора, где угол наклона касательной равен нулю.

Точки Е(Е') и F(F') сечения конического эластичного тора являются точками перехода одноосной зоны конического эластичного тора (участок АВС(А'В'С')) в двухосную (участок EF(E'F')).

У

- Г° ш

Рис. 1. Эластичный конический тор, размещенный в жестком коническом корпусе: 1 - жесткий цилиндр; 2 - конический эластичный тор; 3 - корпус рабочей камеры

Равновесие выделенной части конического эластичного тора определяется уравнением

-е+р.л-жБ-) - л л)]=о,

где лг --

лБ2

= £ - проекция площади поверхно-

сти верхнего окончания конического эластичного тора на плоскость, перпендикулярную оси У, мм2;

2 лБ2

лг --

= Бс - проекция площади поверхности

нижнего окончания конического эластичного тора на плоскость, перпендикулярную оси У, мм2.

После преобразования уравнение (1) имеет следующий вид:

е

Р =--- .

Л

Поскольку

к < г Г( < г

ственно:

Г =каГ Г ^къГ

значения га и гс соответ-

0 < ка < 1 и 0 < кс < 1 - коэффициенты

Предположим, что

0 < кд = к = к < 1.

Коэффициент зависит от формы сечения окончаний тора. Тогда уравнение (2) примет вид:

е

р=

тгк

Таким образом, уравнение (5) представляет собой общую формулу грузоподъемности тора конической формы [1].

Для одноосного участка тора могут быть записаны следующие соотношения (рис. 2):

T sin( + (T + dT) sin(<da) = pds

d (Tr) = 0 ds

— = sin

ds

— = cos(a) ds

или

a - текущий угол, град.; y и r - текущие координаты; ds - длина дуги сечения, мм. Введем обозначение

A = Tr,

тогда из второго уравнения системы (7) следует:

A = Tr = const.

Первое уравнение с учетом четвертого уравнения системы (7) примет вид:

= Р

= 0

Tda

ds d Tr ) ds

— = sin(a) ds

— = cos(a) ds

где T - внутреннее усилие в торе вдоль меридиана;

A cos(a)da = prdr.

Интегрирование последнего приводит к следующему:

A sin(a) = + C .

Константа интегрирования С определяется из условия, что при а = л/2 и г = 0 С=-А. Таким образом, окончательно можно записать:

Рис. 2. Схема силового равновесия оболочки в области перехода кривизны поверхности

<

<

sin(a) =

pr ~2A

-1.

Соотношение (9) выражает связь текущего радиуса r с углом а .

Поскольку в точке A угол а = 0, а в точке F угол

а = а0 (см. рис. 2), то из этого следует, что

r2

r2 = „ Л ч .

a 1 + sin

Принимая во внимание допущение (4) и сравнивая соотношения (3) получим выражение для коэффициента грузоподъемности k:

,2 1

k2 =-.

1 + sin

Запишем очевидные соотношения:

где h - высота конического эластичного тора, мм.

С учетом уравнений (13) и (14) после преобразования уравнение (5) имеет вид:

O

p =-—-—-.

nhtg (m)[r + htg (ф)]

Таким образом, уравнение (15) выражает условие равновесия системы «конический эластичный тор -груз». Из этого уравнения определим минимальное значение избыточного давления в полости тора, которое необходимо создать для удерживания груза.

При изменении давления р в полости тора в сторону увеличения равновесие нарушается и тор начинает выворачиваться (наволакиваться) в осевом направлении и перемещаться вверх, поднимая груз Q. При уменьшении давления р тор перемещается в обратном направлении, опуская груз Q.

Конический эластичный тор под действием внутреннего давления, напрягающего его поверхность, перемещается в сторону широкого основания. Причем, чем больше угол конуса тороида, тем больше разница в размерах радиусов кривизны торцев.

При этом необходимо отметить особые требования к свойствам материала конического тора. При выворачивании тора, особенно у широкого основания, поперечный диаметр оболочки может увеличиваться в разы, а в продольном направлении (сечении) длина оболочки должна сохранять свои размеры. То есть упругие свойства материала оболочки тора в продольном и поперечном направлениях должны существенно различаться.

Итак, применение конического эластичного тора в качестве силового органа в ряде случаев может существенно упростить конструкцию машины или механизма, исключив использование другого (например, электромеханического) вида привода, обеспечить герметизацию, исключить использование пар трения, повысить надежность работы машины, уменьшить ее габариты. Такие механизмы при разумном использовании обладают высокой мобильностью, простотой эксплуатации, ремонта, монтажа и демонтажа, особенно в экстремальных условиях.

Таким образом, показанные функциональные особенности позволяют расширить использование торо-вых механизмов в различных отраслях промышленности, в частности в транспортном машиностроении. Это позволяет применять новые направления в конструировании, открывающие возможность не только совершенствование существующих машин, но и создания новых подходов в классической механике.

Работа выполнена при финансовой поддержке Правительства РФ в рамках Постановления № 218 (проект № 02.G25.31.0075).

Статья поступила 03.04.2014 г.

Библиографический список

1. Шальнев О.В., Осоловская Н.А., Ионова Ш.К. Перемеще- 2. Эластичные механизмы и конструкции: монография / В.Н. ния эластичных пневмооболочек // Пневмоконструкции: сб. Шихирин, В.Ф. Ионова, О.В. Шальнев, В.И. Котляренко. Ир-трудов НИИ Резиновой промышленности. Сергиев Посад: кутск: Изд-во ИрГТУ, 2006. 286 с. Изд-во ВСП, 2010. С. 426-520.

УДК 539.3

АНАЛИТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПОПЕРЕЧНОГО ИЗГИБА ТРЕХСЛОЙНОЙ ПАНЕЛИ С НЕЖЕСТКИМ ЗАПОЛНИТЕЛЕМ

© Н.В. Осадчий1, В.Т. Шепель2

Открытое акционерное общество «Научно-производственное объединение «Сатурн», 152903, Россия, Ярославская обл., г. Рыбинск, пр. Ленина, 163.

Представлено аналитическое решение задачи поперечного изгиба трехслойной панели из композита с нежестким заполнителем, толщина которого больше толщины обшивок, при условии того, что две противоположные кромки панели имеют шарнирное опирание.

1Осадчий Николай Васильевич, кандидат технических наук, эксперт конструкторского отдела прочности, тел.: 89206522794. Osadchy Nikolai, Candidate of technical sciences, Expert of Construction Department of Durability, tel.: 89206522794.

2Шепель Вячеслав Тимофеевич, доктор технических наук, профессор, начальник конструкторского отдела сертификации, тел.: 89605386407, e-mail: sshepel@yandex.ru

Shepel Vyacheslav, Doctor of technical sciences, Professor, Head of Construction Department of Certification, tel.: 89605386407, e-mail: sshepel@yandex.ru