А. В. Сакало математическое моделирование профилей
Вид материала | Документы |
СодержаниеПолучение информации о топологии изношенных поверхностей. Оцифровка координат точек профиля Аппроксимация профиля полиномом 4-й степени. Список литературы |
- Математическое моделирование управляемого движения космических аппаратов, 213.72kb.
- Программа дисциплины имитационное моделирование в экономике для направления 080100., 228.47kb.
- Математическое моделирование многомерных квазистационарных электромагнитных полей, 380.28kb.
- Правительстве Российской Федерации» (Финансовый университет) Кафедра «Математическое, 246.23kb.
- Математическое моделирование термомеханических процессов в системах армированных стержней, 259.01kb.
- И математическое моделирование, 1392.77kb.
- Вестник Брянского государственного технического университета. 2007. №4(16) математическое, 61.09kb.
- Программа вступительного испытания собеседования для магистерской программы «математическое, 67.11kb.
- Cols=2 gutter=66> Математическое моделирование и процесс создания математической модели, 130.19kb.
- Математическое моделирование процессов самоорганизации в широкополосных системах 05., 181.86kb.
Вестник Брянского государственного технического университета. 2009. № 3(23)
УДК 539.3
А.В. Сакало
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОФИЛЕЙ
ИЗНОШЕННЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ ТЕЛ КАЧЕНИЯ
Предложен способ аппроксимации профилей поверхностей тел качения с использованием на их участках полиномов 4-й степени со стыковкой по координатам граничных точек и первых производных от аппроксимирующих функций.
Ключевые слова: профиль поверхности, аппроксимирующая функция, полином.
При моделировании движения сложных механических систем и процессов изнашивания возникает необходимость решения контактных задач. В процессе эксплуатации тела изнашиваются, и их поверхности приобретают сложные геометрические формы. Особо актуальной проблемой является описание их профилей. Для замера координат точек профилей изношенных поверхностей используются приборы, не обеспечивающие достаточной точности измерений. Численные эксперименты показывают, что погрешность в задании координат точек контактирующих поверхностей порядка 2-3 мкм приводит к значительным погрешностям при решении контактной задачи в определении законов распределения давлений. На рис.1а представлены эпюры давлений в двухточечном контакте колеса и рельса с изношенными поверхностями при задании координат точек поверхностей детерминированно по результатам измерения профилей. А на рис.1б представлено решение этой задачи для профилей, полученных аппроксимацией экспериментальных данных полиномами. В первом случае давление представлено эпюрами, не характерными для контакта изношенных поверхностей, выглаженных в результате приработки.
Для сглаживания профилей используют аппроксимирующие функции, позволяющие правильно представить закон изменения кривизны их участков в пределах потенциального контакта. В [1] для аппроксимации профиля изношенного локомотивного колеса использованы две функции: вида
![](images/148308-nomer-m5f055dd8.gif)
![](images/148308-nomer-m7fcef0d4.gif)
В
![](images/148308-nomer-m7914cd4.gif)
Получение информации о топологии изношенных поверхностей. Для получения формы профилей изношенных колес и рельсов с них снимались гипсовые слепки с помощью приспособлений, показанных на рис.2 и 3. Приспособление, показанное на рис.2, предназначено для снятия слепка поверхности вагонного колеса. Оно состоит из двух щек (1, 2) и прокладок (3, 4) между ними, определяющих толщину снимаемого слепка. Контур щеки воспроизводит профиль поверхности неизношенного колеса. Приспособление устанавливается на колесо, базируясь плоскостью А на его внутреннюю торцевую плоскость, и фиксируется на нем с помощью винта 5. Раствор гипса или алебастра заливается в свободное пространство между щеками. Аналогично устроено приспособление для снятия слепка поверхности рельса. На рельсе оно базируется по наклонным граням головки рельса. Приспособление, установленное на рельсе, показано на рис.3.
О
![](images/148308-nomer-m68f68394.gif)
С использованием шаблона измерен прокат более 200 колес полувагонов и вагонов-цистерн. По значению проката они разделены на 5 групп: с прокатом 1, 2, 3, 4 и 5 мм. С помощью слепков исследованы характерные для выделенных групп профили.
Исследованы также профили рельсов, уложенных в кривых радиусов 600 и 1000 м. Сняты слепки наружного рельса на различных участках переходной кривой и кривой постоянного радиуса, где боковой износ составил 1,8; 5; 8,8; 12 и 14 мм.
Аппроксимация профиля полиномом 4-й степени. В качестве аппроксимирующей функции в работе использован полином
![](images/148308-nomer-m9b30960.gif)
Для определения его коэффициентов воспользуемся методом наименьших квадратов [3]. Он предполагает условие: коэффициенты должны быть определены так, чтобы сумма квадратов разности детерминированно заданных значений ординат точек профиля
![](images/148308-nomer-m618d9303.gif)
![](images/148308-nomer-m65b6dab8.gif)
![](images/148308-nomer-169baabf.gif)
![](images/148308-nomer-2bb2fd55.gif)
Это условие выполняется при равенстве нулю производных
![](images/148308-nomer-m5856e051.gif)
![](images/148308-nomer-m21855d77.gif)
![](images/148308-nomer-m5657105.gif)
![](images/148308-nomer-m4e06b4fb.gif)
![](images/148308-nomer-m2905c9aa.gif)
Из нее определяются коэффициенты аппроксимирующего полинома.
Аппроксимируемый профиль разбивается на участки. Присвоим номер 0 участку, для которого определены коэффициенты полинома, и номер 1 – участку, для которого они определяются. Обозначим
![](images/148308-nomer-274b1700.gif)
![](images/148308-nomer-2aeba3b5.gif)
![](images/148308-nomer-m13af5aef.gif)
![](images/148308-nomer-2aeba3b5.gif)
![](images/148308-nomer-m5b887b50.gif)
![](images/148308-nomer-4ea36e35.gif)
Из условий стыковки на границе участков
![](images/148308-nomer-me832602.gif)
![](images/148308-nomer-m33522ed.gif)
получаем
![](images/148308-nomer-mcf1afec.gif)
![](images/148308-nomer-20ec9673.gif)
Построив минимизируемую функцию по аналогии с условием (1) и взяв производные по коэффициентам с12, с13 и с14, получим систему из трех алгебраических уравнений с коэффициентами:
![](images/148308-nomer-m79f94274.gif)
![](images/148308-nomer-m73632583.gif)
![](images/148308-nomer-m43bb8f25.gif)
![](images/148308-nomer-m2662baf7.gif)
![](images/148308-nomer-me627ad5.gif)
![](images/148308-nomer-m15918f65.gif)
![](images/148308-nomer-1bb6b276.gif)
Алгоритм предполагает разбивку профиля на несколько участков и построение аппроксимирующего полинома для каждого из них. Коэффициенты полинома для начального участка определяются из решения системы из пяти уравнений с коэффициентами (2). Для последовательно пристыковываемых к нему участков коэффициенты определяются из решения системы из трех уравнений с коэффициентами (3).
Алгоритм использован для сглаживания профилей поверхностей изношенных колес полувагонов и рельсов. Аппроксимированы профили колеса с прокатом 1 мм и рельса Р65 с боковым износом 1,8 мм.
Структурная схема алгоритма сглаживания профиля поверхности контакта представлена на рис. 4. На первом этапе проводится разделение профиля на участки. Характер разделения существенно влияет на качество сглаживания. Лучшие результаты получаются, если участки выбираются так, чтобы кривизна профиля не сильно менялась в пределах участка. Число точек участка должно быть больше числа определяемых коэффициентов функции: больше 5 для начального участка и больше 3 для стыкуемого. В противном случае аппроксимирующая функция превращается в интерполирующую, её график проходит через заданные точки и сглаживания профиля не происходит.
О
![](images/148308-nomer-m7c7576d9.gif)
![](images/148308-nomer-m2e6aa915.gif)
![](images/148308-nomer-m4361be36.gif)
![](images/148308-nomer-4302ed4c.gif)
Исследована возможность применения в качестве аппроксимирующих функций полиномов 2, 3 и 5-й степени с различными условиями стыковки участков. Если условия стыковки таковы, что методом наименьших квадратов определяется лишь один коэффициент полинома, то аппроксимация получается неприемлемой. Такая ситуация возникает при стыковке полиномов 2-й степени по координатам граничной точки и первой производной и полиномов 3 й степени, стыкуемых, кроме того, и по второй производной. Если методом наименьших квадратов определяются два коэффициента, то получаемая при этом система из двух уравнений не имеет решения.
Выбор в качестве аппроксимирующей функции полинома 4-й степени обусловлен тем, что им могут быть представлены условия тесного контакта с несимметричным распределением давлений и двугорбостью эпюры давлений, характерными для контакта тел с изношенными поверхностями. Задача хорошо решается, если методом наименьших квадратов определяются три коэффициента полинома. Это условие выполняется при стыковке участков по координатам граничной точки и первой производной.
Полином 5-й степени позволяет провести стыковку и по второй производной, вследствие чего на границе участков нет ступенчатого изменения кривизны. Однако такая функция более склонна к осцилляции, чем полином 4-й степени (рис.5).
И
![](images/148308-nomer-mc543bb5.gif)
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
- Царев, И.В. Исследование влияния геометрии профиля бандажа и характеристик упругодиссипативных связей на горизонтальную динамику тепловоза: дис.... канд. техн. наук / И.В. Царёв.– Ворошиловград, 1982. –233с.
- Шевченко, К.В. Математическое моделирование напряженно-деформированного состояния железнодорожных колес для оценки их работоспособности: дис.... канд. техн. наук / К.В. Шевченко.– Брянск, 2001. –145с.
- Гутер, Р.С. Элементы численного анализа и математической обработки результатов опыта / Р.С. Гутер, Б.В. Овчинский.– М.: Наука, 1970.– 432с.
Материал поступил в редколлегию 21.07.09.