Search

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.

Основна идеја на којој се заснивају базни циљеви дисертације је идентификација екстремно тешких услова експлоатације машинских структура и њихових оптерећења који представљају комплексну интеракцију изузетно високих топлотних и нехомогених утицаја, интензивних утицаја струјања флуида, утицаја високих брзина ротације, сопствених и принудних вибрација и др. Ови су утицаји присутни код гасогенератора турбомлазних и турбовратилних мотора за који је било потребно развити иновативно конструкцијско решење мултифункционалне преграде између ротора компресора и турбине. За реализацију постављеног циља развијена је одговарајућа методологија инжењерског дизајна заснована на итеративном развоју, испитивању и анализи стања и разарања делова преграде, под називом Failure-based Design – FBD. Развијен је скуп од пет конструкцијских решења ове преграде. Четврто решење је постало прихватљиво за експлоатацију у овим условима, а пето решење је остварило све функције и задовољило све захтеве. За ову сврху спроведена су многа експериментална испитивања, бројне нумеричке анализе струјања флуида (CFD), анализа топлотног стања (расподеле температуре), прорачуна напона и деформација делова преграде, развој конструкцијских решења и др. Ради реализације основног циља, рад је обухватио широк спектар експерименталних садржаја, значајан број нумеричких анализа и прорачуна, анализа бројних специфичних хаваријских оштећења и предложених конструкцијских решења да би се ова разарања избегла., The general idea on which the basic goals of the dissertation are founded on is the identification of extremely hard conditions of mechanical structures and their loads which represent a complex interaction of several influences, i.e. extremely high heat, nonhomogeneous influences, intensive influences of fluid flow, high rotation speeds, its natural and forced vibrations etc. These influences are present at the gas generator of turbojet and turboshaft engines for which there was a need to develop an innovative construction solution for the multifunctional bulkhead between the compressor rotor and the turbine. In order to accomplish the set goal, an appropriate methodology of engineering design was developed which is based on iterative development, testing and analysis of the state and damage of the parts of the bulkhead, which is called Failure-based Design – FBD. A set of five construction solutions for the bulkhead was developed. The fourth solution became acceptable for exploitation in these conditions, while the fifth solution accomplished all functions and met all the requirements. In order to achieve this, numerous experimental testings were performed, along with many numerical analyses of the fluid flow (CFD), heat state (temperature distribution), stress and deformations calculations of the bulkhead parts, the development of construction solutions etc. In order to achieve basic goal, the paper encompassed a wide range of experiments, a significant number of numerical analyses and calculations, analyses of many specific damages and suggested construction solutions so as to avoid these damages.

Turboshaft engines, as the rule, contains gear transmission unit - reducer and belong to the group of drive systems with the name motor-reducer. These are the compact and autonomous assemblies for various applications. In the case of turboshaft engine in combination with high speed reducer, arise the set of phenomenon which has to be solved. Majority of them are in relation to reducer protection of overheating and of gears and bearings failures. The article contains analysis of heat sources, heat transfer through design structure and heat taking out in order to maintain acceptable temperature level of reducer lubricant. Theoretical discussions are supported with various experimental results and testing procedures, including analytic calculations. The set of design solutions for reducer protection when reducer located in the area of hot gas flow, is the main content. The case study is innovative design of turboshaft motor-reducer with free turbine which provides flexible operation and compact design structure.

The dynamic behavior of machines which rotate at extreme high speeds is crucial for stable and long operation. In design process some dynamics calculation must be taken into account to avoid potential operation near resonance areas. This paper considers dynamic analysis of the high speed reducer, designed together with the turbo-shaft engine. Resonances can occur when frequency of rotation and teeth mesh frequency are close to gear pair in mesh natural frequency, to the shafts natural frequencies and to the other parts natural frequencies. Problems can be avoided by translating resonant areas to higher or lower level of frequency by changing some design parameters, mass, stiffness and by variation of the stiffness of bearing supports. The paper presents the approaches to natural frequencies identification for the example of high speed reducer design. Some examples of design solutions, especially for elastic bearing supports and their experimental testing are also presented.

Osnovna ideja na kojoj se zasnivaju bazni ciljevi disertacije je identifikacija ekstremno teških uslova eksploatacije mašinskih struktura i njihovih opterećenja koji predstavljaju kompleksnu interakciju izuzetno visokih toplotnih i nehomogenih uticaja, intenzivnih uticaja strujanja fluida, uticaja visokih brzina rotacije, sopstvenih i prinudnih vibracija i dr. Ovi su uticaji prisutni kod gasogeneratora turbomlaznih i turbovratilnih motora za koji je bilo potrebno razviti inovativno konstrukcijsko rešenje multifunkcionalne pregrade između rotora kompresora i turbine. Za realizaciju postavljenog cilja razvijena je odgovarajuća metodologija inženjerskog dizajna zasnovana na iterativnom razvoju, ispitivanju i analizi stanja i razaranja delova pregrade, pod nazivom Failure-based Design – FBD. Razvijen je skup od pet konstrukcijskih rešenja ove pregrade. Četvrto rešenje je postalo prihvatljivo za eksploataciju u ovim uslovima, a peto rešenje je ostvarilo sve funkcije i zadovoljilo sve zahteve. Za ovu svrhu sprovedena su mnoga eksperimentalna ispitivanja, brojne numeričke analize strujanja fluida (CFD), analiza toplotnog stanja (raspodele temperature), proračuna napona i deformacija delova pregrade, razvoj konstrukcijskih rešenja i dr. Radi realizacije osnovnog cilja, rad je obuhvatio širok spektar eksperimentalnih sadržaja, značajan broj numeričkih analiza i proračuna, analiza brojnih specifičnih havarijskih oštećenja i predloženih konstrukcijskih rešenja da bi se ova razaranja izbegla., The general idea on which the basic goals of the dissertation are founded on is the identification of extremely hard conditions of mechanical structures and their loads which represent a complex interaction of several influences, i.e. extremely high heat, nonhomogeneous influences, intensive influences of fluid flow, high rotation speeds, its natural and forced vibrations etc. These influences are present at the gas generator of turbojet and turboshaft engines for which there was a need to develop an innovative construction solution for the multifunctional bulkhead between the compressor rotor and the turbine. In order to accomplish the set goal, an appropriate methodology of engineering design was developed which is based on iterative development, testing and analysis of the state and damage of the parts of the bulkhead, which is called Failure-based Design – FBD. A set of five construction solutions for the bulkhead was developed. The fourth solution became acceptable for exploitation in these conditions, while the fifth solution accomplished all functions and met all the requirements. In order to achieve this, numerous experimental testings were performed, along with many numerical analyses of the fluid flow (CFD), heat state (temperature distribution), stress and deformations calculations of the bulkhead parts, the development of construction solutions etc. In order to achieve basic goal, the paper encompassed a wide range of experiments, a significant number of numerical analyses and calculations, analyses of many specific damages and suggested construction solutions so as to avoid these damages.

Property based design - PBD approach provides improvement of various properties and characteristics. In the area of transmission units', by applyng PBD, significantly are increased service life and reliability, inclouding vibration and noise reduction. Together with these improvements, operating conditions of gear unit components got significantly worst and possible failure relations are changed and needs the new approaches in analysis in comparison to the traditional one. This article has intention to create relation between possible failures of gearbox components, according to mentioned trends. The main trend is significant reduction of dimensions which is in strong contradiction with gear lubrication and cooling. Together with increase of rotation speed, these contradictory effects transforms pitting as the dominant gear failure into the scoring of the teeth contact surfaces. This and similar failure transitions are presented. In order to prevent it, specific cooling and lubrication systems have to be developed. This is the reason that design structure of gear transmission units getting more and more complex. From presented point of view, failures of gear transmission components interaction is important design constraint and it justifies the introduction of the term Failure based Design - FBD of gear transmission units. Presented cases study of transmission units for various applications, contains mentioned analysys and FBD application.

A new design of gear transmission unit with continual variation of gear transmission ratio, for application in wind turbines (WT), has been developed. By variation of transmission ratio the speed of output shaft is 1500 rpm, constant independently of the wind speed. The article contains the presentation of a testing rig and the testing procedure of this design. The testing rig is based on back-to-back connection and power circulation and the testing procedure on simulation of the WT service conditions. The objective of testing process is identification of gearbox operating features and behavior, gearbox reliability and durability.

У дисертацији су анализирани еколошки ефекти фаза животног циклуса логистичког пара машина лучке-контејнерске механизације применом методе „процене животног циклуса“ (LCA). За испитивање изабране су две најзаступљеније машине на лучком-контејнерском терминалу: РТГ дизалица и терминалски трактор. Методом LCA извршена је упоредна анализа еколошке ефикасности савремених модела хибридне и електричне РТГ дизалица са конвенционалном дизел РТГдизалицом. Коришћењем наведене методе извршена је и упоредна анализа еколошке ефикасности хидрауличног- хибридног, електричног-хибридног и електричног терминалског трактора с конвенционалним дизел терминалским трактором. У циљу квалитетног сагледавања еколошких ефеката примене савремених технологија код РТГ дизалица и терминалских трактора, извршена је подела животног циклуса на три основне фазе и једну пратећу фазу. Према методологији LCA испитани су еколошки ефекти фаза: „од колевке до врата“, „употребе и одржавања“ и „одлагања и рециклаже“. Анализирани су и еколошки ефекти пратеће фазе „од извора од резервоара“. Ради потпуности студије извршена је и „what if” анализа којом је испитан алтернативни сценарио снабдевања електричном енергијом Е-РТГ дизалице и електричног Терминалског трактора из система Електропривреде Србије (ЕПС). Ради провере добијених резултата спроведена је анализа осетљивости за референти ток функционалне јединице машина логистичког пара. Добијени резултати класификовани су и карактеризовани преко најзаступљенијих метода за процену утицаја животног циклусa (LCIA). Изабране су две проблемно оријентисане методе (CML 2001 и TRACI 2.1) и једна штетно оријентисана методе (Ecoindicator 99)..., The dissertation discusses environmental impacts of life cycle stages of cargohandling equipments by using life cycle assessment (LCA) method. For the assessment two most common pieces of handling equipment found at portcontainer are chosen: RTG crane (Rubber-Tyred-Gantry crane) and Terminal tractor. By using comparative LCA an environmental efficiency of state-of-the-art models of hybrid and electric RTG cranes over conventional RTG crane is investigated. Using the same method comparative analysis of environmental efficiency of hydraulic-hybrid, electric-hybrid and electric terminal tractor versus conventional diesel tractor is conducted. In order to obtain valuable foresight of environmental effects of application of novel technologies for RTG cranes and terminal tractors, especially in regards of electrification the life cycle is divided into three basic stages and subsequent stage. According to the LCA technology the environmental impacts of following stages are investigated: “cradle-to-gate”, “use and maintenance” and “end-of-life”. The impacts of subsequent stage “well-to-tank” are also investigated. For the completenence of the study „what-if” analysis is conducted with alternative scenario of electricity supply of E-RTG and E-tractor with power grid mix from EPS (Electric Power Industry of Serbia). In order to provide ensures for the results the sensitivity analysis of reference flow of functional unit is done. The obtained results are classified and characterised according to most widespread methods of life cycle impact assessment. Тwo problem oriented methods are chosen (CML 2001 and TRACI 2.1) and one damage oriented method (Ecoindicator 99)...

Пројектовање актуационих система, посебно електро хидрауличних, предмет је обимних истраживања већ дуги низ година, може се рећи готово већ 70 година, када је почео развој ове области технике за потребе војног ваздухопловства на крају Другог светског рата. Истраживања су посебно интезивна од почетка широке употребе рачунара, када су се створили услови за имплементацију сложених математичких форми алгоритама управљања. Тада су створени услови за имплементацију постојећих алгоритама управљања са претходним искуством у оквиру аналогне технике и развоја великог броја додатних алгоритамских решења. У овом раду је развијена специфична методологија инжењерског дизајна актуатора за управљање вектором потиска ракетног мотора са флексибилним млазником на основу теорисјких анализа, са елементима аксиоматског приступа, која треба да олакшава рад пројектанту ове класе актуационих система. Резултат обимне систематизације је припрема теоријске основе да се посебно може разматрати флексибилни млазник као специфична врста структурног оптерећења актуатора, са елементима позиционог и инерцијалног оптерећења. У оквиру истраживачког рада у тези, сукцесивно се разматра опис еластичног оптерећења, избор конфигурације електро хидрауличног актуатора, базни линеарни и нелинеарни математички модели, критеријуми за избор алгоритама управљања и процењује се стварни проблем немоделоване динамике актуационог система. Кроз претходну теоријску анализу, синтетитизован је алгоритам управљања на основу off-line идентификације, који је проверен на симулатору оптерећења са реалним електро хидрауличним актуатором и дефинисана је конфигурација електро хидрауличног актуатора која решава проблем закретања млазника око тачке везе са актуатором после аксијалног померања флексибилне везе на почетку рада ракетног мотора., Design of actuation systems, especially electro hydraulics systems, has been subject of research in the past decades, we can say almost for 70 years, when started the development of this field of technology to the needs of military aviation at the end of the Second World War. Research has particularly intense since the beginning of the widespread use of computers, when they created the conditions for the implementation of complex mathematical algorithms form. Then they created the conditions for the implementation of the existing control algorithms with previous experience within the analogue techniques and the development of a large number of additional algorithmic solutions. In this thesis we developed a specific methodology for the engineering design of the actuator for thrust vector control of rocket engine with flexible nozzle based on theoretic analysis with elements of the axiomatic approach, which should facilitate the work of the designer of this class of actuating systems. The result of extensive systematization is prepared theoretical basis for consideration of the flexible nozzle as a specific type of structural load of actuators, with elements of positioning type and inertial type loads. Within the research work in the thesis, the focus is the description of elastic load, selection of the configuration of the electro hydraulic actuators, basic linear and nonlinear mathematical models, criteria for the selection of control algorithms and assesses the actual problem of non-modeled dynamics actuating systems. With previous theoretical analysis, the control algorithm has been synthesized based on off-line identification, which is checked in the simulator with real electro hydraulic actuator and is defined the configuration of electro hydraulic actuator that solves the problem of nozzle swivel around point of connection with an actuator after the axial displacement of flexible connections at rocket motor starting phase.

Wind speed variation presents the main problem for electricity production in wind power industry. Although wind is all around us, it is impossible to control its stochastic nature. As a result, existing wind turbines produce electricity with variable frequency, which demands synchronization with electric net. Synchronization process implies frequency conversion, which generates significant power losses in the system. Present researches mainly focus on reduction of power losses and efficiency increase of WT's through speed control and maintain of electric generator speed at the same level. In this work as a backbone of wind power plants innovation, authors present a new design of WT gear train with variable transmission ratio according to wind speed variation, providing direct synchronization to electric net - a hybrid gearbox that consists of mechanical, electro-electronic and software system. Mechanical system contains one specific planetary gearbox, with total transmission ratio i=1/25 and one planetary gear set for continual variation of overall transmission ratio. Electro-electronic system consists of motor-generator for transmission ratio variation and of electronic components for closed loop speed control. Software system provides control system variation and variation of components characteristics based on process identification and predictive control model decision. Concepts of software and control systems are presented and discussed in this work. For each of these systems, testing methodology is developed, with proposal of new closed power loop test rig design. The new design of testing rig provides testing of load capacity of complete WT drivetrain and verification of the system operation quality.

Дат је детаљан преглед садашњих концепцијских решења и начина монтаже савремених универзалних зупчастих редуктора. Карактеристике ових решења анализиране су посредством јединичних и комплексних показатеља квалитета. Резултати те анализе приказани су на систематичан и јасан начин, коришћењем табела, дијаграма и схема. Тумачење резултата је јасно и адекватно, с нагласком на значајне делове који су од посебне важности. Предложено решење зупчастог редуктора за усвојену осну висину је коректно дефинисано и постављено на основу претходно извршених анализа. Начин усвајања зупчастих парова, као и појединих конструкционих решења извршен је на јасно образложен начин. Такође, дат је предлог за увођење зубаца са повећаном теменом висином., Dat je detaljan pregled sadašnjih koncepcijskih rešenja i načina montaže savremenih univerzalnih zupčastih reduktora. Karakteristike ovih rešenja analizirane su posredstvom jediničnih i kompleksnih pokazatelja kvaliteta. Rezultati te analize prikazani su na sistematičan i jasan način, korišćenjem tabela, dijagrama i shema. Tumačenje rezultata je jasno i adekvatno, s naglaskom na značajne delove koji su od posebne važnosti. Predloženo rešenje zupčastog reduktora za usvojenu osnu visinu je korektno definisano i postavljeno na osnovu prethodno izvršenih analiza. Način usvajanja zupčastih parova, kao i pojedinih konstrukcionih rešenja izvršen je na jasno obrazložen način. Takođe, dat je predlog za uvođenje zubaca sa povećanom temenom visinom., Detailed overview of current solutions and conceptual mounting ways of modern universal helical gear reducer is presented. The characteristics of these solutions are analyzed by means of the unit and complex quality indicators. The results of this analysis are presented in a systematic and clear way, using tables, charts and diagrams. Interpretation of the results is clear and appropriate, with an emphasis on the important parts of which are of particular importance. The proposed solution of gear reducer for adopted shaft height is correctly defined and set to the previously performed analysis. The way the adoption of gear pairs, as well as some innovative designs are executed on clearly reasoned manner. Also, a proposal for the introduction of high contact ratio is given.

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

Traction shafts and axles of railway vehicles are designed to be safe and reliable in normal service conditions Accidental and unpredictable conditions including bad exploitation (rail tracks, maintenance and extreme long service life) make the probability of shaft and axle fracture realistic. This article contains the experience and analysis of the traction shafts and axles fractures and fracture processes. Research also shows service conditions with results presented in the form of service stress spectrums. Besides normal service conditions, the results also include unpredictable phenomenon such as natural torsion vibrations of the shaft and wheels caused by stick-slip processes at the moment of the set in motion of a full-loaded train or at the moment of braking. These vibrations create an extremely high level of torque which is the main cause of cracks initialization. The next part of the article contains the results of the traction shafts and axles endurance research. The results of testing are transformed using the results of calculation by the FE method and by statistical estimation of the failure probability distribution. The main part refers to the interaction (impact) of service stress probability and failure (endurance) probability. which leads to the traction shaft (axle) reliability definition. Using the established model, locomotive traction shaft reliability is calculated and analyzed. The final part of the article contains suggestions for the traction shafts (axles) failure prevention