Search

Ova doktorska disertacija se sastoji iz dva dela: prvi deo predstavljaju teorijska, a drugi eksperimentalna istraživanja uticaja oblika profila i uhodavanja zubaca na površinsku nosivost cilidričnih evolventnih zupčastih parova... This doctoral dissertation consists of two parts: the first part presents theoretical, and the second part presents experimental research on the influence of the gear teeth profile shape and running-in on the surface load capacity of cylindrical involute gear pairs...

Планетарни преносници спадају у групу механичких зупчастих преносника, који су широко заступљени за трансформацију и пренос снаге првенствено због компактности конструкције, високе поузданости и степена искоришћења. Полазећи од функције, коју треба да испуни у оквиру неке конструкције, као и све строжих захтева у погледу перформанси преносника, предмет истраживања ове докторске дисертације је развој вишекритеријумског оптимизационог модела планетарног преносника. Развијени модели који задовољавају низ строгих захтева у погледу: компактности конструкције, минимизације губитака у преносу снаге, равномерности расподеле оптерећења, као и поузданости у различитим експлоатационим условима. За постављени проблем вишекритеријумске оптимизације планетарног преносника формиране су одговарајуће критеријумске функције и дефинисан је низ функционалних ограничења, као и одговарајући домени примене свих релевантних величина зупчастих парова са спољашњим и унутрашњим озубљењем и планетарног преносника као сложеног система, у циљу несметане монтаже, поузданог рада и спрезања зупчастих парова. У оквиру докторске дисертације, развијен је одговарајући механички модел за одређивање степена искоришћења истовремено спрегнутих зупчастих парова, у зависности од њихових геометријских параметара, као и од услова подмазивања. Критеријумске функције формираног вишекритеријумског оптимизационог проблема су нелинеарне и неконвексне па се глобално оптимално решење не може нумерички одредити конвенционалним методама оптимизације. Према томе, у циљу решавања овог комплексног оптимизационог проблема потребно је применити метахеуристичке оптимизационе алгоритме. Дакле, постоји стална потреба за побољшањем постојећих и развојем нових метахеуристичких алгоритама и то развојем адаптивних техника за подешавање управљачких параметара и хибридизацијом алгоритама. У складу са тим, у оквиру докторске дисертације детаљно су разматрани метахеуристички алгоритми, који припадају групи еволутивних алгоритама, као што су алгоритам диференцијалне еволуције (Differential Evolution, DE), генетски алгоритам (Genetic Algorithm, GA) као и алгоритми инспирисани биолошким системима у природи, и то алгоритам оптимизације ројем честица (Partical Swarm Optimization, PSO). У циљу отклањања недостатака метахеуристичких алгоритама који се јављају током оптимизационог процеса, алгоритми предложени у оквиру дисертације су модификовани кроз: развој адаптивних механизама за подешавање вредности управљачких параметара, и хибридизацију адекватних алгоритама. У циљу формирања ефикасног хибридног алгоритма, процесу хибридизације је претходила детаљна нумеричка симулација и статистичка анализа перформанси разматраних алгоритама. Према томе, хибридизацијом алгоритама постигнуто је адекватно искоришћење предности једног и истовремена елиминација недостатака другог алгоритма... Planetary gearboxes have a wide application in the field of transformation and transmission of power from the drive to the working machine, due to the compact structure, high reliability and efficiency. Due to the increasingly stringent performance requirements, which planetary gearboxes must satisfy, the research in this dissertation is focused on the problem of multi-objective non-linear optimization of planetary gearbox based on hybrid metaheuristic algorithm, which satisfies a number of strict requirements, such as: compact construction, minimization of power loss, load distribution and reliability in different operating conditions. In this work the formulations of the objective functions for the considered multiobjective optimization problem of planetary gearbox have been outlined along with the appropriate constraints. The formulated constraints have been analyzed and appropriate domains of practical applications of internal and external gear pairs have been formulated, with the aim to ensure proper working, mounting and meshing of considered gears. Furthermore, the theoretical formulation and numerical procedure for the calculation of the planetary gearbox power efficiency has been developed in this work. However, the objective functions and developed constraints of the considered Multiobjective planetary gearbox optimization problem are nonlinear and multimodal functions, and therefore the global optimal solution cannot be obtained using the conventional optimization methods. Therefore, in order to solve this multiobjective and complex optimization problem, the research in this dissertation is focused on metaheuristic optimization algorithms, which belong to the group of evolutionary algorithms, including: differential evolution algorithm and genetic algorithm, as well as the algorithms inspired by the biological systems, such as particle swarm optimization algorithm. To overcome difficulties in solving complex optimization problems, in this thesis the considered algorithms are modified with the development of adaptive techniques for setting the values of control parameters and hybridization of algorithms. In order to create an effective hybrid algorithm, the hybridization process has been preceded by extensive numerical simulations and statistical analysis of advantages and disadvantages of each algorithm. Therefore, the proposed hybridization of algorithms and introduction of adaptive control parameters can successfully combine the advantages and avoid disadvantages of each algorithm. In this way, the proposed modifications successfully combine the advantages of each algorithm and avoid their disadvantages, thus significantly expanding the scale of implementation of the proposed algorithms for complex optimization problems...

U domenu prenosa i transformacije snage od pogonske do radne mašine zupčasti parovi zbog kompaktnosti konstrukcije, velike pouzdanosti i nosivosti imaju najveću primenu u poređenju sa drugim prenosnicima snage koji obavljaju istu elementarnu funkciju. Saglasno tome, istraživanja u oblasti zupčastih parova imaju značajan doprinos u razvoju savremenih mašinskih konstrukcija. Predmet istraživanja ove doktorske disertacije je razvoj preciznijih matematičkih modela raspodele opterećenja na istovremeno spregnute parove zubaca, kada se u toku dodirnog perioda zubaca smenjuju dvostruka i trostruka sprega, kao i razvoj preciznijih matematičkih modela za analizu uticaja raspodele opterećenja na nosivost korena zubaca i energetsku efikasnost cilindričnih zupčastih parova. Sprovedena istraživanja u ovoj doktorskoj disertaciji su dovela do sledećih rezultata: Razjašnjenje fenomena raspodele opterećenja na istovremeno spregnute parove zubaca u uslovima dvostruke i trostruke sprege, kao i formiranje tačnijih modela za sagledavanje istovremenog uticaja tačnosti izrade, krutosti zubaca i intenziteta opterećenja na karakter raspodele opterećenja. Definisanje tačnijeg kriterijuma za određivanje napona u korenu zupca merodavnog za proveru radne sposobnosti zubaca sa aspekta zapreminske čvrstoće. Njegovom implementacijom u konvencionalne postupke proračuna ISO/DIN standarda, značajno bi se povećao nivo pouzdanosti podataka o radnim i kritičnim vrednostima napona u korenu zupca. Razvijanje tačnijih modela za analizu energetske efikasnosti zupčastih parova na osnovu stepena iskorišćenja. In the field of transmission and transformation of power from the drive to the working machine, due to the compact construction, high reliability and load capacity, the gear pairs have the greatest application compared to other power transmissions that perform the same elementary function. Accordingly, research in the field of gear pairs has a significant contribution to the development of modern machine constructions. The research topic of this doctoral dissertation is the development of more precise mathematical models of load distribution in simultaneously meshed teeth pairs, when during the contact period of the teeth the double and triple mesh take turns, as well as the development of more precise mathematical models for analyzing the influence of the load distribution on the teeth root load capacity and the energy efficiency of the cylindrical gear pairs. The research carried out in this doctoral dissertation led to the following results: Clarification of the load distribution phenomenon in simultaneously meshed teeth pairs in double and triple mesh conditions, as well as the formation of more accurate models for examining the simultaneous effect of the accuracy of production, stiffness of the teeth and load intensity on the load distribution character. Defining a more precise criterion for determining the tooth root stress relevant for checking the working ability of the teeth rating from the aspect of bending strength. It implementing in the conventional procedures of the ISO/DIN standard calculation, the level of reliability of data on the working and critical values of the tooth root stress would be significantly increased. Developing more accurate models for the analysis of the energy efficiency of gear pairs based on the degree of efficiency.

Информације из стручне литературе, као и искуствени подаци, показују да велики проценат енергетских губитака термоелектрана потиче од система тракастих транспортера и њихових кључних компоненти – транспортних (носећих) ваљака. Зато су управо ови склопови, чија је функција да пренесу оптерећење услед масе транспортне траке и транспортованог терета на носећи рам, изабрани за објекат истраживања дисертације. Са циљем повећања поузданости, и смањења финансијских и енергетских губитака узрокованих непланираним отказима, развијене су нове и унапређене постојеће експерименталне процедуре за испитивање кључних карактеристика транспортних ваљака – обједињене у комплексну експерименталну методологију испитивања. Међу развијеним процедурама, по значају се посебно истиче процедура за испитивање радних карактеристика котрљајних лежаја (критичних компоненти транспортних ваљака) – под дејством контаминирајућих честица са површинских копова угља. Научне хипотезе представљене дисертације се односе управо на ову процедуру, односно, напредним статистичким методама (применом софтверских пакета најновије генерације) је позитивно одговорено на питање да ли постоје статистички значајне зависности између посматраних радних карактеристика вештачки контаминираних котрљајних лежаја – вибрација, температура и времена рада. Утврђене статистичке корелације су потом имплементиране у постојећу једначину за прорачун радијалног зазора котрљајних лежаја. Према развијеној експерименталној методологији је испитан велики број узорака транспортних ваљака, различитог типа, произведених од различитих произвођача. Након анализе и дискусије добијених резултата, поређењем са искуственим подацима из праксе и резултатима до сада реализованих истраживања у предметној области, развијена методологија је успешно верификована, па се може даље примењивати за процену квалитета транспортних ваљака и њихових котрљајних лежаја. Relevant literature, as well as practical experience, has shown that large percentage of thermal power plant energy losses is caused by overland conveyor systems and their key components – conveyor idlers (rollers). That’s the main reason why this assemblies, with function to transfer the load from the conveyor belt and transported material to the supporting frame, are chosen as an object of research presented in this dissertation. In order to improve reliability and decrease financial and energy losses due to unplanned maintenance, a new conveyor idlers testing procedures were developed (some of existing were improved) – and joined in complex experimental testing methodology. Among developed testing procedures, experimental procedure for conveyor idler’s rolling bearings testing is the most important – because it provides the information about the influence of exploitation contamination particles (from the open pit coal mines) on rolling bearing’s operational characteristics. Scientific hypothesis presented in this dissertation are related primarily to this experimental procedure. It was confirmed that statistically significant correlations between artificially contaminated rolling bearing’s vibrations, temperatures and time in operation could be established. One of generated correlation was afterward implemented in existing equation for rolling.

У овом раду приказан је развој метода за процену настанка и ширења заморних прслина у циљу повећања радног века и поузданости машинских елемената и машинских система у условима замора. Детаљно је изложена и анализирана доступна научна литература из теоријских поставки феномена замора. Посебно је анализирана примена постојећих метода и теорија на решавање проблема заморних оштећења и отказа код машинских елемената. Развијање нових метода за процену настанка заморних прслина изложено је са различитих аспеката, с обзиром да се ради о резултатима мултидисциплинарних истраживања овог феномена, уз примену и интеркорпорирање доступних савремених аналитичких , нумеричких и експерименталних метода. Посебна пажња посвећена је верификацији развијених метода, кроз неколико приступа. За верификацију су коришћени сопствени експериментални резултати, као и резултати других аутора. У циљу бољег разумевања развијених метода, а пре свега методологије широких могућности примене, детаљно је описана примена на конкретном и веома сложеном проблему отказа машинског елемента у условима заморног оптерећења. This dissertation presents development of methods for assesment of crack initiation and propagation as part of the goal: increase of working life and reliability of machine elements and systems under fatigue loading. Детаљно je изложена и анализирана доступна научна литература из теоријских поставки феномена замора. Посебно је анализирана примена постојећих метода и теорија на решавање проблема заморних оштећења и отказа код машинских елемената On the basis of available scientific literature, the fenomenon of fatigue is analysed. The emphasize is on this research was application of existing methods and theories on failure prevention. Development of new methods for assessment of crack initiation is presented in detail, due to fact that multidisclipinary research is basis for application, analytical, numerical an experimental methods. The important part of presentation of developed methods, with significant potentials, is application on real and complex problem of failures of mechanical elements due to combination of fatigue and corrosion.

Развијене процедуре у овом раду заснивају се на коришћењу поузданости машинског система и компонената као гранични услов за одређивање конструкцијских и других параметара, као својство компонената и као показатељ квалитета система... Procedures developed in this paper are based on the use of reliability of mechanical systems and components as a boundary condition to determine the construction and other parameters, such as feature of components and indicator of system quality...

Генерално посматрано, сви машински системи се састоје од погонске и радне групе, односно погонске и радне машине. Спој ових машина се остварује посебним склоповима, машинским елементима – спојницама. Њихова основна функција је преношење оптерећења и кретања са погонске на радну машину. Познато је да су спојеви најчешће најслабија карика у сваком машинском систему. Сагласно великом скупу различитих радних и погонских машина, са различитим радним перформансама, развијен је велики број различитих спојница. Међутим, код транспортних средстава и других машина, услови рада налажу различите међусобне положаје погонске и радне машине. Име и појам посебне врста спојница везано је за пионире у конструкцији ових спојница, славног италијанског научника Ђеролама Кардана (Gerolamo Cardano, 1501-1576) и Роберта Хука (Robert Hooke, 1635-1703). Конструкциона решења ових спојница пролазила су кроз различите фазе развоја. Динамика развоја конструкционих решења ових спојница приказане је у посебном Поглављу 3 овe дисертације. Карданове спојнице (карданска вратила) су посебна врста механизама за преношење обртног момента, односно снаге, који спајају вратила чије се осе налазе просторно под извесним сталним или у току рада променљивим углом, дозвољавајући, при томе, у току времена релативно померање. Ово померање може бити угаоно и транслаторно. Главни показатељи радне способности карданових спојница је њихов радни век и степен поузданости. Највећи утицај на ове показатеље раднe способности има карактер расподеле линијског оптерећења код спрегнутих делова Карданове спојнице. У циљу расветљавања феномена расподеле линијског оптерећења и сагледавања степена компатибилности између геометријских карактеристика спрегнутих делова и расподела линијских оптерећења, у дисертацији су формирани аналинтички и нумерички модели под одговарајућим предпоставкама. general, all mechanical systems consist of drive and driven groups, or driving and driven machines. The connection of these machines is achieved by special joints, machine elements - couplings. It is known that these joints are often the weakest link in any mechanical system. Pursuant to a large set of different drive and driven machines with different operating performance, a large number of different coupling types were developed. However, а working conditions of transport vehicles and other machinery require different mutual positions of the driving and operating machinery. The name and concept of one type of couplings is related to the pioneers in the design of these joints, the famous Italian scientist Gerolamo Cardano (1501-1576) and Robert Hooke (1635-1703). The designs of these couplings are passed through various stages of development. The innovative designs development dynamics of these couplings are shown in a separate chapter 3 of this study. Cardan joints (cardan shafts) have a large range of applications in mechanical engineering because of the capability of transferring the load and motion from one shaft to another with different joint angle allowing, thereby, over time relative movement. This movement can be angular and translational. The main indicators of functional ability of cardan coupling are their service life and reliability. The greatest influence on these indicators of functional ability has the character of the linear load distribution on cardan joints rolling parts. In order to shed some more light to the phenomena of linear load distribution and correlation between the geometric characteristics of rolling elements and the distribution of the linear load, analytical and numerical models under appropriate assumptions are established in this study. The obtained results shows, that with the standard (the existing) geometry of rolling parts, the engagement of points in root of Cardan cross jurnal in the load transfer is negligible due to very uneven linear load distribution. This unfavorable distribution of the linear load can be reduced with an appropriate combination of geometrical parameters of cardan cross rolling parts. Greater improvement of linear load distribution, ordering the appropriate shape reconstruction of cardan cross rolling parts.