ВІСНИК - ХНУlib.khnu.km.ua/pdf/visnyk_tup/2012/(193)2012-5-t.pdf · 8 Вісник...

Науковий журнал

ВВІІССННИИКК ХХммееллььннииццььккооггоо ннааццііооннааллььннооггоо ууннііввееррссииттееттуу

ТТееххннііччнніі ннааууккии

Хмельницький 2012

ISSN 2226-9150

ВІСНИК ХМЕЛЬНИЦЬКОГО НАЦІОНАЛЬНОГО УНІВЕРСИТЕТУ

Затверджений як фахове видання

Постановою президії ВАК України від 19.01.2006 2-05/1 (бюлетень ВАК України 2 від 2006 р.)

Засновано в липні 1997 р. Виходить 6 разів на рік

Хмельницький, 2012, 5 (193) Засновник і видавець: Хмельницький національний університет

(до 2005 р. – Технологічний університет Поділля, м. Хмельницький) Головний редактор Скиба М. Є., заслужений працівник народної освіти України,

д. т. н., професор, академік МАІ, академік УТА, ректор Хмельницького національного університету

Заступник головного редактора

Параска Г. Б., д. т. н., професор, проректор Хмельницького національного університету

Голова редакційної колегії Шинкарук О. М., д. т. н., професор, завідувач кафедри радіотехніки та зв’язку Хмельницького національного університету

Відповідальний секретар Гуляєва В. О., завідувач відділом інтелектуальної власності Хмельницького національного університету

Ч л е н и р е д к о л е г і ї

Технічні науки

к.т.н. Баннова І.М., д.т.н. Гладкий Я.М., к.т.н. Домбровський А.Б., к.т.н. Драпак Г.М., д.т.н. Диха О.В., д.т.н. Калда Г.С., д.ф-м.н. Качурик І.І., д.т.н. Кіницький Я.Т., д.т.н. Ковтун В.В., д.т.н. Костогриз С.Г., д.т.н. Кострицький В.В., д.т.н. Кузьменко А.Г., д.т.н. Либа В.П., д.т.н. Мазур М.П., д.т.н. Поморова О.В., к.т.н. Мандзюк І.А., д.т.н. Мясищев О.А., д.т.н. Олександренко В.П., д.т.н. Пастух І.М., д.т.н. Ройзман В.П., д.т.н. Рудницький В.Б., д.т.н. Сарібеков Г.С., д.т.н. Сілін Р.І., д.т.н. Семенюк М.Ф., д.т.н. Славинська А.Л., д.т.н. Стечишин М.С., д.т.н. Троцишин І.В., д.т.н. Шалапко Ю.І., д.т.н. Шевеля В.В. Технічний редактор Горященко К. Л., к.т.н. Редактор-коректор Броженко В. О.

Рекомендовано до друку рішенням вченої ради Хмельницького національного університету, протокол 3 від 24.10.2012 р.

Адреса редакції: редакція журналу "Вісник Хмельницького національного університету"

Хмельницький національний університет вул. Інститутська, 11, м. Хмельницький Україна, 29016

( (038-22) 2-51-08

e-mail: [email protected]

web: http://visniktup.narod.ru http://vestnik.ho.com.ua http://library.tup.km.ua/visnyk_tup.htm

Зареєстровано Міністерством України у справах преси та інформації.

Свідоцтво про державну реєстрацію друкованого засобу масової інформації Серія КВ 9722 від 29 березня 2005 року (перереєстровано)

Бюлетень ВАК 2, 2006

© Хмельницький національний університет, 2012 © Редакція журналу "Вісник Хмельницького

національного університету", 2012

Зміст

Вісник Хмельницького національного університету 5 ’2012 3

ЗМІСТ

МАШИНОЗНАВСТВО ТА ОБРОБКА МАТЕРІАЛІВ В МАШИНОБУДУВАННІ Р.І. СІЛІН, А.І. ГОРДЄЄВ, В.В. ТРЕТЬКО, Р.С. СІЛІН КОМПЛЕКСНА ТЕХНОЛОГІЯ ТА ОБЛАДНАННЯ ДЛЯ ВИСОКОТОЧНОЇ ВІБРАЦІЙНОЇ ДОВОДКИ ПОВЕРХОНЬ ......................................................................................................................................................................................

7

В.А. ОГОРОДНИКОВ, А.М. МИКОЛАЙЧУК, И.А. ДЕРЕВЕНЬКО АНИЗОТРОПНОЕ ПЛАСТИЧЕСКОЕ УПРОЧНЕНИЕ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ЗАГОТОВОК .........................................................

14

О.В. БАГРІЙ, В.В. КОВТУН ПЛОСКА ЗАДАЧА МЕХАНІКИ ДИСКРЕТНОГО СЕРЕДОВИЩА ................................................................................................

17

В.В. ЧАБАН, Б.Ф. ПІПА ОПТИМІЗАЦІЯ ПЕРЕХІДНОГО ПРОЦЕСУ ПРИ ПУСКУ ОСНОВОВ’ЯЗАЛЬНОЇ МАШИНИ .....................................................

22

П.Г. КАПУСТЕНСЬКИЙ, Е.А. МАНЗЮК ТРАНСПОРТУЮЧІ СИСТЕМИ ШВЕЙНИХ МАШИН ТА ЇХ РОБОТА ..........................................................................................

25

В.Є. ЛЮБИМОВ, К.А. ПАРШЕНКО АНАЛІЗ ДИНАМІКИ ТА СТАНУ ВИРОБНИЧОГО ТРАВМАТИЗМУ У ПРОМИСЛОВОСТІ ЗА ПЕРШЕ ПІВРІЧЧЯ 2012 РОКУ ................................................................................................................................................................

30

С.Д. ШТОВБА, А.В. НАГОРНА ІДЕНТИФІКАЦІЯ ЗАЛЕЖНОСТІ ВПЛИВУ ВИКИДІВ ВІД АВТОМОБІЛІВ НА ЧАСТОТУ ЗАХВОРЮВАНЬ ОРГАНІВ ДИХАННЯ ................................................................................................................................................................

34

В.В. РОМАНЮК ПРИМЕНЕНИЕ МИНИМАКСНОЙ ОЦЕНКИ ВЕРОЯТНОСТНОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ В СРАВНЕНИИ С РАВНОВЕРОЯТНЫМ РАСПРЕДЕЛЕНИЕМ В ОТОБРАЖЕНИИ ТРЁХЭЛЕМЕНТНОГО МНОЖЕСТВА ОДНОТИПНЫХ ДАННЫХ НА ОДНОЭЛЕМЕНТНОЕ МНОЖЕСТВО ПО КРИТЕРИЮ МИНИМИЗАЦИИ МАКСИМАЛЬНОГО ОТНОСИТЕЛЬНОГО ОТКЛОНЕНИЯ ................................................................................................

38

Н.В. СЕМЕНЮК, О.Б. ГУМЕНЮК ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ ЕКОЛОГІЧНОЇ ТА ЕНЕРГЕТИЧНОЇ БЕЗПЕКИ ДЕРЖАВИ ШЛЯХОМ СТИМУЛЮВАННЯ РОЗВИТКУ АЛЬТЕРНАТИВНОЇ ЕНЕРГЕТИКИ ..............................................................................................................................48

Б.І. СОКІЛ, Ю.А. ЧАГАН, О.І. ХИТРЯК ПОЗДОВЖНЬО-КУТОВІ КОЛИВАННЯ ГУСЕНИЧНИХ ТРАНСПОРТНИХ ЗАСОБІВ ЗА НЕЛІНІЙНОЇ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРУЖНОЇ ПІДВІСКИ ................................................................................................................................

52

Н.Г. СУРЬЯНИНОВ, Е.И. СЕМЕНОВ, О.Н. СЕННИКОВ БИОМЕХАНИКА САМОРАСКРУЧИВАНИЯ КРЕПЕЖНОГО ВИНТА ПРИ ДЕНТАЛЬНОЙ ИМПЛАНТАЦИИ .........................

55

А.В. ГОРОШКО, В.П. РОЙЗМАН СТАН ПРОБЛЕМИ ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ ЯКІСНОГО ПРОЕКТУВАННЯ СТРУКТУРНО-СКЛАДНИХ ТЕХНІЧНИХ ВИРОБІВ ТА ТЕХНОЛОГІЧНИХ ПРОЦЕСІВ ЇХ ВИГОТОВЛЕННЯ .............................................................................................

59

ТЕХНОЛОГІЇ ХАРЧОВОЇ ТА ЛЕГКОЇ ПРОМИСЛОВОСТІ І.І. ЖУКОВСЬКА, М.П. БЕРЕЗНЕНКО, О.П. ПЕНЧУК ВИЗНАЧЕННЯ ВИХІДНИХ ДАНИХ КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГІЧНИХ РІШЕНЬ ВИГОТОВЛЕННЯ ШТАНІВ ДЛЯ ВАГІТНИХ ЖІНОК ................................................................................................................................

69

М.І. ІГНАТИШИН, С.С. МАТВІЙЧУК ОСОБЛИВОСТІ АПРОКСИМАЦІЇ КОНТУРУ ДЕТАЛЕЙ ОДЯГУ ПОЛІНОМАМИ ТА ЛІНІЯМИ ДРУГОГО ПОРЯДКУ ...........................................................................................................................................................................................

72

Зміст


Ю.Б. КОКОЯЧУК, О.М. ТРОЯН, Л.С. СТЕПАНОВА ОБҐРУНТУВАННЯ ВИБОРУ ПАКЕТА МАТЕРІАЛІВ ДЛЯ ВИГОТОВЛЕННЯ ДИТЯЧОЇ КУРТКИ-РЮКЗАКА ДЛЯ СКАУТІВ ................................................................................................................................................................

79

Ю.В. КОШЕВКО, М.О. КУЩЕВСЬКИЙ, Д.В. ПРИБЕГА РОЗРОБКА ОБЛАДНАННЯ ДЛЯ РЕАЛІЗАЦІЇ ПРОЦЕСУ ФОРМУВАННЯ ТА ЗАКРІПЛЕННЯ ФОРМИ ГОЛОВОК ГОЛОВНИХ УБОРІВ З ТКАНИН ................................................................................................................................

83

В.С. ГОРОБЧИШИНА ОСНОВИ ВИЗНАЧЕННЯ КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГІЧНОГО СТАНУ ПРЕДМЕТУ ПРАЦІ ТЕХНОЛОГІЧНОГО ПРОЦЕСУ ПОШИТТЯ ОДЯГУ ......................................................................................................................

87

Т.В. ІВАНІШЕНА ДОСЛІДЖЕННЯ ЕКОЛОГІЧНОЇ БЕЗПЕЧНОСТІ МАТЕРІАЛІВ ДЛЯ ВИГОТОВЛЕННЯ ВЗУТТЯ. (ПОВІДОМЛЕННЯ І) ................................................................................................................................................................

91

Т.О. КУЗЬМІНА, О.М. ВЕРБИЦЬКИЙ, Є.О. КАЛІНСЬКИЙ ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ УПРАВЛІННЯ МОДИФІКАЦІЄЮ ЛЛЯНОГО ВОЛОКНА ................................................................

96

І.С. ГАЛИК, Б.Д. СЕМАК БІОСТІЙКІСТЬ ТЕКСТИЛЮ: ПРОБЛЕМИ ТА РІШЕННЯ ................................................................................................

100

М.Л. КУЛИГИН, В.А. ЕВДОКИМОВА РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ РАСШЛИХТОВКИ ХЛОПЧАТОБУМАЖНЫХ ТЕКСТИЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ .....................

107

І. СЛЕПЧУК, І.М. КУЛІШ, Г.С. САРІБЕКОВ ДОСЛІДЖЕННЯ ФІЗИКО-ХІМІЧНИХ ВЛАСТИВОСТЕЙ СУМІШЕЙ ПОЛІМЕРІВ ДЛЯ РОЗРОБКИ КОМПОЗИЦІЙНИХ ПОЛІМЕРНИХ СКЛАДІВ У ПРОЦЕСАХ ОПОРЯДЖЕННЯ ТЕКСТИЛЬНИХ МАТЕРІАЛІВ .....................

111

О.А. ОХМАТ, Е.Є. КАСЬЯН, А.А. ГОРБАЧОВ ВПЛИВ СКЛАДУ БАГАТОШАРОВОГО ПОКРИТТЯ НА ЯКІСТЬ ОЗДОБЛЕННЯ ШЛІФОВАНИХ ШКІР ................................

115

Д.С. МАТВЕЙЦОВА, С.А. КАРВАН, О.А. ПАРАСКА СУМІШ КАТІОННОЇ ТА АНІОННОЇ ПОВЕРХНЕВО-АКТИВНОЇ РЕЧОВИН: ДОСЛІДЖЕННЯ КОЛОЇДНО-ХІМІЧНИХ І ТЕХНОЛОГІЧНИХ ВЛАСТИВОСТЕЙ .......................................................................................................................

120

О.А. МИХАЙЛОВСЬКА, А.В. МОСТОВЮК ВИЗНАЧЕННЯ ФАКТОРІВ ВПЛИВУ КОНСТРУКЦІЙ ВЗУТТЯ НА СТОПУ ЛЮДИНИ ..............................................................

125

Г.Є. ЛОБАНОВА, В.М. ЦИМБАЛЮК, Ю.В. ПУХАЛЬСЬКА СУЧАСНІ МАТЕРІАЛИ ДЛЯ ВКЛАДНИХ УСТІЛОК: ЕРГОНОМІЧНІ ТА ЕКОЛОГІЧНІ АСПЕКТИ ................................

129

О.В. КОВТУНЕНКО, В.П. ПЛАВАН, Т.В. ТРАВИНСКАЯ ТЕРМИЧЕСКОЕ ПОВЕДЕНИЕ МОДИФИЦИРОВАННЫХ ПЛЕНКООБРАЗОВАТЕЛЕЙ ДЛЯ КОЖИ ................................

133

Д.Г. САРИБЕКОВА ИССЛЕДОВАНИЕ ФТОРОРГАНИЧЕСКИХ ПРЕПАРАТОВ ФИРМЫ «ROTTA» ДЛЯ ПРИДАНИЯ КОМПЛЕКСА КИСЛОТОЗАЩИТНЫХ СВОЙСТВ ЦЕЛЛЮЛОЗНЫМ ТЕКСТИЛЬНЫМ МАТЕРИАЛАМ .........................................................

140

Л.А. НЕСТЕРОВА ИЗУЧЕНИЕ МЕТОДОМ ИК-СПЕКТРОСКОПИИ МЕХАНИЗМА ДЕЙСТВИЯ ОРГАНИЧЕСКИХ ИНТЕНСИФИКАТОРОВ НА ПРОЦЕСС КРАШЕНИЯ АКТИВНЫМИ КРАСИТЕЛЯМИ .............................................................

143

РАДІОТЕХНІКА, ЕЛЕКТРОНІКА ТА ТЕЛЕКОМУНІКАЦІЇ А.С. ЛЯПАНДРА ЗМЕНШЕННЯ ЧАСОВИХ ЗАТРИМОК ПЛІС У РЕКОНФІГУРОВАНИХ КОМП’ЮТЕРНИХ СИСТЕМАХ ................................

147

Й.Й. БІЛИНСЬКИЙ, І.В. МИКУЛКА, О.М. СУХОЦЬКИЙ МЕТОД ПЕРВИННОЇ ОБРОБКИ ІНТЕРФЕРЕНЦІЙНОГО ЗОБРАЖЕННЯ ....................................................................................

151

Г.М. МЕЛЬНИК ІНФОРМАЦІЙНА ТЕХНОЛОГІЯ ОПРАЦЮВАННЯ ГІСТОЛОГІЧНИХ ЗОБРАЖЕНЬ ................................................................

154

Зміст


О.М. БЕРЕЗЬКИЙ, К.М. БЕРЕЗЬКА, С.Ю. ПОПІНА СТАТИСТИЧНЕ ОБРОБЛЕННЯ ЦИТОЛОГІЧНИХ ЗОБРАЖЕНЬ ................................................................................................

161

К.В. КОЛЕСНИКОВ, С.И. КАУНЕНКО ИСПОЛЬЗОВАНИЕ НЕЙРОСЕТЕВОГО КОНТЕЙНЕРА ДЛЯ ИДЕНТИФИКАЦИИ ПО ОТПЕЧАТКАМ ПАЛЬЦЕВ ...........................................................................................................................................................................................

164

Ю.С. КРАВЧЕНКО, С.Ю.КРАВЧЕНКО ПІДВИЩЕННЯ ЕФЕКТИВНОСТІ ЕМІСІЙНО-СПЕКТРАЛЬНОГО КОНТРОЛЮ В ПЛАЗМОВІЙ ТЕХНОЛОГІЇ .......................

167

Й.Й. БІЛІНСЬКИЙ, Б.П. КНИШ КЛАСИФІКАЦІЯ МЕТОДІВ МОНІТОРИНГУ ЗОВНІШНЬОГО ДИХАННЯ ЛЮДИНИ ................................................................

170

Э.В. ФАУРЕ, А.С. БЕРЕЗА, Е.А. ЯРОСЛАВСЬКАЯ ОЦЕНКА ТОЧНОСТИ ВОСПРОИЗВЕДЕНИЯ ЗАКОНА РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ДИСКРЕТНОЙ СЛУЧАЙНОЙ ВЕЛИЧИНЫ ПРИ ЕЁ ПРЕОБРАЗОВАНИИ ................................................................................................................................

176

В.Т. КОНДРАТОВ ТЕОРИЯ ИЗБЫТОЧНЫХ ИЗМЕРЕНИЙ: РЕШЕНИЕ МЕТРОЛОГИЧЕСКИХ ЗАДАЧ ИЗБЫТОЧНЫХ ИЗМЕРЕНИЙ ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН НАПРАВЛЕННОГО ДЕЙСТВИЯ БЕЗ ПРИПИСЫВАЕМОЙ ОБЪЕКТУ ИЗМЕРЕНИЙ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ. СООБЩЕНИЕ 1.2 ....................................................................................

183

А.М. ЛОКОЩЕНКО, С.А. ПЕТРАЩУК, В.П. РОЙЗМАН ОЦЕНКА И ОБЕСПЕЧЕНИЕ ПРОЧНОСТИ СИСТЕМЫ “ЭЛЕКТРОННЫЙ ЭЛЕМЕНТ – КОМПАУНД” ................................

193

О.В. ПОМОРОВА, Д.О. ІВАНЧИШИН ПОРІВНЯЛЬНИЙ АНАЛІЗ РЕЗУЛЬТАТІВ ФУНКЦІОНУВАННЯ СТАТИЧНИХ АНАЛІЗАТОРІВ С++ ВИХІДНОГО КОДУ ................................................................................................................................................................

198

Ю.В. ХМЕЛЬНИЦЬКИЙ ОСОБЛИВОСТІ ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ СТІЙКОСТІ ДІАГНОСТИЧНОГО ПРОЦЕСУ ................................................................

204

В.П. НЕЗДОРОВІН, К.Л. ГОРЯЩЕНКО, Є.Г. МАХРОВА РЕАЛІЗАЦІЯ ПРОТОКОЛУ MODBUS В СЕРЕДОВИЩІ CODESYS 2.3 .........................................................................................

208

О.В. КАЛЬВАТИНСЬКИЙ, А.А. ТАРАНЧУК, О.О. ПОЄДИНЧУК

ЕФЕКТИВНІСТЬ ВИКОРИСТАННЯ ЗАВАДОСТІЙКОГО КАСКАДНОГО КОДУВАННЯ В ЗАДАЧАХ ДИСТАНЦІЙНОГО ЗОНДУВАННЯ ЗЕМЛІ ................................................................................................................................

212

В.О. ВАРЕШКО ЛІНІЙНА РІВНОМІРНА ШКАЛА ДЛЯ АЦП ПРЯМОГО ПЕРЕТВОРЕННЯ З ВИКОРИСТАННЯМ ДВОХ НАБОРІВ РЕЗИСТОРІВ, ЩО ВІДРІЗНЯЮТЬСЯ НА ОДИНИЦЮ ................................................................................................

217

І.М. ПАСТУХ, М.В. ЛУК’ЯНЮК, В.О. КУРСКАЯ, В.І. КУХАР ПРОЦЕС РОЗМИКАННЯ СТРУМУ В УСТАНОВЦІ ДЛЯ АЗОТУВАННЯ В ТЛІЮЧОМУ РОЗРЯДІ З НЕСТАЦІОНАРНИМ ЖИВЛЕННЯМ ................................................................................................................................

221

С.М. ЛИСЕНКО, А.Ф. КРИЩУК, Ю.П. ДЗЮБАК ДОСЛІДЖЕННЯ ПЕРЕВАГ ЗАСТОСУВАННЯ LATEX ПРИ ОФОРМЛЕННІ НАУКОВИХ ПРАЦЬ ................................

225

І.А. ДИЧКА, М.В. ОНАЙ, О.В. ВАЩІЛІН АПАРАТНА РЕАЛІЗАЦІЯ ОПЕРАТОРІВ ТА ФУНКЦІЙ В ПОЛЯХ ГАЛУА ................................................................

234

Н.Р. ПАСІЧНИК МЕТОД ФОРМУВАННЯ ОНТОЛОГІЙНОГО КОНТЕНТУ НА ОСНОВІ АНАЛІЗУ ІНФОРМАЦІЇ СПЕЦІАЛІЗОВАНИХ ВЕБ-САЙТІВ ................................................................................................................................

241

К.Л. ГОРЯЩЕНКО ОГЛЯД КЛАСИЧНИХ МОДЕЛЕЙ ПРОВІДНИКОВИХ РЕГУЛЯРНИХ ЛІНІЙ ПЕРЕДАЧІ ...........................................................

244

Л.А. ТАРАНДУШКА, С.М. ОДОКІЄНКО ПОБУДОВА АЛГОРИТМУ ДЛЯ АВТОМАТИЗАЦІЇ ВИБОРУ ОПТИМАЛЬНОЇ МЕТОДИКИ ДЛЯ ДИСТАНЦІЙНОГО НАВЧАННЯ СТУДЕНТІВ ................................................................................................................................

248

Зміст


О.І. ПОЛІКАРОВСЬКИХ СПОСОБИ ПОБУДОВИ ШВИДКОДІЮЧИХ ЦИФРОВИХ ОБЧИСЛЮВАЛЬНИХ СИНТЕЗАТОРІВ БАГАТОРІВНЕВИХ СИГНАЛІВ .......................................................................................................................................................

252

Б.Б. ПОСПЕЛОВ, О.М. ШИНКАРУК, Р.И. ШЕВЧЕНКО

ГРАНИЦЫ ПРИЕМЛЕМЫХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ КАЧЕСТВА ДЛЯ ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ ОБНАРУЖЕНИЯ КРИТИЧЕСКИХ СОСТОЯНИЙ ОПАСНЫХ ОБЪЕКТОВ ................................................................................................

257



МАШИНОЗНАВСТВО ТА ОБРОБКА МАТЕРІАЛІВ В МАШИНОБУДУВАННІ

УДК 620. 193. 16

Р.І. СІЛІН, А.І. ГОРДЄЄВ, В.В. ТРЕТЬКО, Р.С. СІЛІН Хмельницький національний університет

КОМПЛЕКСНА ТЕХНОЛОГІЯ ТА ОБЛАДНАННЯ

ДЛЯ ВИСОКОТОЧНОЇ ВІБРАЦІЙНОЇ ДОВОДКИ ПОВЕРХОНЬ Наведено аналіз конструкцій обладнання для доводки поверхонь. Запропоновано оптимальну стратегію

оброблення та вібраційне обладнання для доводки плоских поверхонь і очищення їх від технологічних забруднень. The analysis of construction equipment to tweak surfaces. An optimal strategy for treatment and vibrating

equipment to tweak flat surfaces and clean them from the technological impurities. Ключеві слова: вібраційне обладнання, доводка, миття.

Вступ Серед різних способів механічного оброблення, які забезпечують виконання високих вимог до

якості поверхневого шару, точності форми і розмірів обробленої поверхні, важливе місце займає абразивна доводка. В багатьох випадках вимоги, які висуваються до виробів за шорсткістю, точністю форми і взаємним розташуванням оброблених поверхонь, зокрема циліндричних, роблять абразивну доводку практично єдиним технологічним процесом, який в змозі їх забезпечити.

Параметри якості оброблених поверхонь після оброблення матеріалів різанням, в тому числі абразивної доводки, залежать від режимів і умов процесу оброблення [1, 2].

Механічна абразивна доводка дозволяє підвищити продуктивність оброблення в декілька разів в порівнянні з ручною доводкою, при цьому забезпечується стабільність вихідних експлуатаційних характеристик деталей агрегатів і машин (гідравлічної, пневматичної апаратури, зубчатих коліс, шариків, роликів і кілець підшипників кочення, кремнієвих підложок, кварцових елементів, керамічних деталей) [3].

Після отримання необхідних параметрів оброблених деталей виникає потреба очистити поверхню від полірувальної пасти та жирових забруднень.

Аналіз останніх досліджень і публікацій Основні схеми механічної доводки циліндричних і сферичних поверхонь представлені на рис. 1.

Рис. 1. Основні схеми доводки циліндричних (а, б) та сферичних (в, г, д, е, ж) поверхонь:

1 – притир; 2 – деталь; 3 – пристрій для встановлення деталей Доводку зовнішніх циліндричних поверхонь здійснюють як плоскими (рис. 1а), так і

циліндричними притирами, а внутрішніх циліндричних поверхонь – в основному розрізними циліндричними притирами (рис. 1б). Випуклі сферичні поверхні оброблюють сферичним інструментом в вигляді трубки або чашоподібної “шали”, а вгнуті – у вигляді “грибка“, диска або трубчатим інструментом (рис 1. в, г, е, ж), доводку шариків виконують між двома притирами, один з яких має кільцеву канавку, а інший – плоский (рис. 1д).

Вказані схеми доводки (рис. 1) реалізуються доводочним обладнанням, яке повинно мати визначений комплекс рухів. Всі рухи в доводочних верстатах, як відомо, поділяються на головні, допоміжні та додаткові. Головний рух в верстаті безпосередньо забезпечує процес зняття шару матеріалу, допоміжний – поступовість і неперервність цього зняття по всій оброблюваній поверхні (зворотно-поступальний рух притиру або деталі), додатковий – рух, що визначається конструкцією машини та такий, що покращує якість доводки.



Розглянемо детальніше технологічне забезпечення абразивної доводки циліндричних поверхонь. В серійному та масовому виробництві доводку зовнішніх циліндричних поверхонь здійснюють переважно на дводискових доводочних верстатах з ексцентриковою наладкою. Цей спосіб доводки отримав назву “кругла доводка”.

Схеми найбільш поширених наладок верстата для круглої доводки представлена на рис. 2.

Рис. 2. Кінематичні схеми верстатів для круглої доводки: а – з обертово-поступальним рухом сепаратора (1й тип);

б – з вільним обертанням сепаратора (2й тип)

На цапфі ексцентрика 1 вільно установлюють сепаратор 2 з зазором відносно робочих поверхонь дискових притирів. Деталі 3 розміщують вільно в пазах сепаратора між робочими поверхнями притирів – нижнього 4 і верхнього 5. При доводці використовують як зустрічне примусове обертання обох притирів з приблизно однаковою частотою обертання (n4 = n5), так і примусове обертання тільки одного з притирів при нерухомому або вільно обертаючому іншому (n4 = 0 або n5 = 0). Деталі під дією сил тертя в зоні їх контакту з притирами обертаються навколо своєї осі з кутовою швидкістю d та проковзують відносно робочих поверхонь притирів. Завдяки цим рухам їх зовнішня поверхня формується з тим чи іншим наближенням до геометричної поверхні циліндра. Завдяки обкочуванню деталей по обом притирам

сепаратор отримує обертання відносно осі цапфи з числом обертів, залежним від співвідношення частоти обертання обох притирів. В деяких випадках для надавання деталям складного руху відносно поверхонь притирів сепаратору надають рух за допомогою шарнірно-важільних механізмів 6. Для посилення ефекту доводки сепаратору з деталями надають додатковий рух за рахунок обертання ексцентрика з частотою обертання n1, а деталі розміщують під кутом н до радіуса сепаратора. Рух точок циліндричної поверхні деталі можна представити таким, що складається з плоскопаралельного руху точок контактної прямої і обертання цих точок навколо осі деталі з кутовою швидкістю d.

Для доводки циліндричних поверхонь деталей застосовують дискові сепаратори двох типів: 1) з вільною укладкою деталей в пазах сепаратора; 2) з пальцями (центрами) для фіксації деталей, що мають центральний отвір.

Доводочні машини обладнуються індивідуальними електроприводами, гідроприводами або превмоприводами (для створення обертально-поступального руху).

Доводочне обладнання для круглої доводки, що використовується в машинобудуванні не забезпечує високої продуктивності обробки, точності і шорсткості поверхні з-за постійно зростаючих вимог до підвищення якості продукції, що випускається та використання більш сучасної технології. Недостатньо складна траєкторія робочого руху, як правило, комбінація обертальних рухів доводочних дисків та планетарного руху деталей, як це було описано вище, неоднакові швидкості різання в різних точках доводочних дисків обумовлюють їх нерівномірне зношування, а також знімання матеріалу з оброблюваних деталей, що знижує точність і якість обробки, потребує допоміжних заходів для підвищення стабільності результатів доводки (кінематична правка, направлене переміщення деталей по притиру, управління динамічними факторами).

Виникає необхідність пошуку нових прогресивних методів оздоблювального оброблення циліндричних та сферичних поверхонь, що дозволяють утворити керуючий процес доводки та при менших витратах підвищити продуктивність доводочного обладнання, точність і якість оброблення.

В зв’язку з цим перспективним є використання методу вібраційної доводки, що забезпечує високі вихідні показники процесу. Але його широкому втіленню перешкоджає відсутність даних з теорії і практики процесу, проектування відповідного обладнання. В працях, що присвячені дослідженню вібраційної доводки, недостатньо повно освітлені питання динаміки та утворення керуючого процесу, формоутворення оброблюваних поверхонь деталей.

Характер процесу вібраційної доводки має відмінні особливості. При цьому методі значно ускладнюється траєкторія робочого руху, завдяки наданню вібраційних коливань доводочній плиті або оброблюваній деталі. Характер і вид цього руху залежить від параметрів і виду сумарних коливань плити та деталі, значень сил інерції та тертя, що виникають при цьому.

Незважаючи на те, що за один період коливань доводочної плити чи деталі виконується порівняно невелика робота, завдяки високій частоті коливань досягається висока продуктивність процесу вібраційної доводки. Складний рух деталей відносно робочої поверхні доводочної плити виключає можливість появлення направлених слідів обробки на доведеній поверхні, покращує її геометричну форму та сприяє зняттю з оброблюваної поверхні рівномірного шару матеріалу. Крім цього, складний рух деталей попереджує виникнення місцевих виробіток на робочих поверхнях притирів.

Останнім часом вібраційна доводка знаходить все більше застосування при обробленні особливо точних деталей з високими вимогами до якості і точності оброблюваних поверхонь.



Для отримання готового виробу застосовується багато методів очистки поверхонь та конструкцій обладнання, але вибір устаткування та вид фізико-механічного впливу на забруднення залежить від адгезійного зчеплення з поверхнею, густиною та складом самого забруднення.

Мета роботи Створення комплексної технології та обладнання для вібраційної доводки поверхонь з послідуючим

очищенням виробів є актуальною задачею промисловості. Одним з нових направлень розвитку доводочних операцій є доводка на резонансних вібраційних верстатах з електромагнітним приводом кругових поступальних коливань притирів [4,5], а також застосування вібраційних машин з пульсуючими струменями для очищення поверхонь виробів.

Тому дослідження процесу вібраційної доводки циліндричних і сферичних поверхонь, очищення від технологічних забруднень, розробка більш досконалих вібраційних доводочних верстатів та обладнання для очищення, а також методик їх розрахунку є актуальними задачами.

Виклад основного матеріалу Технологічні можливості нових способів доводки деталей визначаються параметрами якості

оброблюваних поверхонь, а також технічними характеристиками доводочних верстатів, які дозволяють здійснювати цілеспрямовану зміну параметрів процесу. Розробка та реалізація ефективних багатоопераційних технологічних процесів можлива на основі аналізу і пошуку оптимального варіанту здійснення процесу від чорнової до фінішної операції, з урахуванням багатоваріантності структурних схем його здійснення.

Досягнення необхідної точності та якості оброблених поверхонь при вібраційній доводці на резонансних вібродоводочних машинах [1] обумовлено комплексом умов та факторів процесу доводки. В результаті експериментальних досліджень встановлено, що зміна шорсткості aR та відхилення від

площинності N оброблюваних поверхонь при вібраційній доводці має експоненціальний характер. При цьому швидкість утворення нового рельєфу знижується від максимального значення в початковий період до значень, близьких до нуля, в момент утворення сталого значення параметрів якості та точності.

Вираз для опису зміни параметрів поверхонь в процесі доводки має вигляд:

( ) k t‰ — —F F F e F , (1)

де , ,‰ —F F F – вихідне, усталене та поточне значення параметрів обробки;

k – коефіцієнт інтенсивності зміни параметра. З (1) час досягнення певного поточного значення параметра F становить:

( )1ln

( )—

‰ —

F Ft

k F F

. (2)

Ефективність оброблення на певному етапі знижується при наближенні поточного значення F до усталеного —F для даних умов обробки (рис. 3). Тому бажаним є використання найбільш крутої ділянки

кривої F=F (t), тобто досягнення потрібного значення параметра оброблення з максимальною швидкістю зміни рельєфу поверхні. При цьому для досягнення певного значення шорсткості aR та відхилення від

площинності N поверхні, з метою підвищення продуктивності процесу, необхідно використовувати режим обробки, який забезпечує усталені значення параметрів обробки, вищі за ті, що вимагаються.

Вибір оптимальної стратегії досягнення значення параметра F, що забезпечує найбільш ефективне і продуктивне оброблення, є важливою задачею для методу вібраційної доводки, вирішити яку пропонується використанням керуючого багатоступінчатого оброблення.

Два суміжних етапи багатоступінчатого оброблення (рис. 3) можна представити системою рівнянь:

1 ( )1 1 1

( )

( )

i

i i

k ti i‰ i— i—

k t ti i i — i —

F F F e F

F F F e F

(3)

де iF – значення параметра, при досягненні якого в

момент часу it відбувається перехід з одного (i) режиму

обробки на інший (i+1);

1,i ik k – коефіцієнти інтенсивності зміни

параметрів;

Рис. 3. Визначення умов переходу з режиму на режим

1,i— i —F F – усталені значення параметрів оброблення.

Виходячи з вимог забезпечення максимальної швидкості зміни рельєфу при переході з режиму на

режим, умову переходу можна представити рівністю похідних у точці переходу в момент часу it . Звідси



встановлюємо значення часу оброблення на i-му рівні:

1

1 1

( ) ( )1ln

( )i i i‰ i —

ii i— i —

k k F Ft

k k F F

(4)

При цьому значення iF за виразом (1)

1 1

1

( ) i ik t i i— i i —i i‰ i— i —

i i

k F k FF F F e F

k k

(5)

Таким чином можна визначити координати ( it і iF ) точок переходу між двома суміжними

режимами вібраційної доводки, що характеризуються оптимальною кінетикою технологічного процесу. Практична реалізація принципу управління процесом доводки технологічним методом багатоступінчастої обробки потребує визначення на кожному етапі коефіцієнта інтенсивності ik , усталеного значення

параметрів якості ai—R і точності i—N обробки та їх залежності від факторів технологічного процесу.

Ця задача вирішувалась експериментально методом регресивного аналізу. В результаті отримана статистична залежність коефіцієнта інтенсивності зміни шорсткості Rak та неплощинності Nk від

зернистості абразиву d, амплітуди A кругових коливань притирів та тиску p доводки: 2 2

2 2

(0,067 0,819 1,48 0,047 0,012 0,87 1,06 13,77 )

(0,07 1,11 2,11 0,122 0,0384 1,44 3,62 22,32 )

0,0765

0,0778

d A p Ra dA A Ap pRa

d A p N dA A Ap pN

k e

k e

.

Потрібно відзначити, що оптимальні значення амплітуди коливань притирів та тиску доводки, що забезпечують максимум коефіцієнтів інтенсивності Rak та Nk , відрізняються несуттєво і визначаються

виразами: 0,5 0,01

0,08 0,001

A d

p d

. (7)

Внаслідок цього при виборі оптимального режиму доводки по інтенсивності формування шорсткості оброблюваної поверхні забезпечується також близьке до оптимального формування її відхилення від площинності.

У відповідності до [2] оптимальний перехід з одного стану в інший (з режиму на режим) характеризується часом формування складу показників якості та точності оброблення:

1 1N, t

( )ai ai ai ai

Raa

R R N Nt

dR d Ndtdt

.

(8)

Умову цього переходу з одного режиму на інший можна записати в вигляді:

Ra Nt t або Ra Nk k . (9)Виконання умови (9) дозволяє забезпечити функціонування стабільної технологічної системи з

одночасними і взаємопов’язаними змінами шорсткості і неплощинності оброблюваних поверхонь, що має місце при:

20,385 0,85 0,131 0,0017‰ a‰N R d d , (10)

та накладає вимоги до рівнів зміни факторів ‰N і a‰R відповідно до зернистості абразиву, що

застосовується. Якщо при обробленні пріоритет надається одному з параметрів оброблюваної поверхні, то характер

зміни другорядного параметра буде близьким до оптимального, що разом дозволить отримати необхідні значення показників якості та точності за мінімальний час.

Провівши оброблення заготовок, отримавши необхідну точність по площинності та шорсткості стає задача очистити поверхню віт технологічних забруднень.

Проведено досліди по визначенню продуктивності промивки плоских зразків від в’язких розчинних забруднень на вібраційному обладнанні на основі гідропульсатора [6], в якому створюється пульсуючий газорідинний струмінь. Підготовлені зразки (забруднення – алмазна паста) закріплювались в спеціальній оправці, кут між площиною потоку та зразком дорівнював 900, відстань 60 мм. Зразки промивались водопровідною водою при Т = 200С, з метою вилучення впливу хімічних факторів на процес [7]. Продуктивність промивання оцінювалась візуально по площі відмитої поверхні забрудненого зразка. Зразки рівної площі промивались за період Т = 10 с. В дослідах змінювалась частота коливань та діаметр насадка гідропульсатора. Результати дослідів показані на графіку рис. 4.

З графіка рис. 4 видно, що при збільшенні частоти коливань до певної величини площа промитого зразка зменшується. Це пояснюється тим, що із збільшенням проценту газової складової потоку об’єм порцій рідини зменшується і сила удару потоку по поверхні зменшується при незначному збільшення сил тертя газорідинної суміші. Найбільша продуктивність промивки отримана при максимальних швидкостях та тисках газорідинного струменя, який утворюється у гідропульсаторі при певних частотах коливань робочого тіла.



Рис. 4. Залежність відмитої площі зразка від частоти та

діаметра насадка: 1 – нd = 6,3 мм; 2 – нd = 10 мм

Рис. 5. Залежність продуктивності промивання за зміною ваги зразка від відстані l між насадком та поверхнею, що

промивається: 1 – l = 20 мм; 2 – l = 60 мм; (dн = 8 мм, А = 2 мм, f = 14 Гц)

Рис. 6. Кінетика видалення забруднень:

1 – ультразвуковим способом; 2 – вібраційним струминно-пульсуючим способом; 3 – струминним способом;

4 – вібраційним способом

Були проведені дослідження впливу відстані між насадком та поверхнею, що промивається. Для промивки застосовували зразки із забрудненням полірувальною пастою. Продуктивність процесу оцінювали ваговим методом. Результати досліджень показані на рис. 5. В міру віддалення від зрізу насадка продуктивність падає, тому бажано деталі, які підлягають промиванню від забруднень, розташовувати близько до зрізу насадка.

Для порівняння продуктивності промивання поверхні плоских зразків від забруднень різними способами були проведені досліди, в яких продуктивність промивання також оцінювалась ваговим методом. Досліди проводились при температурі 2020С в зворотній емульсії. Порівнювалась продуктивність промивання такими способами: ультразвуковим, струминним, вібраційним та пульсуючим газорідинним потоком. Результати дослідів наведено на рис. 6.

Найвищу продуктивність промивання показав ультразвуковий спосіб, трохи нижчу – вібраційний струминно-пульсуючий спосіб. Далі за продуктивністю промивання йдуть струминний та вібраційний способи.

Практична реалізація На кафедрі технології машинобудування ХНУ розроблена комплексна технологія та обладнання для

доводки високоточних деталей з різних матеріалів, таких як корпуси магнітних головок із кераміки та фериту, підложки інтегральних мікросхем, деталей гідро- та пневмоапаратури (рис. 7) з подальшим їх очищенням від забруднень на вібраційному струменево-пульсуючому обладнанні.

Рис. 7. Деталі, які обробляються на вібродоводочних машинах

Рис. 8. Касети та їх розташування на столі вібродоводочної машини

У вібраційних резонансних доводочних машинах використовується електромагнітний вібропривод,



який надає притирам поступального коливного руху по колових траєкторіях в площині, яка паралельна робочим поверхням притирів.

Оброблення плоских та циліндричних деталей на машині здійснюється при їх установці в гнізда спеціальних касет сепаратора, який створює складний направлений рух деталей, що обробляються відносно робочих поверхонь притирів (рис. 8). Для обертання сепаратора і касет застосовуються перетворювачі коливань, які використовують колові поступальні коливання притирів.

Тиск доводки регулюється за допомогою електромагнітного та пневматичного затисків, які забезпечують рівномірний його розподіл по поверхні, що обробляється. В верстатах передбачено силове розвантаження сепаратора, що дозволяє обробляти особливо тонкі деталі (товщиною менше 0,1 мм.) з крихких матеріалів.

Завдяки конструктивним особливостям вібраційних машин (рис. 9, рис. 10, рис. 11) досягається рівність швидкостей і циклових шляхів різання для кожної точки робочої поверхні притирів, рівномірний розподіл траєкторій по поверхнях, що обробляються і не повторюваність слідів оброблення, створюються умови для рівномірного зношування притирів, що значно підвищує точність і якість оброблення.

Рис. 9. Загальний вигляд доводочної вібромашини ВДМ-400-2А Рис. 10. Загальний вигляд доводочної вібромашини ВДМ-300-2

Рис. 11. Загальний вигляд резонансної вібраційної

доводочної машини ВДМ-600-2

Завершальною операцією отримання виробу після доводки є очищення (миття) від технологічних забруднень. Завдяки проведеним дослідженням розроблено технологічне обладнання для миття деталей від алмазної пасти та жирових забруднень, що дає можливість у комплексі розв’язувати задачу отримання готового виробу, який надалі можна подавати на збиральні операції.

Вібраційне обладнання для миття деталей рис. 12 [8] містить ванну для миючої рідини 1, сітку 2 для розміщення деталі, установлену, з можливістю зворотно-поступального переміщення, діафрагму 3, камеру 4, жорстко змонтовану на діафрагмі забірну вертикальну трубку 5, кінці якої з’єднані з порожнинами ванни 1 й камери 4, а діафрагма має еластичний елемент поділу порожнин ванни й камери. У камері встановлена електромагнітна котушка 6 у вологонепроникному кожусі. Нижній кінець забірної трубки

з’єднаний з системою подачі стиснутого повітря 7. Камера 4 має отвір 8 для зливу забрудненої рідини. Вібраційне обладнання працює в такий спосіб. При включенні в мережу котушки 6 діафрагма 3 і

забірна трубка 5 одержують коливальний рух. Рідина у ванні 1 коливається й створює мікротечії навколо деталі, що промивається. Одночасно при русі діафрагми 3 нагору відбувається захоплення рідини через трубку 5 у камеру 4 за рахунок розрядження. При русі униз відбувається викид рідини у ванну 1 на оброблювану деталь. Під час роботи в забірну трубу подається стиснене повітря у вигляді дрібних пухирців з системи подачі стиснутого повітря 7 (наприклад, через барботер).

Вібраційне обладнання [9] для мийки дрібних деталей (рис. 13) працює в такий спосіб. Касета 4 встановлюється на монтажний стіл, деталі 5 укладаються в ємності 8 і закриваються кришками 11. Потім касета 4 вставляється у ванну 1 до упора в кільцевий бортик 16, у результаті чого утвориться нижня камера 7 формування струменів у робочій рідині. Миюча рідина 19 заповнює касету 4, ванна 1 із касетою 4 закривається кришкою 12 і зайве повітря витісняється через отвори 13 і 14.

При включенні вібратора 3 утворяться пульсуючі струмені рідини при ході дна 2 ванни 1, як нагору, так і вниз. Відбувається промивання, при якому деталі промиваються пульсуючими струменями рідини в ємностях 8. При русі дна 2 нагору або униз відбувається стиск струменя на вході в отвори 10 або 9 ємностей



8, при цьому в останніх утворюється розрідження й газ, розчинений у миючій рідині, при створенні розрідження виділяється й у вигляді дрібних пухирців попадає на оброблювані деталі, у результаті чого відбувається інтенсифікація мийки.

Рис. 12. Вібраційне струменеве обладнання з одночасною подачею газових пухирців: 1 – ванна; 2 – сітка;

3 – діафрагма; 4 – камера; 5 – трубка; 6 – електромагнітна котушка; 7 – система подачі

повітря; 8 – зливний отвір

Рис. 13. Вібраційне обладнання для мийки дрібних деталей: 1 – ванна; 2 – дно; 3 – вібратор; 4 – касета; 5 – дедалі;

6 – верхня камера; 7 – нижня камера; 8 – ємність; 9,10 – отвори; 11, 12 – кришки; 13,14 – отвори; 15 – кран; 16 – кільцевий бортик;

17 – основа; 18 – фланець ванни; 19 – миюча рідина

Висновки Реалізація пропонованого принципу керування технологічним процесом вібраційної доводки

дозволяє забезпечити оптимальне співвідношення параметрів якості і точності обробки на кожному етапі, повною мірою використати можливості резонансних вібраційних доводочних машин в досягненні необхідних показників оброблюваних поверхонь з мінімальними витратами часу. Комплексний підхід при виготовленні виробів доводкою вимагає оснащення дільниці доводки технологічним обладнанням для миття поверхонь від технологічних забруднень.

Література

1. Дальский А.М. Технологическое обеспечение надёжности высокоточных деталей машин /

Дальский А.М. – М., 1975. – 224 с. 2. Доводка прецизионных деталей машин / [Орлов П.Н., Савёлова А.А., Полунин В.А. Нестеров

Ю.И.]; под ред. Г.М. Ипполитова. – М.: Машиностроение, 1978. – 256 с. 3. Орлов П.Н. Механическая доводка деталей машин / Орлов П.Н. – М.: Машиностроение, 1974. –

52 с. 4. А. с. 1458187. СССР. МКИ В24в. Устройство для доводки плоских поверхностей деталей / В.А.

Повидайло, В.В. Третько, А.А. Кеча, Р.Я. Сахно. – 1989. – Бюл. 6. – 4 с. 5. Повидайло В.А. Высокоточная вибрационная доводка деталей с плоскопараллельными

поверхностями / В.А. Повидайло, В.В. Третько // Алмазная и абразивная обработка деталей машин и инструмента: межвуз. сб. науч. тр. – Пенза: Пенз. политехн. ин-т, 1986. – Вып. 14. – С. 107– 111.

6. Сілін Р.І. Аналіз динамічних процесів у вібраційних гідропульсаторах / Р.І. Сілін, А.І. Гордєєв, Ю.В. Савицький, В.В. Третько // Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах. – 2000. – 3. – С. 44– 46.

7. Гордєєв А.І. Дослідження процесу взаємодії пульсуючого газорідинного потоку з технологічними забрудненнями / А.І. Гордєєв // Вісник ТУП, серія технічних наук. – 1997. – 1. – С. 55– 60.

8. А. с. 880519 СССР, МКИ3 В08В3/10. Устройство для промывки деталей / Р.И. Силин, В.П. Кошель, А.И. Гордеев (СССР). – 2869224/28 – 12; заяв.17.12.1979; опубл. 15.11.1981, Бюл. 42. – 3 с.

9. А. с. 1130422 СССР, МКИ3 В08В3/10. Устройство для мойки мелких деталей / А.И. Гордеев, Р.И. Силин, Н.А. Сивченко (СССР). – 3613130/28 – 12; заяв. 05.04.1983; опубл. 23.12.1984, Бюл. 47. – 3 с.

Надійшла 5.9.2012 р.

Статтю представляє: д.т.н. Гордєєв А.І.



УДК 621. 7: 519.85 В.А. ОГОРОДНИКОВ, А.М. МИКОЛАЙЧУК

Винницкий национальный технический университет

И.А. ДЕРЕВЕНЬКО Винницкий национальный аграрный университет

АНИЗОТРОПНОЕ ПЛАСТИЧЕСКОЕ УПРОЧНЕНИЕ

ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ЗАГОТОВОК Отримано залежність крутного моменту від абсолютного кута закручування анізотропнозміцнених

матеріалів, що проявляють ефект Баушингера, яка дозволяє враховувати анізотропне зміцнення металу при крученні попередньо розтягнутих заготовок. Запропоновано використовувати пластичну деформацію розтягування або стиснення з подальшим закручуванням зміцнюючи обробку заготовок валів, виготовлених з не термообробленого металу.

Dependence of twisting moment is got on the absolute corner of rollup anisotropic – strengthening materials that show the effect of Bauschinger, that allows to take into account the anisotropic strengthening of metal at twisting of the preliminary stretched purveyances. It offers to use the flowage of stretch or compression with a further rollup as strengthening treatment of purveyances of the billows made from the not heattreated metal.

Ключевые слова: крутящий момент, условный предел текучести на сдвиг, анизотропное упрочнение. Вступление. Известно, что одним из факторов технологического наследия в процессах холодной

обработки металлов давлением является упрочнение. В машиностроении применяют различные способы упрочнения – роликовая обкатка, дробеструйная обработка, вибронакатывание, ультразвуковые выглаживания и др. Одним из способов упрочнения можно предложить для деталей типа «вал» пластическим осевым деформированием с последующим закручиванием [1]. Однако в этом случае, необходимо разработать расчетный аппарат, с помощью которого можно оценивать энергосиловые параметры процесса, а также знать степень накопленных деформаций в процессе пластического деформирования.

Задачей данной работы является разработка расчетного аппарата, позволяющего оценивать крутящий момент и степень деформации цилиндрических заготовок различных анизотропно-упрочняющихся материалов, цветных сплавов, малоуглеродистых сталей, аустенитных нержавеющих и др. сталей. При проектировании технологических процессов упрочняющей обработки заготовок валов необходимо знать величину повышенного значения предела текучести на сдвиг τ0,2, который является важной характеристикой прочности металлов.

В данной статье рассматривается задача оценки степени повышения τ0,2 при кручении валов после предварительного их осевого деформирования до некоторой накопленной пластической деформации 0ие . Напряженно-деформированное состояние заготовок при кручении определяем в

цилиндрической системе координат (рис. 1). Основная часть. Компоненты тензора приращений деформаций:

0; 0

2 2rz r z

z z

d d d

d d d

(1)

Рис. 1. Цилиндрический образецв системе координат 1, 2, 3 (z, r, φ) Рис. 2. Схема крученияцилиндрического образца В работе [2] предложено уравнение координат центра поверхности нагружения согласно теории Г.

Бакхауза представить в виде:



2

02

0

1 ( ) 1( ) 1

3 3

ueij ij

ij u u u u u u u uu u

d dee e e e e de

de de

,

(2)

где u ue e

– функция, характеризующая наследственное влияние истории нагружения; ue –

переменная подинтегральной функции.

Функции u ue e , ( )u ue , ue являются инвариантными, не зависящими от вида

напряженного состояния и истории нагружения. Их следует рассматривать как характеристики материала, которые используются в принятой модели.

Уравнения состояния, согласно ассоциированного закона течения, запишем в виде:

3

2u

ij ij ij

u

ded S

, (3)

где u u ue – диаграмма деформирования, учитывающая анизотропию (характеристика

материала). 1 ( )

( )2

uu u u

ee

. (4)

В (4) 0,2ue

– отношение условного предела текучести на сжатие с допуском на

пластическую деформацию eu=0,002 к напряжению растяжения до интенсивности деформации eu. Компоненты девиатора напряжений с учетом (2):

2

20

2 1( ) 1

3 3

ueij ij

ij u u u u u u u uu u

d dS e e e e e de

de de

.

(5)

В условиях свободного кручения вала когда он в зависимости от предварительного нагружения может свободно удлиняться или укорачиваться, компоненты прироста пластических деформаций определяются по формуле (1). Компоненты девиатора напряжений согласно (5) равны:

0

0

0

0; 0,5

2 11 1

3 3

2 11 ,

3 3

zr r r z

z zz u u u u

u u

z zz u u u u u u u

u u

S S S S S

d dS e e e

de de

d dS e e

de de

(6)

где

0 0

, zz

u u

dd

de de

– производные осевых и угловых деформаций в момент начала закручивания.

Компоненты девиатора напряжений:

0,5 .3

zr zS S S

(7)

В начальный момент пластического кручения (e = ε0) касательное напряжение, отвечающее условной границе текучести τ0,2 равно:

0 00,2

3

u e . (8)

Если принять (e0 = εu), то зависимость предела текучести на сдвиг от накопленной интенсивности деформаций предварительного растяжения (сжатия) имеет вид:

0,2

3

u u ue . (9)

Для изотропных материалов 1ue и полученные соотношения приводят к формулам Мизеса.

Оценка условного предела текучести на сдвиг при кручении заготовок после их предварительного растяжения или сжатия до деформации e0 имеет вид:



0 00,2

0

11

13u u

. (10)

Наименьший крутящий момент, при котором в упрочненной цилиндрической заготовке напряжения на контуре r = R при ее закручивании достигнут предела текучести τ0,2, можно рассчитать по формуле сопротивления материалов:

3

0,2 12кр

dМ

. (11)

Подставив в формулу (11) τ0,2 рассчитанную по (10) получим:

30 00

0

11

12 13u

кр

dМ

. (12)

Или если принять (e0 = εu), получим:

3 11

112 3

u uu uкр

u

d e eМ

e

. (13)

Если кривую течения аппроксимировать формулой Людвига:

и иnA , (14)

а eu при кручении рассчитать по формуле (см. рис. 2):

3 2 180 3u

tg de

l

, (15)

то окончательно получим:

3 11

1

123 2 180 3

nu u

uкр

А d dМ

l

e e

e

. (16)

Соотношения (9), (16) можно использовать для оценки эффекта упрочнения при свободном кручении тонкостенных трубок и заготовок сплошного сечения после их предварительного растяжения (сжатия) до накопленной деформации e0.

Формулу (16) проверяли экспериментально. С этой целью изготовили цилиндрические образцы из стали 20 диаметром d=10 мм и длиной рабочей части l = 70 мм. Часть из них предварительно растягивали до интенсивности деформаций e0 = 0,0352, а затем закручивали на угол φ=1800, 3600, 5400, 7200, 9000, 10500 на испытательной машине КМ-50. На рабочую поверхность образца с помощью штангенциркуля наносили продольную риску вдоль образующей цилиндра. Угол γ измеряли с помощью инструментального микроскопа. Крутящий момент при каждом угле поворота φ отсчитывали на делительном устройстве

машины КМ-50. Полученные данные в виде зависимости крМ f показаны на рис. 3.

Рис. 3. Зависимость угла закручивания и крутящего момента предварительно растянутой цилиндрической заготовки стали 20

Штриховая линия соответствует результатам расчета по формуле (16), круглыми точками отмечен

эксперимент. Как следует из рис. 3, сходимость результатов расчета по формуле (16) и экспериментам удовлетворительная.

Для построения кривой течения в области конечных деформаций испытывали цилиндрические образцы на сжатие со смазкой. Методика испытаний изложена в работе [3]. В результате получена кривая течения стали



20. Кривая аппроксимирована уравнением (14). Коэффициенты аппроксимации кривой течения А= 673, n = 0,15. Кроме того построена зависимость β = β (eu), которая получена после испытания цилиндрического образца на растяжение с последующим сжатием [1] (рис. 4). Величина β оказалась равной β = 0,45.

Рис. 4. Зависимость параметра β от предварительной деформации растяжения еu стали 20

Выводы. Таким образом, на основе полученных результатов можно сделать вывод о том, что

пластическую деформацию растяжение либо сжатие с последующим закручиванием можно использовать как упрочняющую обработку заготовок валов, изготовленных из не термообработанного металла. Получена зависимость (16) крутящего момента от абсолютного угла закручивания анизотропно-упрочняющихся материалов проявляющих эффект Баушингера, которая позволяет учитывать анизотропное упрочнение металла при кручении предварительно растянутых заготовок.

Литература

1. Огородніков В.А. Зміцнення валів пластичним деформуванням / В.А. Огородніков, В.Ф.

Середюк, В.Л. Разуваєв // Вісник Вінницького політехнічного інституту. – 1997. – 1 (14). – С. 67– 71. 2. Дель Г.Д. Деформируемость материалов с анизотропным упрочнением. Прикладные задачи

механики сплошных сред / Дель Г.Д. – Воронеж: Изд-во ВГУ, 1988. – 152 с. 3. Огородников В.А. Оценка деформируемости металлов при обработке давлением / Огородников

В.А. – К.: Головне вид-во «Вища школа», 1983. – 175 с. 4. Хван Д.В. Повышение эффективности в обработке металлов давлением / Хван Д.В. – Воронеж:

Изд-во Воронежского университета, 1995. – 224 с.

Надійшла 16.9.2012 р. Рецензент: д.т.н. Нахайчук О.В.

УДК 624.131

О.В. БАГРІЙ, В.В. КОВТУН Хмельницький національний університет

ПЛОСКА ЗАДАЧА МЕХАНІКИ ДИСКРЕТНОГО СЕРЕДОВИЩА

Розглядається постановка плоскої задачі механіки дискретного середовища. Система рівнянь

сформульована аналогічно рівнянням теорії пластичності деформаційного типу, але з особливими законами деформування, які враховують вплив внутрішнього кулонового тертя.

Considered formulation of the plane problem of the mechanics of a discrete environment. The system of equations is formulated similar to equations of the theory of plasticity of strain type, but with the special laws of deformation, which take into account the influence of the internal Coulomb friction.

Ключові слова: дискретне середовище, внутрішнє тертя, плоска деформація, ітераційний алгоритм. Вступ Механіка дискретного середовища розглядає напружено-деформований стан специфічного

середовища, заповненого фізично дискретним матеріалом, у якого відсутня зв’язність. Такий матеріал не сприймає розтягуючі напруження і опирається дії зовнішнього навантаження тільки за рахунок внутрішнього кулонового тертя, яке протидіє взаємному зсуву частинок середовища.

Методи механіки дискретного середовища найчастіше використовуються в механіці ґрунтів, механіці гірських порід, а також для описання технологічних процесів, пов’язаних з переробкою, транспортуванням та зберіганням дискретних матеріалів: піску, щебеню, вугілля, руди, компонентів хімічних виробництв, гранульованих матеріалів, зерна та інших продуктів.

Механіка дискретних середовищ є відносно новою гілкою загальної механіки. На відміну від



статики сипких середовищ [1] вона розглядає середовище не тільки у граничному стані, але й описує його напружено-деформований стан на усіх етапах деформування.

Тому задача оцінки напружено-деформованого стану дискретного середовища на порядок складніша, ніж аналогічні задачі механіки твердого деформівного тіла або статики сипких середовищ.

Дискретне середовище завжди працює в умовах загального тривісного напруженого стану. Деформаційний стан його може бути загальним (тривісним), плоским (двовісним) і простим (одновісним). Найчастіше в інженерній практиці зустрічається двовісний плоско-деформативний стан (плоска деформація). Такий стан виникає, наприклад, в масивах, що контактують з протяжними спорудами: стрічкові фундаменти, підпірні стінки, укоси гірських звалищ та ін. Для оцінки напружено-деформованого стану в цьому випадку необхідно розглянути плоску задачу механіки дискретного середовища.

Метою описаних в статті досліджень є формулювання і розв’язання плоскої задачі механіки дискретного середовища.

Задача полягає у визначенні полів напружень та деформацій при збуренні плоскої області силовими або кінематичними чинниками.

Основні співвідношення задачі Згідно з відомою теоремою механіки деформівного тіла рішення крайової задачі для області з

заданими на її межі умовами буде єдиним, якщо задовольняються три умови: рівноваги, нерозривності деформацій, а також прийняті у розрахунковій моделі закони деформування.

Умови рівноваги для плоскої області описуються в системі ортогональних осей yx,

диференціальними рівняннями

,

yyxy

xxyx

Vxy

Vyx

(1)

де yxxyyx ,,, – напруження в площині деформування;

yx VV , – проекції питомих об’ємних сил на осі координат.

Систему диференціальних рівнянь (1) можна записати одним матричним рівнянням

,VA (2)

де A – матриця диференціального оператора

;0

0

xy

yxA (3)

V, – вектори напружень і об’ємних сил

,

xy

y

x

.

y

x

V

VV

Друга умова – умова нерозривності деформацій (умова суцільності) – зводиться до використання лінійних диференціальний залежностей Коші між переміщеннями u і деформаціями :

;x

uxx

;

y

u yy

,

y

u

x

u xyxy

які у матричній формі набувають вигляду

,uB (4)

де TAB – матриця диференціального оператора;

, u – вектори деформацій і переміщень:

,

xy

y

x

.

y

x

u

uu

Характер рівнянь рівноваги (1) і геометричних рівнянь Коші (4) не залежить від виду матеріалу і вимагає тільки виконання умови “малості деформацій”. Третя ж група рівнянь, що описує фізичні



співвідношення між напруженим і деформованим станами, встановлюється для кожного класу матеріалів шляхом узагальнення результатів експериментальних досліджень.

Для формулювання фізичних рівнянь “напруження – деформації” плоскої задачі механіки дискретних матеріалів авторами проведені випробування зразків сухого еталонного піску на спеціально створених приладах плоскої деформації [2]. Результати лабораторних досліджень представлені у формі інваріантних співвідношень теорії пластичності деформаційного типу або нелінійної теорії пружності

; змGS (5)

,oзмm K (6)

у яких 215.0 S – максимальне дотичне напруження в площині yx, ;

215.0 m – середнє нормальне стискуюче напруження;

21 – максимальна деформація зсуву;

215.0 o – об’ємна деформація.

Рівняння (5) встановлює закон формозміни, а рівняння (6) – закон зміни об’єму дискретного матеріалу.

В обидва рівняння входять змінні деформаційні параметри змG , змK , які за змістом аналогічні

модулю зсуву G і модулю об’ємної деформації K , що використовуються у нелінійній теорії пружності

( 1fG , ofK 2 ), але описуються більш складними залежностями, які відображають особливості

деформування дискретного матеріалу. Для не пружного дискретного матеріалу слід відрізняти активний процес деформування, при якому

залежність (5) описується складною функцією mfS , , що відображає вплив внутрішнього тертя, і

пасивний процес (розвантаження і повторне навантаження), що характеризується умовно сталим модулем зсуву ( constG ). Закон формозміни (5) детально досліджений експериментально. Встановлено, що

залежність модуля зсуву від інваріантів та m напруженого стану для активного процесу деформування

дискретного матеріалу достатньо точно апроксимується дробово-лінійною функцією

,mзм m

nG

(7)

де mn, – експериментальні параметри.

На жаль, встановити аналогічну залежність для модуля об’ємної деформації змK за результатами

експериментів не вдається, оскільки об’ємні деформації o дискретного середовища залежать не тільки від

середнього нормального напруження m , але і від зсувів (прояв дилатансії). В рівняння нелінійної теорії

пружності для спрощення запису вводять декілька взаємозалежних деформаційних параметрів: модуль Юнга, модуль зсуву, модуль об’ємної деформації, коефіцієнт Пуассона, параметр Ляме та ін. Стабільність цих параметрів є різною і потребує спеціального вивчення для кожної групи матеріалів. Мінливість деформаційних параметрів дискретних матеріалів вивчалась авторами статті за спеціально розробленою методикою [4]. Встановлено, що найбільш стабільним параметром є коефіцієнт Пуассона . Якщо вважати

коефіцієнт Пуассона умовно сталою величиною, то змінний модуль об’ємної деформації змK можна

знайти з відомого співвідношення теорії пружності

,1

12

змзм GK (8)

у якому змG описується залежністю (7), встановленою за результатами експериментів на приладах плоскої

деформації [4], а осереднене значення коефіцієнта Пуассона – на оригінальному приладі [5]. Такий підхід дозволяє сформулювати фізичні співвідношення плоскої задачі механіки дискретного

середовища у формі рівнянь узагальненого закону Гука, але зі змінними модулями зсуву і об’ємної деформації

.

.

;2

2

2

2

;2

2

2

2

xyзмxy

yзмзм

xзмзм

y

yзмзм

xзмзм

x

G

GKGK

GKGK

(9)

Систему фізичних рівнянь (9) можна записати одним матричним рівнянням

, змD (10)

у якому змD – матриця змінних деформаційних параметрів



,

00

022

022

2

1

зм

змзмзмзм

змзмзмзм

зм

G

GKGK

GKGK

D

, – вектори напружень і деформацій

,

xy

y

x

.

xy

y

x

Математичне формулювання плоскої задачі механіки дискретного середовища Для формулювання задачі виріжмо з масиву середовища, що працює в умовах плоскої деформації,

розрахункову область O одиничної товщини 1h (рис. 1). Область може мати скінченні розміри або розглядатись як частина нескінченної площини, що обмежена достатньо віддаленим контуром.

Рис. 1. Розрахункова область плоскої задачі

Граничні умови задачі відображають відомі силові чи кінематичні умови на межі області і можуть

бути сформульовані так. На деякій дільниці RS контуру задане зовнішнє навантаження (силові граничні умови), на іншій

дільниці uS – відомі переміщення (кінематичні граничні умови). На частині 0S межі області

переміщення можуть бути нульовими (закріплення області). Закони деформування дискретного матеріалу описуються нелінійними фізичними рівняннями (9). Завдання полягає у знаходженні полів напружень yx, , деформацій yx, і переміщень

yxu , , що відповідають прийнятим законам деформування дискретного середовища та граничним

умовам. Задача зводиться до розв’язання системи матричних рівнянь:

VA – диференціальні рівняння рівноваги (2);

uB – геометричні диференціальні співвідношення Коші (4);

змD – фізичні рівняння для дискретного матеріалу (10),

з урахуванням експериментально одержаних інваріантних нелінійних фізичних співвідношень (7), (8) для визначення змінних деформаційних параметрів змG , змK

;mзм m

nG

,

1

12

змзм GK

а також граничних умов:

SRC – на RS ;

Suu – на uS ;

0u – на 0S ,

де SR – вектор зовнішнього навантаження на межі RS ,



Su – відомі переміщення на межі uS ,

0 – нульові переміщення на межі 0S ,

C – матриця напрямних косинусів

.0

0

ml

lmC

Крім сформульованих умов для дискретного середовища вводиться принципове обмеження щодо неможливості виникнення розтягуючих напружень.

Особливість розглянутої фізично нелінійної задачі полягає в тому, що змінні параметри змG , змK

є функціями, значення яких у кожній точці розрахункової області різні, оскільки залежать від досягнутого в ній рівня напружень m та деформацій . Таку задачу можна класифікувати як фізично нелінійну задачу

неоднорідної області. Для її розв’язання необхідно розробити спеціальні чисельні ітераційні процедури, подібні тим, що використовуються в теорії пластичності.

Для розв’язання нелінійних задач теорії пластичності використовується декілька чисельних методів: метод скінчених різниць, метод скінчених елементів, метод граничних елементів та ін. Аналіз вказаних методів показав, що найбільш ефективно задача механіки дискретного середовища може бути розв’язана методом скінчених елементів з використанням ітераційної процедури змінних жорсткостей [6].

В програмному комплексі, що реалізує ці процедури, враховані принципові відмінності деформування дискретного середовища.

Перш за все, це вибір такої функції форми скінченого елемента, щоб напруження і деформації не змінювались в його межах. Це дозволяє на кожній ітерації корегувати деформаційні параметри для скінченого елемента в цілому, а не для окремих точок.

Другою принциповою особливістю задачі є необхідність врахування об’ємних сил тяжіння. Без цього дискретне середовище не може сприймати зовнішнє навантаження.

На відміну від алгоритмів теорії пластичності, які передбачають на кожній ітерації корегування тільки модуля зсуву G , у розробленому програмному комплексі передбачено корегування двох параметрів дискретного середовища G і K .

Висновки Описані в статті співвідношення і рекомендації формулюють плоску задачу механіки дискретного

середовища, результати розв’язання якої представляють інтерес для різних галузей інженерної механіки.

Література 1. Соколовский В. В. Статика сыпучей среды / Соколовский В. В. – М.: Наука, 1960. – 243 с. 2. Ковтун В. В. Експериментальне обґрунтування вихідних положень механіки дискретного

середовища і визначення розрахункових параметрів моделей / В. В. Ковтун, О. А. Дорофєєв // Вісник Хмельницького національного університету. Технічні науки. – 2011. – 3. – С. 20– 27.

3. Пат. 11675 Україна, МПК (2006) G 01 33/24. Спосіб визначення деформаційних параметрів пористих матеріалів за результатами лабораторних випробувань / заявники Ковтун В. В., Багрій О. В.; власник Хмельн. нац. ун-т. – u 2005 03929; заявл. 25.04.05; опубл. 16.01.06, Бюл. 1. – 3 с.

4. А. с. 1158925 СССР. Прибор для исследования свойств грунта в условиях плоской деформации / В. В. Ковтун, В. Г. Безносюк, Н. А. Мазур (СССР). – Опубл. в Б.И. 1985, 20. – С. 175.

5. Пат. 18390 Україна, МПК (2006) G 01 N 33/24. Пристрій для лабораторних випробувань пористих матеріалів / заявники Ковтун В. В., Багрій О. В.; власник Хмельн. нац. ун-т. – u 2006 03878; заявл. 07.04.06; опубл. 15.11.06, Бюл. 11. – 4 с.

6. Зенкевич О. Метод конечных элементов в технике / Зенкевич О. – М.: Мир, 1975. – 541 с. 7. Ковтун В. В. Программный комплекс для решения задач нелинейной механики грунтов с

помощью ЭВМ / В. В. Ковтун // Современные проблемы нелинейной механики грунтов. – Челябинск, 1985. – С. 136– 137.


Статтю представляє: д.т.н. Ковтун В.В.



УДК 677.055 В.В. ЧАБАН, Б.Ф. ПІПА

Київський національний університет технологій та дизайну

ОПТИМІЗАЦІЯ ПЕРЕХІДНОГО ПРОЦЕСУ

ПРИ ПУСКУ ОСНОВОВ’ЯЗАЛЬНОЇ МАШИНИ Представлено результати досліджень з розробки методу оптимізації перехідного процесу в

основов’язальній машині під час її пуску. Here are results of development researches of the method to optimize transformation process in warpknitting

machine on start. Ключові слова: основов’язальна машина; еквівалентна модель основов’язальної машини, параметри

основов’язальної машини, оптимізація пуску основов’язальної машини. Перспективою підвищення ефективності роботи основов’язальних машин, як відомо [1– 3], є зниження

динамічних навантажень, що виникають під час їх несталого режиму роботи (пуск, гальмування та ін.). Як показують дослідження [4], одним із перспективних і актуальних напрямків зниження

динамічних навантажень у в’язальних машинах, зокрема і у основов’язальних, є оптимізація перехідного процесу пуску.

Об’єктом досліджень обрано процес оптимізації процесу при пуску основов’язальної машини та розробку методу знаходження оптимальних її параметрів, здатних оптимізувати динамічні навантаження, що виникають під час пуску.

При розв’язанні задач, поставлених у даній роботі, були використані сучасні методи теоретичних досліджень, що базуються на теорії динамічних процесів в механічних системах з пружними в’язями.

Завданням досліджень стала розробка методу оптимізації перехідного процесу при пуску основов’язальної машини.

Останнім часом все більшого значення набуває завдання побудови систем, оптимальних за деяким критерієм. Дуже часто в якості такого критерію обирається час перехідного процесу у динамічній системі [5]. У цьому випадку завдання побудови оптимальної системи зводиться до вибору параметрів, при яких час перехідного процесу є мінімальним. При цьому зменшуються втрати, пов’язані з відхиленням від номінального технологічного режиму, підвищується продуктивність машини та якість продукції.

Завдання побудови системи, оптимальної за швидкодією в просторі параметрів, розглядається в монографії [6] на основі інтегральних методів.

Однак можна вказати більш простий шлях отримання умов оптимальності, використовуючи операційний метод розв’язання диференціальних рівнянь перехідного процесу [7, 8]. Виконаємо аналіз параметрів основов’язальної машини, з метою оптимізації перехідного процесу з затухання. Ступінь впливу всіх механізмів петлетворення на швидкість затухання перехідного процесу є абсолютно однаковим. Тому, для спрощення розв’язку задачі оптимізації основов’язальну машину доцільно привести до тримсової еквівалентної моделі з першою ведучою масою [4].

У цьому випадку диференціальні рівняння руху, що описують перехідний процес, мають вигляд [9]:

02112211211 )(C)(KI ;

0211232232112322322 )(C)(C)(K)(KI ; (1)

03223322333 )(C)(KI ,

де 321 I,I,I – приведені моменти інерції обертових мас електродвигуна, головного валу та механізмів

петлетворення відповідно;

2312 C,C – приведені жорсткості клинопасової передачі і пружних в’язей приводу механізмів

петлетворення відповідно;

321 ,, – кутові переміщення відповідних мас основов’язальної машини в період пуску;

2312 K,K – коефіцієнти загасання нестаціонарних коливань головного валу і механізмів

петлетворення відповідно. Враховуючи, що ,M)(C 122112 ,M)(C 233223

систему рівнянь (1) можна привести до вигляду:

0232

1212

21

211223

232

122312

21

211212

M

I

CM

II

IICM

CI

CKM

II

IIKM ;

0122

2323

32

322312

122

231223

32

322323

M

I

CM

II

IICM

CI

CKM

II

IIKM . (2)

Оскільки початкові умови не впливають на швидкість загасання перехідного процесу, то можна вважати:



.)(M)(M)(M)(M 00000 23231212 (3)

Перейдемо в системі рівнянь (2) до зображень по Лапласу [10]. Позначимо:

.,,,,j),t(Mp)t(M j)j( 43210 (4)

Тоді рівняння (2) в зображеннях по Лапласу запишуться:

.)p(MI

C)p(M

II

IIC)p(pM

CI

CK)p(pM

II

IIK)p(Mp

;)p(MI

C)p(M

II

IIC)p(pM

CI

CK)p(pM

II

IIK)p(Mp

0

0

122

2323

32

322312

122

231223

32

232323

2

232

1212

21

211223

232

122312

21

211212

2

(5)

Отримана система рівнянь, на відміну від вихідних диференціальних рівнянь (2), є алгебраїчною відносно зображень )p(M12 і )p(M 23 .

Виключаючи з (5) зображення )p(M 23 , для моменту )p(M12 отримуємо:

012432

23

14 )p(M)apapapap( , (6)

де

.III

IIICCa

;III

III)CKCK(a

;III

IIIKK

II

IIC

II

IICa

;II

IIK

II

IIKa

321

32123124

321

321122323123

321

3212312

32

3223

21

21122

32

3223

21

21121

(7)

Для подальших перетворень зручно зробити заміну змінної:

,e)t(y)t(M t12 (8)

де – позитивний параметр, що визначає затухання координати 12M .

Очевидно, що для обмеженої функції )t(y :

N)t(y , (9)

де N – деяка позитивна константа.

Для якнайшвидшого затухання перехідного процесу по координаті 12M потрібно вибрати

коефіцієнти рівняння руху такими, щоб параметр був максимальним (8) і була виконана нерівність (9). З урахуванням умови (8) по теоремі зсуву [11], запишемо для зображень похідних (4):

).p(Yp)p(Mp)t(M jj)j( (10)

Підставляючи співвідношення (9) в рівняння (6), отримуємо:

0432

23

14 )p(Y)apapapap( . (11)

Позначимо, qp .

Звідки: qp . (12)

З урахуванням виразу (12) рівняння (11) після деяких перетворень приймає вигляд:

0432

23

14 )q(Y)bqbqbqbq( . (13)

де

.aaaab

;aaab

;aab

;ab

431

22344

321233

2122

11

432

63

4

(14)

Зажадаємо, щоб розв’язання однорідного рівняння (13) було стійким. Для визначення умов стійкості скористаємося критерієм Рауса-Гурвіца [11], згідно з яким необхідно, щоб усі коефіцієнти рівняння (12) були б строго позитивними, тобто:

.b,b,b,b 0000 4321 (15)

З виразу для коефіцієнта 1b (14) і умов (15) випливає, що максимальне значення буде при



.b 01 (16)Звідки:

41a

max . (17)

Однак це призводить до порушення необхідних умов стійкості (15) рішення )t(y . Тим не менш,

можна отримати стійке рішення )t(y , якщо вимагати, щоб корні характеристичного рівняння (13) були

чисто уявними. Для цього, як відомо за теоремою Безу, необхідно, щоб коефіцієнти при непарних ступенях були рівні нулю, тобто 03 b . Тоді рівняння (13) приймає вигляд:

.)q(Y)bqbq( 042

24 (18)

При цьому коефіцієнти з парними індексами повинні задовольняти наступному співвідношенню [6]:

.b

b

4

122

4

Таким чином, умовами оптимальності системи по затуханню будуть:

01 b ; 03 b ; 224 4

1bb . (19)

За даними рівнянь (7), (14), (17) за умови (19), після перетворень (відкидаючи члени високого ступеня малості, так як ii CK ), отримуємо:

.)II

II(CK)

II

II(CK)

IIII

III)(CKCK( 0

1 2

32

322323

2

21

2112122

2321

32112232312

Звідки випливає:

2

21

21122

2321

32123

22321

32112

2

32

3223

2312 1

1

)II

II(K)

IIII

III(K

)IIII

III(K)

II

II(K

CC

. (20)

Оскільки 00 2312 C,C , то:

,)II

II(K)

IIII

III(K

;)IIII

III(K)

II

II(K

01

01

2

21

21122

2321

32123

22321

32112

2

32

3223

(21)

або

.)II

II(K)

IIII

III(K

;)IIII

III(K)

II

II(K

01

01

2

21

21122

2321

32123

22321

32112

2

32

3223

(22)

Для дотримання нерівностей (21), (22) необхідно виконання умови:

.IIII

III0

122321

321

(23)

Це означає, що 1I не може бути вибрано як завгодно малим в порівнянні з 2I і 3I . Величина 1I

повинна визначатися співвідношенням:

.III 321

111 (24)

Оскільки в сучасних швидкохідних основов’язальних машинах має місце умова 312 III ,

запропонована умова оптимальності системи по затуханню (24) відповідає тенденції сучасного основов’язального машинобудування – зменшення моментів інерції механізмів петлетворення.

Висновки З метою розробки оптимальної по затуханню перехідного процесу конструкції основов’язальної

машини, доцільно:

- збільшувати момент інерції ( 1I ) ведучої маси системи (ротор двигуна, шків пасової передачі та ін.);

- зменшувати момент інерції 3I механізмів петлетворення;

- момент інерції головного валу 2I повинен бути обраний таким, щоб виконувалася умова (24);



- співвідношення жорсткостей 2312 C,C повинні задовольняти умову (20).


1. Гарбарук В.Н. Проектирование трикотажных машин / Гарбарук В.Н. – Л.: Машиностроение,

1980. – 472 с. 2. Хомяк О.Н. Повышение эффективности работы вязальных машин / О.Н. Хомяк, Б.Ф. Пипа. – М.:

Легпромбытиздат, 1990. – 209 с. 3. Чабан В.В. Наукові основи проектування пристроїв натягу ниток основи машин легкої

промисловості / Чабан В.В. – К.: КНУТД, 2010. – 180 с. 4. Сердюк В.П. Расчет приводов машин легкой промышленности / Сердюк В.П. – К.: Техніка, 1978.

– 232 с. 5. Симин С.Х. Быстроходные основовязальные машины / Симин С.Х. – М.: Гизлегпром, 1955. – 159 с. 6. Голубенцев А.Н. Интегральные методы в динамике / Голубенцев А.Н. – К.: Техніка, 1967. – 350 с. 7. Дёч Г. Преобразование Лапласа и z-преобразование / Дёч Г. – М.: Наука, 1971. – 288 с. 8. Штокало И.З. Операционные методы и их развитие в теории линейных дифференциальных

уравнений с переменными коэффициентами / Штокало И.З. – К.: Изд. АН УССР, 1961. – 128 с. 9. Кожевников С.Н. Динамика машин с упругими звеньями / Кожевников С.Н. – К.: Изд-во АН

УСССР, 1961. – 190 с. 10. Демидович Б. П. Основы вычислительной математики / Б. П. Демидович, И. А. Марон. – М.:

Физматгиз, 1963. – 660 с. 11. Беллман Р. Введение в теорию матриц / Беллман Р. – М.: Наука, 1969. – 368 с.

Надійшла 18.9.2012 р. Рецензент: д.т.н. Місяць В.П.

УДК 687.053

П.Г. КАПУСТЕНСЬКИЙ, Е.А. МАНЗЮК Хмельницький національний університет

ТРАНСПОРТУЮЧІ СИСТЕМИ ШВЕЙНИХ МАШИН ТА ЇХ РОБОТА Проведено аналіз механізмів транспортування швейних матеріалів та їх використання в швейному

обладнанні. Встановлено технологічні умови використання конкретних конструкційних рішень та запропоновано ряд систем для покращення умов транспортування. Визначено специфіку та особливості технологій шиття широкого спектру швейних матеріалів із застосуванням транспортуючих систем.

The analysis of the mechanisms of transport of sewing materials and their use in apparel equipped. The technological conditions of use specific structural solutions and proposed a number of systems to improve transportation conditions. Determined the specific features and technologies of sewing a wide range of sewing materials using transporting systems.

Ключові слова: транспортування швейних матеріалів, зубчата рейка.

Постановка проблеми Переважна більшість швейних машин використовує рейковий нижній одинарний пересувач

тканини. Завдяки складному руху [1– 3] зубчатий транспортер в прорізі голкової пластини притискує матеріал до лапки і пересуває його на величину стібка. В рейковому пересувачі можливі регулювання сили притискної пружини механізму лапки, висоти підйому лапки, величини підйому зубців рейки над голковою пластиною і переміщення матеріалу на величину стібка.

Рис. 1. Схема одинарного рейкового механізму: 1 − голкова пластина;

2 – зубчатий пересувач; 3 – нижній шар тканини; 4 – верхній шар тканини; 5 – голка

Механізм запобігає утворенню складок в матеріалі при затягуванні стібка (рис. 1). Однак, такий механізм викликає необхідність вручну контролювати переміщення матеріалів, що зшиваються під голкою, в іншому випадку матеріал самовільно розвертається вліво відносно голки.

Аналіз останніх досліджень і публікацій Забезпечення відповідної якості, точності і зручності

виконання технологічних операцій ускладнюється за рахунок можливості, в даному випадку, лише мануального контролю, оскільки оператору необхідно здійснювати зупинки машини і вирівнювати тканину як в поздовжньому, так і в поперечному напрямку [1– 4]. При переміщені під голкою матеріалів, які складені в два і більше шарів, рейка зубцями фактично захоплює тільки один нижній шар. В результаті, хоча матеріали зшиті між собою попередніми стібками, нижній їх шар переміщується на



більшу величину ніж верхній. Має місце «припосадження» або «посадка». Формулювання цілі статі

Проведення досліджень в напрямку розробки технічних рішень транспортуючих систем швейних машин, які враховують специфіку та особливості технології шиття широкого спектру матеріалів та дозволяють забезпечити належний рівень технологічності сучасного обладнання.

Виклад основного матеріалу В загальному посадка матеріалів − це зміщення одного шару

тканини відносні іншого в процесі її пересування. Посадка пояснюється тим, що нижній і верхній матеріали пересуваються під дією на них різних сил (рис. 2). На рисунку: 1N − сила тиску на

тканину притискної лапки; 2N − сила тиску рейки на матеріал, що

створюється спіральною, циліндричною або пластинчатою пружинами механізму лапки і залежить від її величини; 1F − сила тертя між

лапкою і матеріалом; 2F − сила тертя між шарами матеріалів;

3F − сила тертя між матеріалом і рейкою.

Рис. 2. Схема дій сил при переміщені

матеріалів

В процесі роботи машини NNN 21 , N = 1,5 … 5кг [1]

NfF 11 ; NfF 33 , (1)

де 1f − коефіцієнт тертя між притискною лапкою та матеріалом;

3f − коефіцієнт зчеплення зубців рейки з тканиною, залежить від виду матеріалу (0,5 … 1,3).

На верхній матеріал зі сторони нижнього діє сила 2F , що заставляє рухатися верхній матеріал, але

перешкоджає руху нижнього

NfF 22 , (2)

де 2f − коефіцієнт тертя між тканинами (0,4 … 1).

В загальному випадку сила тертя, що діє між тілами

fFvFт , (3)

де f − коефіцієнт тертя;

v − швидкість відносного переміщення тіл. Сила, яка рухає верхній шар тканини

NffFFF мвр )( 1212.. . (4)

Сила, яка рухає нижній шар матеріалу

NffFFF мнр )( 2323.. . (5)

Якщо сила тертя між матеріалами велика, що характерно для матеріалів з натуральних волоком, то подача матеріалів здійснюється як одне ціле. Посадка практично відсутня.

В синтетичних матеріалах сила тертя мала, тому нижній шар матеріалу пересувається у відповідності заданої строчки, а верхній відстає, виникає посадка.

Причини посадки нижньої тканини доволі різноманітні. Сили 1F і 2F за величиною повинні бути

досить великими для подолання 3F , а також сили тертя між матеріалами і платформою машини, сили

інерції, маси матеріалу який транспортується, опору набігання матеріалу та інших причин на які впливає

коефіцієнти тертя 1f , 2f . Тиск лапки повинен бути оптимальний, щоб виключити можливість

проковзування рейки і пошкодження матеріалу її зубцями. Основні причини посадки: 1. Розтягування верхньої тканини при набіганні її під лапку. При переміщені верхня тканина

стикаючись з поверхнею підошви лапки затримується силою тертя в результаті чого верхня тканина розтягується а нижня проковзується.

2. Деформація (згинання) нижньої тканини зубцями рейки, відбувається коли товщина нижньої тканини менша верхньої.

3. Проковзування нижньої тканини відносно верхньої відбувається при великих швидкостях роботи машини, в результаті довжина стібків строчки різна по її довжині. Пояснюється тим, що після закінчення робочого ходу рейки матеріал переміщується за інерцією.

4. Посадка інколи залежить від провисання матеріалу між зубцями рейки. Фактично на відрізку між останнім переплетенням ниток і найбільш віддаленим від зубців рейки деталь транспортується рейкою, збирається і розтягується.

При обробці тканини з великим вмістом штучних та синтетичних волокон особливо проявляється



посадка, це вкрай не бажано, тому що в швах виробу випрасувати посадку фактично не вдається. Це негативно впливає на якість виробу. Використовується технологія верхнього і нижнього транспортера [4].

Рис. 3. Конструкція механізму

транспортування ускладнена: 1 − верхній зубчатий транспортер; 2 – притискна лапка;

3 – нижня зубчата рейка

Під час транспортування тканини нижня зубчата рейка 3 (рис. 3) піднімається над голковою пластиною та переміщує тканину сумісно з верхнім зубчатим транспортером 1. Притискна лапка 2 в цей період піднімається на величину більшу за товщину тканини, що зшивається. Коли переміщення завершується, притискна лапка 2 опускається, зубчата рейка 3 також опускається нижче голкової пластини, а зубчатий верхній транспортер 1 підіймається. Можливі такі співвідношення між довжинами переміщення рейок:

21 tt − аналог переміщення однією рейкою;

21 tt − нижній шар збирається;

21 tt − нижній шар розтягується.

(6)

Для усунення посадки використовують ряд інших інженерних рішень. Комбіноване транспортування матеріалу здійснюється одночасним переміщенням рейки і відхиленням голки вздовж строчки, при цьому голка знаходиться в крайньому

нижньому положенні (рис. 4). Усунення посадки матеріалів досягається тим, що під час подачі матеріалів шари фіксуються і голка допомагає рейці переміщувати матеріал за рахунок додаткового зворотно-поворотного руху, який вона отримує від механізму переміщення рейки по горизонталі. Голковий отвір розташовується безпосередньо в рейці, а не в голковій пластині як в звичайній машині. Машини які мають такі і інші рішення називаються машинами безпосадочного шва (строчки). Однак в розглянутому випадку посадка нижнього шару тканини при цьому значно зменшується але внаслідок деформації тканини повністю не усувається.

Для формування нормальної структури стібка і зшивання матеріалів, які легко деформуються, якісною строчкою човникового стібка, використовують диференційний механізм переміщення, який складається з двох окремих рейок, що розміщуються з однієї сторони − знизу (рис. 5).

Рис. 4. Безпосадочний механізм: 1 − голкова пластина;

2 – зубчатий пересувач; 3 – нижній шар тканини; 4 – верхній шар тканини; 5 – голка

Рис. 5. Диференційний механізм переміщення матеріалів:

1 – основна рейка; 2 – допоміжна рейка В загальному випадку перша, основна, 1 підштовхує матеріал під лапку, друга, допоміжна, 2

виводить його з-під лапки. Рейки можуть бути встановлені на різних відстанях одна від одної як перед голкою так і за нею. Відношення значень горизонтальних і вертикальних переміщень основної і додаткової рейок диференційного механізму менше одиниці [2, 3, 6]. Диференційний механізм переміщення матеріалів використовується в швейних машинах для виготовлення виробів з матеріалів середньої товщини, що містять синтетичні волокна, а також трикотажних матеріалів.

При зшиванні тканин, що містять синтетичні нитки, наприклад, лавсан, з’являється як посадка нижньої тканини, так і стягування верхнього і нижнього шарів. В цьому випадку на ділянці між рейками необхідна релаксація після розтягування, що досягається подачею тканини основною рейкою 1 на більшу довжину ніж додатковою 2 (машини човникового стібка).

При зшиванні еластичних матеріалів, наприклад, трикотажні полотна (обметувальні машини), внаслідок тертя між лапкою і полотном, воно розтягується і в такому стані скріплюється нитками. Після виходу з під лапки полотно збігається. Для усунення цього недоліку додатковій рейці надають більше переміщення ніж основній і розтягування усувається.

Диференційний регульований механізм з верхнім пересувачем транспортування тканини дає бажані результати (отримання безпосадочного шва) але в свою чергу накладає суттєві конструктивні ускладнення на механізм переміщення і відповідно підвищує складність його виготовлення і обслуговування [3, 4].

При зшиванні тканин, які містять синтетичні волокна використовують механізми із зміненою



конструкцією лапки і рейки. Лапка видовжена від класичної на 6 мм, а задні зубці виконані вище від передніх на 1,2 мм. На передній частині голкової пластини нанесена зубчата насічка. При роботі транспортера передні зубці рейки не виходять вище товщини голкової пластини. Передня частина лапки притискує матеріал до зубчатої насічки голкової пластини і створює гальмування нижнього шару, матеріал розтягується, посадка зменшується [6].

В машинах з одинарною рейкою використовують коливні лапки, які мають підошву шарнірно з’єднану з основою. При виконанні строчок через поперечні шви і потовщені місця частина (передня) підошви лапки підіймається і забезпечує вільний прохід тканини під лапкою. Використовуються лапки, які в своїй підошві мають ролики, що легко обертаються (рис. 6). Тим самим забезпечується переміщення різних матеріалів (покритими плівками, дубльовані, синтетичні). Використання конструкції лапки з рухомим сегментним з’єднанням із пластинчатою пружиною дозволяє удосконалити конструкцію притискної лапки, що забезпечує адаптацію роликів до поверхні тканини, гладку та однорідну подачу тканини, її розрівнювання незалежно від шорсткості, структури, геометрії поверхні тканини та її пошкодженості [7– 9].

Для отримання потайної строчки одинарна зубчата рейка розташовується над матеріалом під голковою пластиною з двома шарнірними лапками. Траєкторія рейки аналогічна універсальним машинам. В технології роботи таких машин використовується видавлювач, який своїм додатковим транспортуючим зубом допомагає рейці переміщувати тканину при його повороті проти годинникової стрілки, забезпечується процес стискування його з матеріалом і виключається його провисання.

Рис. 6. Притискна лапка швейної машини:

1 − стійка; 2 − пружина; 3 − підпружинена підошва; 4 − гвинт; 5 − пластинчата пружина; 6 − фіксатор; 7 − ролик

В машинах з роликовим транспортером матеріали не притискаються в зоні проколювання їх голкою і під час затягування стібка. Поліпшує цей процес використання тягнучих валиків, які розташовуються після рейкового механізму. Нижній валик (ролик) від механізму рейки здійснює перервний рух, верхній є звичайна обертова лапка. В машинах однониткового ланцюгового краєобметувального стібка для зшивання хутра використовується механізм з двома дисками, що розташовуються в горизонтальній поверхні, один з яких є ведучим.

При зшиванні важких матеріалів використовується в краєобметувальних машинах транспортна система рейкового механізму з додатковою стрічкою і відповідними роликовими напрямними. З метою синхронізації переміщення матеріалу стрічкова система з’єднується з механізмом горизонтальних переміщень зубчатої рейки.

Для удосконалення процесу отримання якісної строчки на машинах з рейковим транспортером використовують додаткові системи, пристрої. При вшиванні рукава в пройму, використовують механізм транспортера з посадкою нижнього шару тканини. Механізм складається з нижньої і верхньої зубчатої рейки та притискної лапки. Нижня рейка подає матеріал на довжину стібка, верхня рейка подає верхній матеріал на довжину стібка, який регулюється в широкому діапазоні в процесі зшивання. Коли рейка переміщує матеріал, притискна лапка піднімається і знову опускається на матеріал відразу після того як тільки рейка припиняє транспортувати матеріал. З метою зменшення коефіцієнта тертя між матеріалами використовується металева розмежувальна пластина.

Оптимальне вшивання рукавів з використанням нової системи роликових транспортерів, які індивідуально приводяться в рух за допомогою крокового двигуна нижнього і верхнього транспортера (рис. 7). Оброблюються різні матеріали, від підкладочних до важких. Вшивання рукавів передбачено без попередньої посадки. Обробка посадки визначається оператором і регулюється за допомогою педалі. Поверхня ролика має спеціальне покриття. В таких системах мала притискна поверхня ролика. При зшиванні м’яких матеріалів разом з голкою можливе піднімання і тканини. Утворення петлі-напуску біля вушка голки погіршується, що призводить до пропусків стібка, а при затягуванні стібка «збирання» шарів матеріалу. Для уникнення пропуску стібка і інших недоліків в зону проколювання вводяться додаткові пружини.

Рис. 7. Роликовий транспортер Унікальною технологією високоякісної обробки чоловічого піджака є колонкова машина

двохниткового стібка з переривистим нижнім стрічковим та верхнім стрічковим транспортером (рис. 8). Стрічковий транспортер використовується для усіх видів матеріалів. Завдяки своєму коловому руху, він працює дуже спокійно, не спостерігається ніяких пошкоджень матеріалу, навіть дуже тонкого. Верхній стрічковий транспортер без утруднень проходить поперечні шви, оснащений двома стрічками, що рухається паралельно, стрічка праворуч від голки рухається трішки швидше для ліпшого транспортування тканини на



закругленнях оката рукава. Для виконання строчок по краям деталей або безперервного

виконання ряду інших технологічних операцій (безпосадочні операції, операції припосадження), деталі виробів затискуються між пластинами в спеціальних направляючих, які працюють від пневмосистем (рис. 9). Пристрій-напрямляч встановлюється перед зоною утворення переплетення (стібків) і забезпечує суміщення пружків деталей перед подачею під голку машини.

Робоча частина пристрою складається з нижньої основної пластини 1, верхньої 3 і проміжної 2, між якими розміщується тканина 4. Пластини виготовлені з пружного матеріалу. Для забезпечення вирівнювання країв в основній пластині 1 закріплені стержні вирівнювачі. Створення диференційного регулювання сили притискування шарів тканини забезпечується передбаченими регуляторами тиску пружного типу. Суміщення деталей відносно пластин і напрямляча здійснюється струменем повітря. Розведення пластин в вертикальні площині забезпечує електромагнітна система.

Висновки 1. Різноманіття рейкових пересувачів тканини поліпшує

технологічні умови роботи на швейних машинах. 2. Конструкції сприяють встановленню різних систем малої

механізації. 3. Використання різних пересувачів тканини дає можливість

створення спеціалізованих машин. 4. Транспортуючі системи дають можливість підвищити

продуктивність праці, якість продукції, усувають недоліки технологій шиття.

5. Системи транспортування дозволяють розробляти машини-напівавтомати, наприклад для використання зшивних строчок по краям деталей (клапанів, манжет, комірів).

6. Спеціальні пристрої з пневматичними системами є частиною нових систем для монтажного шиття, як закінчена система − модуль, що відповідає сучасним технічним вимогам.

Перспективи подальших розвідок Розвиток систем транспортування обумовлюється еволюцією

швейного обладнання та його подальшою спеціалізацією. Удосконалення цих систем та розробка нових підходів до проектування є необхідною умовою їх розвитку.

Рис. 8. Стрічковий транспортер

Рис. 9. Механізм переміщення

матеріалів із зубчатою рейкою та пневматичним пристроєм:

1 – основна пластина; 2 – проміжна пластина; 3 − верхня пластина;

4 – тканина


1. Технология швейных изделий: [учеб. для вузов] / А.В. Савостицкий, Е.Х. Меликов, И.А.

Куликова; под ред. А.В. Савостицкого. − М.: Лег. индустрия, 1971. − 600 с. 2. Проектированиt и расчёт обувных и швейных производств / [Комисаров А.И., Жуков В.В.,

Никифоров В.М., Сторожев] В.В.; под редакцией А.И. Комисарова. – М.: Машиностроение, 1976. – 431с. 3. Сторожев В.В. Машины и аппараты лёгкой промышлености: [учебник для студ. высш. учеб.

заведений] / Сторожев В.В. – М.: Издательский центр «Академия», 2010 – 400 с. 4. Проспект PFAFF, Transportarten der Pfaff-Schnellnдher und Spezialschnellnдher, 2004. 5. Манзюк Е.А. Проектування рейкових систем транспортування виробів швейної машини // Е.А.

Манзюк, П.Г. Капустенський // Вісник Хмельницького національного університету. – 2008. – 2. − C. 49– 52. 6. Червяков Ф.И. Швейные машины / Ф.И. Червяков, А.А. Николаенко. – М.: Машиностроение,

1976. – 415 с. 7. Пат. 35917 Україна, МПК D 05 B 29/00. Притискна лапка швейної машини / Е. А. Манзюк, П. Г.

Капустенський; заявник і патентовласник Хмельниц. нац. ун-т. – u 2008 05525; заявл. 29.04.2008; опубл. 10.10.2008, Бюл. 19.

8. Пат. 35918 Україна, МПК D 05 B 29/00. Притискна лапка швейної машини / Е. А. Манзюк, П. Г. Капустенський; заявник і патентовласник Хмельниц. нац. ун-т. – u 2008 05526; заявл. 29.04.2008; опубл. 10.10.2008, Бюл. 19.

9. Пат. 35941 Україна, МПК D 05 B 29/00. Притискна лапка швейної машини / Е. А. Манзюк, П. Г. Капустенський; заявник і патентовласник Хмельниц. нац. ун-т. – u 2008 05681; заявл. 30.04.2008; опубл. 10.10.2008, Бюл. 19.

Надійшла 16.9.2012 р. Рецензент: д.т.н. Сорокатий Р.В.



УДК 621.793.6 В.Є. ЛЮБИМОВ, К.А. ПАРШЕНКО

Хмельницький національний університет

АНАЛІЗ ДИНАМІКИ ТА СТАНУ ВИРОБНИЧОГО ТРАВМАТИЗМУ

У ПРОМИСЛОВОСТІ ЗА ПЕРШЕ ПІВРІЧЧЯ 2012 РОКУ Наведені результати дослідження динаміки та стану виробничого травматизму у промисловості за

перше півріччя 2012 року порівняно з аналогічним періодом 2011 року. Зазначено, що поруч з позитивними змінами у динаміці рівня виробничого травматизму, існує ряд проблем, які потребують втручання держави і відповідних органів державного нагляду за охороною праці. Наприклад, зростання смертельних випадків виробничого травматизму в переважній більшості галузей України вказує на те, що поза межами обліку знаходиться значна частина виробничого травматизму з легким наслідком.

The results of the study of the dynamics and injuries in the industry for the first half of 2012 compared with the same period in 2011. It is noted that a number of positive changes in the dynamics of the level of occupational injuries, there are a number of problems that require state intervention and the relevant organs of state oversight of safety. For example, the growth of fatal occupational injuries in most areas of Ukraine indicates that the outside is keeping much of slight injuries of consequence.

Ключові слова: рівень виробничого травматизму, експертиза проектів, авторський нагляд. Останнім часом в України спостерігається тенденція, спрощення дозвільної документації та

експертизи проектів у промисловості та, зокрема, у будівельній галузі. Це є цілком зрозумілим на фоні зменшення загальних показників виробничого травматизму, що підтверджується як офіційними джерелами [1], так і незалежними дослідженнями [2]. Прийнятий Верховною Радою України новий закон про регулювання містобудівної діяльності цілком відображає сучасний стан виробничого травматизму та професійних захворювань в України.

Проте, чи сприяє прийняття нового закону підвищенню безпеки під час проведення будівельних робіт?

Аналіз стану виробничого травматизму в будівельній галузі за 2010 – початок 2012 року свідчить про неоднозначність такого твердження. Офіційні дані показують, що галузь будівництва за даними 2011 року увійшла в перелік галузей, у яких спостерігається збільшення загального рівня травматизму (табл. 1).

Також збільшення рівня загального травматизму спостерігається на підприємствах таких галузей виробництва: нафтогазовидобувна та геологорозвідка (+10 осіб); котлонагляд, підйомні споруди (+6 осіб); зв’язок (+9 осіб); газова промисловість (+15 осіб); легка та текстильна промисловість (+3 особи).

Збільшення рівня смертельного травматизму відбулось на підприємствах таких галузей виробництва: вугільна (+30); гірничорудна та нерудна (+1); будівництво (+5); транспорт (+6); газова промисловість (+2); житлокомунгосп (+11); агропромисловий комплекс (+21). Що загалом призвело до збільшення рівня смертельного травматизму на 41 особу [1].

Що стосується регіонів України, то протягом 9 міс. 2011 р. рівень загального травматизму зріс в 6 областях: Житомирській, Вінницькій, Чернівецькій, Херсонській, Закарпатській областях і Київській області та м. Києві. Рівень смертельного травматизму за зазначений період зріс у 15 регіонах України, при цьому найбільший рівень відмічається в Івано-Франківській (+67 %), Вінницькій (+56 %), Хмельницькій (+45 %) областях. В інших областях спостерігається позитивна тенденція зменшення випадків загального травматизму (табл. 2). Найбільше зниження загального травматизму в Одеській та Сумській областях (на 30 %).

Проведений за даними роботи [4] аналіз нещасних випадків дає можливість класифікувати три основних види причин виробничого травматизму:

- організаційні – погана організація робіт на будівельному майданчику, недостатнє навчання працівників, відсутність необхідного спостереження за проведенням робіт, порушення технології виробництва, порушення режиму праці та відпочинку, використання працівників не за спеціальністю (≈ 55 % випадків);

- технічні – несправний стан лісів, пристроїв та інструменту, а також конструктивні недоліки машин, механізмів, вантажозахватних засобів, будівельних конструкцій і устаткування (≈ 35 % нещасних випадків);

- психофізіологічні та інші – недостатня увага до виконання роботи, послаблення контролю робітників за своєю діяльністю (≈ 10 % нещасних випадків).

Аналіз показує, що більшість нещасних випадків відбувається з організаційних причин, які потрібно усунути силами самих організацій.

Всі перераховані причини травматизму включають в себе такі основні чинники травматизму.



Таблиця 1 Відомості про стан виробничого травматизму за 12 місяців 2011 року за галузями нагляду (осіб) [1]

2011 рік 2010 рік Різниця, + - Галузь нагляду

Всього в т.ч. "См"



Вугільна 4255 161 4888 131 -633 30 Гірничорудна та нерудна 276 16 354 15 -78 1 Нафтогазовидобувна та геологорозвідка

31 2 21 3 10 -1

Енергетика 157 21 202 31 -45 -10 Будівництво 493 77 477 72 16 5 Котлонагляд, підйомні споруди 37 11 31 11 6 0 Машинобудування 969 27 1010 31 -41 -4 Металургійна 520 21 628 27 -108 -6 Хімічна 219 14 252 20 -33 -6 Транспорт 580 80 586 74 -6 6 Зв’язок 92 3 83 4 9 -1 Газова промисловість 67 5 52 3 15 2 Житлокомунгосп 279 22 292 11 -13 11 Агропромисловий комплекс 1066 123 1102 102 -36 21 Деревообробна промисловість 126 5 131 10 -5 -5 Легка та текстильна промисловість 40 1 37 3 3 -2 Соціально-культурна сфера та торгівля 1450 96 1552 96 -102 0 Разом 10657 685 11698 644 -1041 41

Організаційні причини: 1) недостатній нагляд з боку ІТП – 17 %; 2) відсутність або недостатнє навчання з безпечних методів робіт – 7 %; 3) допуск до виконання робіт без огороджень і засобів індивідуального захисту – 10 %; 4) відсутність спеціально позначеної небезпечної зони – 4 %; 5) низький рівень виробничої і трудової дисципліни – 17 %; 6) відсутність інвентарних кріплень – 7 %; 7) недостатнє освітлення робочого місця – 7 %. Технічні причини: 1) несправність засобів підмощування – 7 %; 2) порушення технологічного процесу – 10 %; 3) інші – 4 %. Психофізіологічні причини: 1) уповільнена реакція на небезпеку – 7 %; 2) неуважність постраждалих – 2 %; 3) інші – 1 %. Таким чином, аналіз факторів травматизму показав, що більшість нещасних випадків відбувається в

результаті недостатнього технічного нагляду з боку ІТП, необізнаності безпечним методам робіт, через низький рівень виробничої та трудової дисципліни.

За даними [5] за 2011 рік отримали травми на виробництві у стані алкогольного сп’яніння 203 особи (біля 1,74 % від загальної кількості травмованих по Україні), що вдвічі більше за показник 2010 року (104 особи), при цьому порівняно з минулим роком збільшилась і кількість осіб, що отримали травми зі смертельним наслідком, перебуваючи у стані алкогольного сп’яніння (з 58 до 78).

Така ситуація відмічалась, зокрема, у таких галузях та видах робіт за професійним ризиком: - вирощування зернових та технічних культур – 25 осіб; - загальне будівництво будівель – 18 осіб; - підземне видобування кам’яного вугілля – 10 осіб. За 2011 рік рівень виробничого травматизму за віковою ознакою розподілився таким чином: - віком від 40 до 50 років – 3057 травмованих осіб, або 26 % від загальної кількості по Україні; - віком від 30 до 40 років – 2739 осіб (23 %); - віком від 50 до 60 років – 2571 особа (22 %); - віком від 20 до 30 років – 2385 осіб (20 %). Найвищий рівень виробничого травматизму спостерігається серед працівників віком від 40 до 50

років, незважаючи на їх професіональний досвід, знання норм та правил охорони праці. За 9 міс. 2011 р. порівняно з аналогічним періодом минулого року коефіцієнт тяжкості загального

травматизму на виробництві збільшився майже не 20 % і досяг рівня майже 30 днів непрацездатності на одного травмованого, що є найбільшим значенням за весь час спостережень. На значне зростання



коефіцієнту тяжкості на виробництві вплинуло збільшення цього коефіцієнта у вугільній промисловості – 42,59 за 9 місяців 2011 року проти 31,32 у 2010 р., тобто майже на 36 %. Все це говорить, що поза межами обліку знаходиться значна частина виробничого травматизму з легким наслідком [2].

Таблиця 2

Відомості про стан виробничого травматизму за 12 місяців 2011 року по областях (осіб) [1] 2011 рік 2010 рік Різниця, +-

Області Всього

В т.ч. "См"

Всього В т.ч. "См"

Всього В т.ч. "См"

Україна 10657 685 11698 644 -1041 41 АР Крим 239 18 276 25 -37 -7 м. Севастополь 55 8 40 6 15 2 Вінницька 288 21 223 13 65 8 Волинська 225 10 252 12 -27 -2 Дніпропетровська 636 38 649 43 -13 -5 м. Кривий Ріг 200 13 249 17 -49 -4 Донецька 3707 134 4305 126 -598 8 Житомирська 192 12 217 16 -25 -4 Закарпатська 62 16 63 11 -1 5 Запорізька 428 25 427 20 1 5 Івано-Франківська 106 17 101 10 5 7 Київська 180 20 184 18 -4 2 м. Київ 399 47 343 61 56 -14 Кіровоградська 148 11 147 7 1 4 Луганська 1588 85 1735 67 -147 18 Львівська 288 22 356 28 -68 -6 Миколаївська 124 12 145 8 -21 4 Одеська 201 22 231 26 -30 -4 Полтавська 251 23 267 23 -16 0 Рівненська 143 13 142 10 1 3 Сумська 177 7 215 12 -38 -5 Тернопільська 77 17 92 12 -15 5 Харківська 307 28 318 22 -11 6 Херсонська 145 10 150 9 -5 1 Хмельницька 153 19 182 15 -29 4 Черкаська 135 17 179 11 -44 6 Чернівецька 54 10 60 6 -6 4 Чернігівська 149 10 150 10 -1 0

Аналіз отриманих даних показує, що у 2011 році незважаючи на загальне зниження виробничого

травматизму в цілому по Україні в будівельній галузі рівень виробничого травматизму залишається високим і, навіть, збільшується. Очевидно, що одним з факторів, що впливає на виробничий травматизм у будівельній галузі є пом’якшення умов до експертизи проектів будівництва з охорони праці передбачене Законом України "Про регулювання містобудівної діяльності".

Відповідно до зазначеного закону, усі об’єкти за складністю архітектурно-будівельного рішення та/або інженерного обладнання поділяються на I, II, III, IV і V категорії складності [3]. При чому, проекти будівництва об’єктів I– III категорій складності не підлягають обов’язковій експертизі з охорони праці. Зрозуміло, що це суттєво впливає і на ставлення забудовників до охорони праці, і на рівень виробничого травматизму під час виконання робіт.

На жаль, статистика, наведена у офіційних джерелах, не дозволяє проаналізувати рівень виробничого травматизму за об’єктами складності.

Оперативні дані за 6 місяців 2012 року свідчать, що порівняно з аналогічним періодом 2011 року в цілому по Україні відбулося зменшення кількості рівня загального травматизму (рис. 1 та рис. 2). Зокрема, у галузі будівництва спостерігалось зменшення з 202 до 175 нещасних випадків.

Збільшення рівня загального травматизму спостерігається на підприємствах таких галузей виробництва (рис. 1): гірничорудна та нерудна (+4 особи); металургійна (+15 осіб); хімічна (+13 осіб); агропромисловий комплекс (+19 осіб); деревообробна промисловість (+15 осіб); легка та текстильна промисловість (+25 осіб). Що стосується регіонів України, то протягом 6 міс. 2012 р. рівень загального травматизму зріс в 7 областях: АР Крим, Вінницькій, Дніпропетровській, Закарпатській, Івано-Франківській, Львівській, Рівненській, Тернопільській. Рівень смертельного травматизму за зазначений період зріс у 7 регіонах України, при цьому найбільший рівень відмічається у Донецькій та Дніпропетровській областях. В інших областях спостерігається позитивна тенденція до зменшення випадків смертельного травматизму (рис. 2).



Рис. 1. Порівняльні дані про стан виробничого травматизму за 6 місяців 2012 та 2011 року по галузях

Рис. 2. Порівняльні дані про стан виробничого травматизму за 6 місяців 2012 та 2011 року по областях

Висновки Отже, наведені дані показують, що поруч з позитивними змінами у динаміці рівня виробничого

травматизму в будівельній галузі, існує ряд проблем, які потребують втручання держави і відповідних органів державного нагляду за охороною праці.

По-перше, турбує зростання смертельних випадків виробничого травматизму в переважній більшості галузей України. Очевидно, що це вказує на те, що поза межами обліку знаходиться значна частина виробничого травматизму з легким наслідком.

По-друге, статистика не дозволяє проаналізувати рівень виробничого травматизму в будівельній галузі за об’єктами складності. Це створює складність для оцінки ефективності основних заходів щодо покращення стану охорону праці на підприємствах галузі.

По-третє, необхідно посилити нагляд за охороною праці на будівництві; зробити все для того, щоб експертиза проектів з охорони праці та авторський нагляд за будівництвом були дієвими та ефективними.



Вирішення цих проблем дозволить не тільки покращити аналіз основних причин виробничого травматизму, але й зменшить кількість нещасних випадків в цілому. Адже, кожен нещасний випадок чи професійне захворювання, це не лише певні цифри у звітах страхового експерта з охорони праці. Насправді це втрата здоров’я чи життя працівника.


1. Відомості про стан виробничого травматизму [Електронний ресурс] / Державна служба гірничого

нагляду та промислової безпеки України. – Режим доступа: http://www.dnop.kiev.ua/index.php?option=com_content&task=category&sectionid=32&id=166&Itemid=225 (дата звернення 03.08.2012).

2. Аналіз стану виробничого травматизму в Україні за 9 місяців 2011 р. / Л.О. Мітюк, Т.М. Таірова, А.О. Луц, С.Ю. Богуцький // Проблеми охорони праці, промислової та цивільної безпеки: збірник матеріалів шостої науково-методичної конференції, Київ, 10– 11 листопада 2011 р. – К.: НТУУ КПІ, 2011. – С. 54– 57.

3. Про регулювання містобудівної діяльності: закон України: [прийнято Верховною Радою від 17 лютого 2011 р.]: [за станом на 22 березня 2012 р.] // Голос України. – 2011. – 45 від 12 березня. – C. 14– 18.

4. Полукаров Ю.А. Анализ травматизма в строительстве и рекомендации по его снижению / Ю.А. Полукаров, А.С. Карась // Проблеми охорони праці, промислової та цивільної безпеки: збірник матеріалів шостої науково-методичної конференції, Київ, 10– 11 листопада 2011 р. – К.: НТУУ КПІ, 2011. – С. 76– 78.

5. Аналіз страхових нещасних випадків на виробництві та профзахворювань за 2011 рік [Електронний ресурс] / Фонд соціального страхування від нещасних випадків на виробництві та професійних захворювань України. – Режим доступа: http://www.social.org.ua/view/2470. – (Дата звернення 03.08.2012).


Рецензент: к.т.н. Нестер А.А.

УДК 504.75.05 С.Д. ШТОВБА, А.В. НАГОРНА Вінницький національний технічний університет

ІДЕНТИФІКАЦІЯ ЗАЛЕЖНОСТІ ВПЛИВУ ВИКИДІВ ВІД АВТОМОБІЛІВ НА

ЧАСТОТУ ЗАХВОРЮВАНЬ ОРГАНІВ ДИХАННЯ Розроблено математичні моделі, що дозволяють проаналізувати та виявити залежність впливу викидів

автотранспорту на частоту виникнення хвороб органів дихання у Вінницькій області. The mathematical models that can analyze and detect dependency of the emissions impact from vehicles on the

frequency of respiratory diseases in Vinnytsia region were elaborated. Ключові слова: викіди, захворювання органів дихання.

Вступ Ідентифікація впливу екологічних факторів на здоров’я населення, тобто побудова відповідних

математичних моделей за результатами спостережень, є актуальним та пріоритетним напрямком сучасних наукових досліджень. В Україні до цього часу такі еколого-гігієнічні дослідження зосереджувались в районах із надзвичайним антропогенним навантаженням (Київ, Донбас та Придніпров’я) [1– 3], тоді як вплив забруднень довкілля на здоров’я населення в інших регіонах вивчався в поодиноких роботах [4, 5].

З кожним роком в Україні спостерігається тенденція збільшення автомобілів, кількість яких вже перевищує 8 млн За останні 10 років обсяг викидів шкідливих речовин від автотранспорту збільшився на 76 % [6]. В той же час кількість викидів від інших джерел не зазнала таких стрімких змін. В зв’язку з цим актуальною проблемою є оцінювання та здійснення прогнозу ступеню впливу викидів від автотранспорту на стан здоров’я населення. Метою роботи є побудова математичних моделей залежності впливу викидів від автотранспорту на частоту захворювань органів дихання, що, в першу чергу, потерпають від цих забруднень. Ідентифікація цієї залежності проводиться для районів Вінницької області за статистичними даними з [7, 8].

Постановка задачі та початкові дані

Замість абсолютних величин викидів використовуватимемо відносні, а саме масу викидів на 1 кв. км., враховуючи, що площі різних районів Вінницької області суттєво відрізняються. Відповідні початкові дані зведемо в табл. 1 та 2.



Таблиця 1 Щільність викидів від автотранспорту (т / кв. км)

Район 2005 р. 2006 р. 2007 р. 2008 р. 2009 р. 2010 р. 1 Барський 1.67 1.77 2.22 2.31 2.19 2.27 2 Бершадський 2.39 2.55 3.05 3.37 3.29 3.09 3 Вінницький 2.38 2.56 3.42 3.56 3.31 3.49 4 Гайсинський 2.29 2.39 3.22 3.08 2.75 2.85 5 Жмеринський 0.73 0.73 1.40 1.57 1.44 1.48 6 Іллінецький 1.85 1.86 2.38 2.51 2.25 2.34 7 Калинівський 2.25 2.35 3.06 3.14 2.81 2.81 8 Козятинський 1.17 1.17 2.06 2.16 1.85 1.83 9 Крижопільський 2.11 2.27 2.83 3.32 2.96 3.02

10 Липовецький 1.45 1.47 2.05 2.29 2.05 2.09 11 Літинський 1.43 1.54 1.96 1.91 1.82 1.88 12 Могилів-Подільській 0.92 0.97 1.57 1.68 1.60 1.67 13 Мурованокуриловецький 0.91 0.96 1.41 1.49 1.47 1.44 14 Немирівський 1.68 1.72 1.97 2.06 1.94 1.92 15 Оратівський 1.17 1.19 1.76 1.85 1.71 1.78 16 Піщанський 1.15 1.25 1.64 1.69 1.61 1.62 17 Погребищенський 1.05 1.10 1.62 1.65 1.61 1.61 18 Теплицький 1.31 1.43 1.94 2.07 1.89 1.94 19 Тиврівський 1.72 1.87 2.36 2.59 2.32 2.38 20 Томашпільськ 2.30 2.26 2.90 2.86 2.78 2.78 21 Тростянецький 1.59 1.69 2.20 2.28 2.17 2.25 22 Тульчинський 2.73 2.75 2.55 2.65 2.47 2.57 23 Хмільницький 0.62 0.66 1.56 1.70 1.53 1.65 24 Чернівецький 0.97 1.02 1.92 1.92 1.84 2. 25 Чечельницький 0.98 1.06 1.34 1.40 1.34 1.39 26 Шаргородський 1.68 1.71 2.58 2.59 2.33 2.46 27 Ямпільський 1.92 1.92 2.56 2.69 2.56 2.71

Таблиця 2

Частота захворювань органів дихання (випадків на 10 тис. осіб) Район 2005 р. 2006 р. 2007 р. 2008 р. 2009 р. 2010 р. 1 Барський 2800 2830 3100 3130 3100 2992 2 Бершадський 4000 4050 3975 3975 3880 3976 3 Вінницький 4735 4781 4786 4780 4720 4760,4 4 Гайсинський 4700 4750 4750 4700 5050 4790 5 Жмеринський 3500 3550 3075 2850 3065 3208 6 Іллінецький 2800 2950 3100 3150 3950 3190 7 Калинівський 5800 6000 5750 5700 5750 5800 8 Козятинський 4400 4350 4400 4450 4750 4470 9 Крижопільський 3950 4000 4050 4075 4100 4035

10 Липовецький 5000 5050 5050 4850 4900 4970 11 Літинський 5700 5750 5850 5850 5900 5810 12 Могилів-Подільській 3650 3750 3950 3750 3930 3806 13 Мурованокуриловецький 3900 4000 3900 4000 4000 3960 14 Немирівський 4000 4100 4250 4400 4425 4235 15 Оратівський 3900 4000 4075 4650 5200 4365 16 Піщанський 4000 4100 4150 4850 4800 4380 17 Погребищенський 4250 4300 4800 4300 4700 4470 18 Теплицький 4900 5000 5750 4950 5850 5290 19 Тиврівський 3400 3500 3750 3700 3750 3620 20 Томашпільськ 3850 3900 4050 4450 4500 4150 21 Тростянецький 3400 3500 4000 4000 4650 3910 22 Тульчинський 3450 3600 3750 4000 4050 3770 23 Хмільницький 4950 5000 5150 4450 4800 4870 24 Чернівецький 3625 3800 3800 3800 4500 3905 25 Чечельницький 2100 2300 2400 2600 2900 2460 26 Шаргородський 5000 5200 5250 5000 5000 5090 27 Ямпільський 3000 3200 3900 3500 3850 3490



Вибірку даних з табл. 1 та 2 запишемо таким чином

ti

ti yx , , 27,1i , 2010,2005t , (1)

де tix та t

iy – щільність викидів від автотранспорту та частота захворювань органів дихання в i -му

районі в t -му році. Поставлена задача є такою: знайти регресійну модель )(xfy , для якої середня квадратична

нев’язка на вибірці (1) є мінімальною.

Регресійні моделі За типовим регресійним аналізом ми отримали лінійну та квадратичну моделі з великими

нев’язками 812.1RMSE та 811.7RMSE . Оскільки нев’язки майже однакові, то підвищення порядку полінома немає сенсу.

Відповідно до розподілу експериментальних даних (рис. 1) евристично виявлено розшарування на 2 кластера з візуально помітною корельованістю між щільністю викидів та частотою захворювань. Відповідно з 27 районів сформуємо 2 групи ( A і B ), для кожної із яких визначимо свою регресійну залежність. В групу A включимо усі райони, для яких середнє відношень частоти захворювань до щільності викидів за 2005–

2010 рр. менше за деякий поріг T . Усі інші райони сформують групу B . Математичне це розбиття запишемо таким чином:

2010

2005

2010

2005

27,1,6

1:

27,1,6

1:

tti

ti

tti

ti

iTx

yiB

iTx

yiA

. (2)

Після проведеного аналізу, для кожної із груп побудуємо лінійні регресійні моделі. Границю T оберемо таким чином, щоб нев’язка RMSE на усій вибірці (1) була б мінімальною. В результаті розв’язання цієї задачі (рис. 2) райони розбито на такі групи: A 1, 2, 3, 4, 6, 9, 19, 20, 21, 22, 25, 27 та B 5, 7, 8, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 23, 24, 26. Побудовані регресійні моделі мають вигляд:

- для групи A – xy 8973.1593 ;

- для групи B – xy 7.8013.3224 .

Рис. 1. Евристична кластеризація експериментальних даних

Рис. 2. Оптимальне розбиття районів на групи



Результати моделювання добре збігаються з експериментальними даними (рис. 3) з нев’язкою 8.565RMSE . Для обох груп районів збільшення щільності викидів від автотранспорту майже однаково

відбивається на прирості захворювань органів дихання, що видно з рис. 3. Але в районах групи B приблизно в 2 рази вище фоновий рівень таких захворювань, який можна визначити за отриманими регресійними моделями за відсутності забруднень від автотранспорту.

Рис. 3. Теоретичні та експериментальні досліджувані залежності

Висновки

За допомогою лінійних регресійних моделей ідентифіковано вплив забруднень від автотранспорту на частоту захворювань органів дихання у населення Вінницької області. В ході дослідження встановлено, що за рівнем цього впливу райони Вінницькій області доцільно поділити на 2 групи, в яких приблизно в 2 рази різняться фонові показники захворювань органів дихання. Водночас, для усіх районів області приріст щільності викидів від автотранспорту на 1 т / кв. км збільшує частоту захворювань органів дихання в середньому на 800– 900 випадків на 10 тис. осіб.

Вважаємо, що розбиття районів Вінницької області на 2 групи з різними фоновими показниками захворювань органів дихання може бути обумовлено: 1) впливом різноманітних сторонніх екологічних факторів; 2) недосконалістю організації системи моніторингу викидів від пересувних джерел; 3) недостатнім рівнем піклування населення щодо власного здоров’я, що призводить до реєстрації не усіх захворювань.


1. Петров С.Б. Эколого-эпидемиологическое исследование по оценке влияния взвешенных веществ

в атмосферном воздухе городской среды на развитие болезней органов дыхания / С.Б. Петров, Е.Н. Онучина, Б.А. Петров // Успехи современного естествознания. – 2011. – 11. – С. 346– 349.

2. Умрихіна Л.М. Роль і значення забруднення атмосферного повітря, метеорологічних факторів та соціально-побутових умов у формування показників захворюваності дитячого населення м. Києва / Л.М. Умрихіна // ДУ ІГМЕ. – 2010. – 56. – С. 64– 69.

3. Сигора Г.А. Применение метода регрессионного анализа к количественному описаниюстепени влияния загрязнения на здоровье населения / Г.А. Сигора, О.Н. Кучеренко // Вісник СевДТУ. Вип. 97: Механіка, енергетика, екологія: зб. наук. пр. – 2008– 2009. – С. 188– 191.

4. Климчук М.А. Стан навколишнього середовища та його вплив на здоров’я населення Львівської області // Довкілля та здоров’я. – 2005. – 3 (34). – С. 43– 48.

5. Скорина Л.М. Вплив викидів автотранспорту на розвиток хвороб органів дихання у Вінницькій області / Л.М. Скорина, А.В. Нагорна // Вісник Вінницького політехнічного інституту. – 2011. – 6. – С. 20– 23.

6. Нагорна Н. В. Екологія та патологія органів дихання у дітей: медико-соціальні аспекти / Н. В. Нагорна, Г. В. Дубова // Здоровье ребенка. – 2009. – 4 (19). – C. 37– 39.

7. Основні показники діяльності установ охорони здоров’я Вінницької області за 2009 рік / Головне управління статистики у Вінницькій області. – Вінниця, 2010. – 231 с.

8. Статистичний щорічник Вінниччини за 2006– 2010 рр. / Головне управління статистики у Вінницькій області. – Вінниця, 2011. – 653 с.


Рецензент: д.т.н. Дубовой В.М.



УДК 519.832.3::621 В.В. РОМАНЮК

Хмельницкий национальный университет

ПРИМЕНЕНИЕ МИНИМАКСНОЙ ОЦЕНКИ ВЕРОЯТНОСТНОГО

РАСПРЕДЕЛЕНИЯ В СРАВНЕНИИ С РАВНОВЕРОЯТНЫМ РАСПРЕДЕЛЕНИЕМ В ОТОБРАЖЕНИИ ТРЁХЭЛЕМЕНТНОГО МНОЖЕСТВА ОДНОТИПНЫХ

ДАННЫХ НА ОДНОЭЛЕМЕНТНОЕ МНОЖЕСТВО ПО КРИТЕРИЮ МИНИМИЗАЦИИ МАКСИМАЛЬНОГО ОТНОСИТЕЛЬНОГО ОТКЛОНЕНИЯ

Рассматривается задача отображения трёхэлементного множества однотипных отсортированных

положительных значений на одноэлементное множество. Критерием такого отображения выступает требование по допустимости максимального относительного отклонения элемента образа от элементов прообраза. Найдено границы выполнения этого отображения для равновероятного распределения, соответствующего среднему арифметическому, и для минимаксной оценки вероятностного распределения на прообразе, которая эквивалентна оптимальной стратегии второго игрока в соответствующей матричной 3 3 игре. Установлено, что применение такой минимаксной оценки приемлемо всегда, кроме случая с известным интервалом значений наименьшего элемента исходного множества, в котором наибольший элемент удалён от среднего больше, чем средний от наименьшего.

There is considered a problem of mapping the threeelement set of the onetype sorted positive values onto the singleelement set. The criterion of such mapping is a requirement for tolerance of the maximal relative deviation of the image element from preimage elements. There have been found the frontiers of making this mapping for equiprobable distribution, corresponding to the arithmetic mean, and for minimax evaluation of the probabilistic distribution over the preimage, which is equivalent to the second player optimal strategy in the corresponding matrix 3 3 game. It has been ascertained, that adaptation of such minimax evaluation is acceptable always, except the case with the known interval of values of the initial set minimal element, in which the maximal element is distanced greater from the middle one, than the middle one from the minimal one.

Ключевые слова: трёхэлементное множество, отображение множества данных на одноэлементное множество, среднее арифметическое, минимаксный принцип Вальда, матричная игра, минимаксная оценка вероятностного распределения.

Вступление

Задача отображения множества однотипных данных (МОД) на одноэлементное множество (ОМ) возникает в машиностроении при оценивании параметров исследуемых технико-экологических объектов, когда некое МОД характеризует один параметр, а требуется точечная оценка (ТО) или вероятностное распределение (ВР) на МОД по этому параметру. Условие отображения МОД на ОМ определяется соответствующим критерием. Обоснование приемлемости этого критерия для конкретного класса задач является одной из актуальных проблем современной теорий принятия решений [1, 2].

Анализ подходов отображения МОД на ОМ Пожалуй, самым распространённым способом отобразить МОД в ОМ является использование ВР на

МОД, ведущее к вычислению ожидаемого значения [1, 3] исследуемого параметра (ИП). Построение ВР часто исходит из распределения относительных частот на МОД. Но если такое ВР считается неизвестным или трудно поддаётся оцениванию, с чем сталкиваются в случаях с неповторяемыми данными, тогда за ТО параметра часто принимают среднее арифметическое (СА) по МОД. Разумеется, использование СА здесь является частным случаем, ведь СА равносильно ожидаемому значению [1, 3, 4] по равновероятному ВР. Если же ни при каких обстоятельствах первоначально предлагаемое ВР неприемлемо, то ищут оптимальную стратегию второго игрока (ОСВИ) в соответствующей матричной игре, чтобы использовать известный минимаксный принцип Вальда [5, 6], дающий наиболее осторожную оценку [5, 7] ВР на МОД. Так или иначе, выполнение отображения МОД в ОМ позволяет считать устранённой неопределённость в отношении значения ИП в смысле принятого критерия (способа), однако необходимо удостовериться, что этот критерий (способ) имеет количественное преимущество перед другими.

Цель и задачи статьи Рассмотрим трёхэлементное МОД

3

1 1 11, ,i i

v v v a v a b , 1 0v , 0a , 0b . (1)

Число 1 0v в отранжированном МОД (1) является, возможно, искусственно смещённым на

положительную полуось значением ИП, но это позволит обработать также и отношения между элементами в (1). Установим, каким преимуществом наделена наиболее осторожная (минимаксная) оценка ВР на МОД (1) перед СА при использовании критерия

(2)



принятия оценки €v значения ИП с известным (задаваемым) максимально допустимым относительным

отклонением (МДОО) max-rel 0v . Для достижения поставленной цели найдём границы применения СА

(равновероятного ВР) и минимаксной оценки ВР на МОД (1) и сравним их. Границу применения способа отображения МОД (1) в ОМ будем отождествлять с тем минимальным МДОО, при котором требование (2) ещё выполнимо.

Граница получения ТО значения ИП по МОД (1) с применением СА Теорема 1. Получение ТО значения ИП по МОД (1) с применением СА при использовании

критерия (2) возможно, если только МДОО

(3)

при произвольных 0a , 0b и 1 0v .

Доказательство. Выполняя требование (2) с оценкой v v по

3

1

1

1 2

3 3i

i

a bv v v

, (4)

получаем

1, 3max max , i

ii

vv

v v

1 1 11 1 1

1 1 11 1 1

2 2 23 3 3max max , , max , , max ,

2 2 23 3 3

a b a b a bv v vv v a v a b

a b a b a bv v a v a bv v v

1 1 11 1

1 1 11 1

2 2 23 3 3max , , max ,

2 23 3

a b a b a bv v vv a b v a b

a b a bv v a vv v

11

1 1

33 2max ,

3 3 2

v a bv a b

v v a b

2 2

1 111

1 1

1 sign 3 2 1 sign 3 233 2

3 2 3 2 2

v a b a b v a b a bv a bv a b

v v a b

, (5)

где использовано то, что

2

1 1 1 11

1 1 1 1

3 3 2 93 2

3 3 2 3 3 2

v a b v a b v v a bv a b

v v a b v v a b

22 2 2 211 1 1 1 1 1

1 1 1 1

3 29 12 6 4 4 9 9 9

3 3 2 3 3 2

v a b a bv v a v b a ab b v v a v b

v v a b v v a b

.

Поэтому требование (2) с оценкой v v по (4) не выполняется для МДОО, которое меньше значения в правой части (5), откуда и следует сформулированное утверждение с неравенством (3). Теорема доказана.

Итак, согласно Теореме 1, при границей получения ТО значения ИП по МОД (1) с

применением СА (4) по требованию (2) является число 1

21

3

a b

v

. При a b возможны два варианта: для

останется та же граница, что и для , но для значением границы стаёт

число 1

1

3

3 2

v a b

v a b

.

Граница получения ТО значения ИП по МОД (1) с применением минимаксной оценки ВР Минимаксная оценка ВР на МОД (1) для получения ТО значения ИП по МОД (1) должна

согласовываться с критерием (2) принятия оценки €v значения ИП. Это означает, что элементы матрицы

3 3kju

U соответствующей матричной 3 3 -игры

33

1 1 3 3, ,k j kjk j

m s u

(6)



определяются как

max , jkkj

j k

vvu

v v

1, 3k и 1, 3j . (7)

В такой игре i -я чистая стратегия игрока означает выбор им значения iv , 1, 3i . Для второго игрока этот

выбор контролируем, а первый игрок олицетворяет те случайные и малопредсказуемые обстоятельства, которые определяют истинное значение ИП.

Теорема 2. В игре (6) с элементами (7) для МОД (1) существует единственная ОСВИ

1 2 3q q qQ

. При или

21 1

1 2 31 1

02 2 2 2

v a b a a b v aq q q

a a b v a a b v

Q

, (8)

а для a b и

21 1

1 2 31 1

02 2

a b v a v b a aq q q

b v a b v a

Q

(9)


Доказательство. Учитывая (7), выпишем симметричную матрицу 3 3 -игры (6):

1 1

1 1

1 1 1

3 31 1 1 1

1 1 1

1 1 1

10

11 1 0

1 0

kj

v a v a b

v v a a b

v a v a b bvu a

v v a v v a

v a b v a b bva b

v v a v a

U . (10)

Как видим, для получения ОСВИ в игре (6) в силу 1 0v достаточно решить аффинно эквивалентную [5] ей

игру

33 11 1

1

1

1

0

, , 0

0

k jk j

a a b

bvm s a

v a

bva b

v a

. (11)

Обозначив

1

1

bv

v a

, (12)

получим игру

33

1 1

0

, , 0

0k jk j

a a b

m s a

a b

(13)

с параметром (12), где, заметим, a при , так как

211

1 1

0a v a bbv

a av a v a

при .

Также при и для a b и . Кроме того, a b , поскольку

2 21 1 1 1 1

1 1 1

0bv av a bv ab v b av a ab

a b a bv a v a v a

,

и b , так как



1 1 1

1 1 1

0bv bv ab bv ab

b bv a v a v a

.

Положим, что . Применяя метод задачи линейного программирования в форме эквивалентных

матричных преобразований [5, 8] по отношению к расширенной 4 7 -матрице 4 7phz

для игры (13),

имеем:

1 1 1 1 1 0 0

1 1 1 1 0 1 0

1 1 1 1 0 0 1

0 1 1 1 0 0 0

a a b

a

a b

, (14)

2 2 10 1 0

1 1 1 11 1 1

0 0 11 1 1 1

1 1 1 11 0 0

1 1 1 11 1

0 0 01 1 1 1

a a b b a b a ba b

a b a b a b a bb a a b bb a

a b a b a b a b

a b a b a b a ba b a b

a b a b a b a b

, (15)

2

21 1 10 1 0

2 2 2 2

2 2 1 20 0 1

2 2 2 2

11 1 11 0 0

2 2 2 2

2 1 10 0 0

2 2 2 2

a a b b a b

a b a b a b a b a b a b a b

b a a b a b b a a b bb


a b b a b


b

a b a b a b a b

, (16)

2

2 1 10 1 0

2 2 2 2

2 2 1 20 0 1

2 2 2 2

1 1 11 0 0

2 2 2 2

2

a b a ba b a b

a a b b a a b b a a b b a a b b

a b a a b b a b a a


a b ba a


a b

a

0 0 02 2 2 2

a b b a b a

a b b a a b b a a b b a a b b

, (17)

где в базис последовательно были введёны элементы 32z , 14z и 13z . Перед второй итерацией использованы

соотношения

2 1:

1 1 2

a b a ba b

a b a b a b

,

1:

1 1 1

a b bb b

a b a b a b b

,

2 21 2 11

2 1 2 1 2 1

a b b ab b b a b ab b bb

a b a b b a b a b b a b a b b

1 1 10

2 1 2 1

a b b a b b a b

a b a b b a b a b b

,

а перед третьей итерацией использованы соотношения

21:

2 2 2

a a b b a b

a b a b a b a a b b

, (18)

2

2

2 2:

2 2 2 2

b a a b b a bb

a b a b a b b a a b

, (19)



11:

2 2 1

a b b a b

a b a b a b a b b

. (20)

Если 22 2 0b a a b , то разность между (18) и (19) отрицательна:

22 2 2

b a ba b

a a b b b a a b

2 2

2

2 2 2

2 2 2

a b b a a b a b a b a b a b b a b

a a b b b a a b

2 2

2 2 20

2 2 2 2 2 2

a b a b a ab a a a b a b b

a a b b b a a b a a b b b a a b

.

А знак разности между дробями (18) и (20) определяется знаком разности между их знаменателями:

2 1 2 2 2a a b b a b b a a b b a b b a a b a b

2 2 2a a b a b a a b .

Так как , то a и 2 0a a b , то есть отношение (18) меньше отношения (20), что

обосновывает введение в базис элемента 13z на третьей итерации. Из последней расширенной матрицы в

преобразованиях (14) — (17) выплывает ОСВИ

1

1 2 3 02 2 2 2

a a b a a bq q q


Q

20 0

2 2 2 2 2

a a b b a a b a a b

a b a a b b a a b b a b a b

12

1 11

1 1 1 1

1 1

0 02 2 2 22 2

bva

v a b a a b v av a a bbv bv a a b v a a b va b a b

v a v a

, (21)

которая является ОСВИ (8). Если же a b , то при получаем (14) — (17) с ОСВИ (21), а при

будет . Тогда в итерационный процесс войдут матрицы (14) — (16) и

2

2 1 10 1 0

1 1 1 1

2 2 2 2 10 0 1

1 1 1 1

2 1 11 0 0

1 1 1 1

1 1

a a b ba a

a b b a b b a b b a b b

a b a a b b a b


a b a ba b a b


a b bb

a b b a b b

0 0 01 1

b

a b b a b b

(22)

с введением в базис элементов 32z , 14z , 33z . Из последней расширенной матрицы (22) выплывает ОСВИ

1

1 2 3 01 1 1 1

a b a a b aq q q


Q

10

1 1

a b b a b a

b a b b a b b

12

1 11

1 1 1 1

1 1

0 0 02 2

bva

a b v a v b a av aa b a a bbv bvb b b v a b v ab b

v a v a

, (23)



являющаяся ОСВИ (9). Пусть теперь опять или a b и , что даёт . Это позволяет

последовательно вводить в базис элементы 13z и 32z в итерационном процессе (14),

1 1 1 11 0 0

1 1 1 12 1 1

0 1 01 1 1 1

2 1 10 0 1

1 1 1 11 1

0 0 01 1 1 1

a b

a a a aa a a ba

a a a aa a b b a b ba

a a a aa b

a a a a

(24)

и (17), где перед последней итерацией используется то, что

2 1:

1 1 2

a aa

a a a

,

2:

1 1 2

a a b ba a

a a a a b b

,

2 2 11 2 2 2

02 2 2 2 2 2

b aa a ab a b a a a

a a a b b a a a b b a a a b b

,

откуда следует (21). Если же и a b , то , что позволяет последовательно вводить в базис

элементы 33z и 14z в итерационном процессе (14),

2 1 10 1 0

1 1 1 1

1 2 10 0 1

1 1 1 1

1 1 1 11 0 0

1 1 1 1

1 10 0 0

1 1 1 1

a a b b a b ba a

a b

a b

a b

(25)

и (22), где перед последней итерацией используется то, что

1:

1 1 1

a b ba a

a b b

,

2 1:

1 1 2

,

2 21 2 2 2 2

1 2 1 2 1 2

a a a a b b a a b b

a b b a b b a b b

1 2 1 1 1 20

1 2 1 2

a b a b

a b b a b b

.

Здесь снова получаем (23). Наконец, итерационный процесс можно составить при последовательном введении в базис элементов 14z , 32z и 13z или 33z , где получаются (14),

1 1 1 11 0 0

1 1 1 12 1 1

0 1 01 1 1 1

2 1 10 0 1

1 1 1 11 1

0 0 01 1 1 1

a

a b a b a b a ba a b b b aa b

a b a b a b a ba b a b a b ba b

a b a b a b a ba b b

a b a b a b a b

, (26)

(16), после чего выходит или (17) с (21), или (22) с (23), где перед второй итерацией использовано то, что

2:

1 1 2

a a b ba b a b

a b a b a a b b

,

2 1:

1 1 2

a b a ba b

a b a b a b

,



2 21

2 2 2 2

a b a b a a b ba b

a a b b a b a a b b a b

2

2 2

a b a b a b

a a b b a b

2 10

2 2 2 2

a b b b b a b

a a b b a b a a b b a b

.

Рассмотрев все возможные варианты ОСВИ в игре (6) с элементами (7) для МОД (1), убеждаемся в единственности ОСВИ либо в виде (8), либо в виде (9). Теорема доказана.

Теорема 3. Получение ТО значения ИП по МОД (1) с применением минимаксной оценки ВР по игре (6) с элементами (7) при использовании критерия (2) возможно, если только МДОО

для (27)

и

для (28)


Доказательство. При или , что эквивалентно неравенству , имеем

ТО значения ИП по ОСВИ (8):

3 21 1

1 2 31 11

02 2 2 2j j

j

v a b a a b v av q v v v v

a a b v a a b v

Q

2 2 2 2 221 1 1 1 11 1

1 11 1 1

2

2 2 2 2 2 2

v a v b a v a b v v a av a b a a b v av v a

a a b v a a b v a a b v

2 2 2 2 2 3 2 2 2 21 1 1 1 1 1 1 1 1 1

1 1

2 2 2 3 2

2 2 2 2

v a v b a v av a v a bv abv a b v av a bv ab

a a b v a b v

1 1 11

1 1

2 3 2

2 2 2 2

v v a b a a b v a a bv

a b v a b v

. (29)

Выполняя требование (2) с оценкой v v Q

по (29), получаем

1 11 1

1 1 1

1, 3 11 11

1

2 2 2 2max max , max max , , max ,

2 2

i

ii

v a a b v a a bv vv v a b v v a b v

v a a bv v v av va b v

Q

Q

11

1 1 1

1 11

1

2 2, max ,

2 2

v a a bv

v a a b v vv a a b v a b

va b v

11

12 2

a bv a a b

va b v

11

1 1 1

1 111 1

1 1

2 2max , ,

2 2 2 2

v a a bv

a b v v a v a b

v a a b v a a bvv v

a b v a b v

11

1 1

111

1

2 2max ,

2 2

v a a bv

a b v v a b

v a a bvv

a b v

1 1 1 1

1 1 1 1

2 3 2 2 2max ,

2 2 2 3 2

v v a b a a b v a b a b v

v a b v v v a b a a b



1 1 1 11

1 1 1 1 1

2 22 2max ,

2 2 2 2 2

v a b v a v a b v aa b v

v a b v v a v a b v

для , (30)

где использовано то, что

2 2

1 1 1 1 1 11

1 1 1 1 1 1

2 2 2 22 2

2 2 2 2 2 2

v a b v a v a b v a v a b va b v

v a b v v a v a b v v a

. (31)

При a b и , что эквивалентно неравенству , имеем ТО значения ИП по ОСВИ

(9):

3 21 1

1 2 31 11

02 2j j

j

a b v a v b a av q v v v v

b v a b v a

Q

2

1 11 1

1 12 2

a b v a v b a av a v a b

b v a b v a

2 2 3 2 2 2 2 2 2 2 3 21 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1

1

2 2

2

av a v a bv abv a b v b v ba v b v a v a v ab a v a a b

b v a

21 1 11 1 1

11 1 1

2 22 2

2 2 2

v v a b v a bv av v bv

v a v a v a

. (32)

Выполняя требование (2) с оценкой v v Q

по (32), получаем

1 11 1

1 1 1

1, 3 11 11

1

2 2max max , max max , , max ,

2

i

ii

v a b v a bv vv v v a v v a

v a bv v v av vv a

Q

Q

11

1 1 1

1 111 1

1 1

2, max ,

2 2

v a bv

v a v a v a bv a b v a bv a b

v vv a v a

1 11 1

1 1 1 1 1

1 1 11 11 1 1

1 1 1

2 2max , , max ,

2 2 2

v a b v a bv v

v a v a v a b v a v a b

v a b v a b v a bv vv v v

v a v a v a

1 11 1

1 1 1 1

22 2 2 2max ,

2 2 2 2

v a b v av a b v a b

v a v v a b v a

для , (33)

где использована симметричная по отношению к (31) разность:

. (34)

Поэтому требование (2) с оценкой v v Q

по (29) или (32) не выполняется для МДОО, которое меньше

значения в правой части (30) или (33) соответственно, откуда и следует сформулированное утверждение с неравенствами (27) и (28). Теорема доказана.

Согласно Теореме 3, как и следовало ожидать, граница получения ТО значения ИП по МОД (1) с

применением минимаксной оценки ВР по требованию (2) определяется знаком выражения 21v a b a .

Для минимаксной оценки ВР по игре (6) с элементами (7) при использовании критерия (2) такой границей

является либо число

1 1

1 1

2

2 2

v a b v a

v a b v

, либо число 1

1

2 2

2

v a b

v a

, что определяется по (27) или (28)

соответственно. В граничном случае, когда 21 0v a b a , границей является отношение

b

a,



превосходящее, очевидно, единицу. Далее остаётся только сравнить определяемые по Теореме 1 и Теореме 3 границы применения СА (4) и минимаксной ТО (29) или (32) для МОД (1) при критерии (2).

Преимущество применения минимаксной ТО (29) или (32) в сравнении с СА (4) в отображении МОД (1) на ОМ

Под преимуществом применения того или иного способа отображения МОД на ОМ следует понимать случай, когда граница применения рассматриваемого способа меньше, чем границы других способов. Тогда для минимаксной ТО (29) или (32) и СА (4) получает своё место такое утверждение.

Теорема 4. При в отображении МОД (1) на ОМ по критерию (2) преимуществом по сравнению с СА (4) обладает минимаксная оценка ВР по игре (6) с элементами (7). Эта же оценка обладает преимуществом и при a b , если только

2 2

1

2;

a a b a ab bv

b a b a

(35)


Доказательство. Если , то согласно (5) границей применения СА (4) является число

1

1

3 2

3

v a b

v

. Для минимаксной ТО (29) такой границей является число в (30). Поэтому

2 21 1 11

1 1 1 1 1

23 20

3 2 2 3 2 2

v a b v a v a b a ab bv a b

v v a b v v a b v

, (36)

откуда сразу следует первое утверждение теоремы. Если a b , то при согласно Теореме 1 и

Теореме 3 границы применения СА (4) и минимаксной ТО (29) не изменятся, поскольку

и (36) остаётся в силе. Если a b , то для

22

1

2;

3

a bav

b a b a

будет такая разность границ применения СА

(4) и минимаксной ТО (32):

при (37)

и

при , (38)

где учитывается, что

22 2 2

3

a a b a ba

b a b a b a

. (39)

Если a b , то для разность границ применения СА (4) и минимаксной ТО (32) будет

следующая:

при (40)

и

при , (41)

где учитывается, что

2 2 22

3

a b a ab b

b a b a

. (42)

Итак, совместив (39) и (42) для (37), (38) и (40), (41), если a b , то при



2 2

1

2;

a a b a ab bv

b a b a

(43)

граница применения СА (4) не превосходит границу применения минимаксной ТО (32), что говорит о преимуществе применения СА (4) для такого отрезка значений 1v . В остальных же случаях для a b , то

есть когда выполняется (35), преимуществом обладает минимаксная ТО (32). Теорема доказана.

Из Теоремы 4 следует то, что, строго говоря, при 2 2

1

2;

a a b a ab bv

b a b a

минимаксная оценка

ВР по игре (6) с элементами (7) для отображения МОД (1) в ОМ по критерию (2) неприемлема. Для такого

интервала значений 1v лучше брать равновероятное ВР 1 1 1

3 3 3

, отображающее МОД (1) в ОМ с

элементом (4). Вывод и возможность расширения анализа отображения МОД на ОМ

Естественно, в предложенном способе отображения МОД (1) в ОМ с ТО (4) для (43), ТО (29) при

или и ТО (32) при a b и для (35), наряду с критерием (2) учитывается

соответствующее ВР. Иначе вместо (4) и (29) или (32) использовалась бы ТО, равная среднему

геометрическому (СГ) 1 3v v , что всегда даст наименьшее значение слева в критерии (2), а, значит, и

наименьшую границу 3

1

v

v. Однако получаемое ВР, с помощью которого выполняется отображение МОД

(1) на ОМ, необходимо для решения строгой задачи выбора 3

1ˆ i iv v

, многократное повторение которой

приведёт к получению ожидаемого значения ИП на данном ВР. Интересно также отметить, что ОСВИ (8)

или (9) оказывается при этом не вполне смешанной, как это могло ожидаться. Более того, при 2

1

av

b a

эта

стратегия вырождается в чистую стратегию 2s , соответствующую ТО 1v v a . Тогда, кстати, граница

применения минимаксной ТО совпадает с границей для СГ. Что касается возможности расширения анализа отображения МОД на ОМ, то она состоит в решении задач с четырьмя элементами в МОД и больше, после чего, приобщив полученный в данной статье результат, можно будет говорить о разрешении достаточно широкого класса задач с неопределённостями в виде МОД, где чаще всего такое множество без ВР состоит из трёх или четырёх элементов. К тому же, желательно дополнительно обосновать выбор именно критерия (2), применяемого в задачах, где оперируют не абсолютными данными, а нормированными или относительными.


1. Волошин О. Ф. Моделі та методи прийняття рішень : [навчальний посібник] / О. Ф. Волошин,

С. О. Мащенко. — К. : ВПЦ “Київський університет”, 2010. — 336 с. 2. Черноруцкий И. Г. Методы принятия решений / Черноруцкий И. Г. — СПб. : БХВ-Петербург,

2005. — 416 с. : ил. 3. Мушик Э. Методы принятия технических решений / Мушик Э., Мюллер П. : [пер. с нем.]. — М. :

Мир, 1990. — 208 с. 4. Гмурман В. Е. Теория вероятностей и математическая статистика : [учеб. пособие для вузов] /

Гмурман В. Е. — [9-е изд., стер.]. — М. : Высш. шк., 2003. — 479 с. : ил. 5. Воробьёв Н. Н. Теория игр для экономистов-кибернетиков / Воробьёв Н. Н. — М. : Наука,

Главная редакция физико-математической литературы, 1985. — 272 с. 6. Трухаев Р. И. Модели принятия решений в условиях неопределённости / Трухаев Р. И. — М. :

Наука, 1981. — 258 с. 7. Романюк В. В. Мінімаксний підхід у реалізації стохастичного параметра з невідомим

імовірнісним розподілом на інтервалі ненульової міри / В. В. Романюк // Вісник Хмельницького національного університету. Технічні науки. — 2010. — 3. — С. 65 — 71.

8. Ашманов С. А. Линейное программирование : [учебное пособие для студ. вузов] / С. А. Ашманов. — М. : Наука, 1981. — 340 с.


Рецензент: д.т.н. Рудницький В.Б.



УДК 621 Н.В. СЕМЕНЮК, О.Б. ГУМЕНЮК


ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ ЕКОЛОГІЧНОЇ ТА ЕНЕРГЕТИЧНОЇ БЕЗПЕКИ ДЕРЖАВИ

ШЛЯХОМ СТИМУЛЮВАННЯ РОЗВИТКУ АЛЬТЕРНАТИВНОЇ ЕНЕРГЕТИКИ Стаття авторів торкається питань реформування енергетичної галузі в напрямку забезпечення

енергетичної незалежності України, створення національної енергетичної стратегії держави як складової національної програми економічних реформ. Висвітлено технологію замкнутого циклу переробки біомаси в енергоносії шляхом конверсії в біогаз, що дозволяє одержати як екологічний, так і економічний ефект.

Ключові слова: енергетична безпека, енергозбереження, енергоємність, енергоефективність, екологоекономічноефективні джерела енергії.

Вступ. На сьогодні у світі практично неможливо знайти країну, для якої питання розробки й

реалізації ефективної енергетичної політики втратило свою актуальність. Динамічні зміни у сценарії світового розвитку примусили багато країн переглянути підходи до реалізації енергетичної політики і забезпечення національної енергетичної безпеки, на власному досвіді з’ясувати нові грані її розуміння у глобалізованому просторі. Аналіз міжнародного досвіду та визначальних тенденцій еколого-економічного розвитку в регіональному і світовому масштабах дає підстави стверджувати, що в сучасних умовах основою ефективної енергетичної політики виступають енергобезпека, енергоефективність, енергозбереження та екологічна гармонізація суспільного розвитку.

Забезпечення енергетичної безпеки є одним з найбільш важливим питань, які визначають можливість сталого розвитку суспільства в країнах світу, в тому числі і в Україні. Проблема забезпечення енергетичної безпеки стоїть в центрі уваги енергетичної політики майже для всіх країн світу.

Енергетична безпека держави – це стан готовності паливно-енергетичного комплексу країни щодо максимально надійного, технічно безпечного, екологічно прийнятного, економічно ефективного та обґрунтовано достатнього енергозабезпечення економіки держави й населення, а також щодо гарантованого забезпечення можливості керівництва держави у формуванні і здійсненні політики захисту національних інтересів у сфері енергетики без зовнішнього і внутрішнього тиску.

Постановка проблеми. Чергові проблеми з укладенням договору на постачання природного газу та фінансова криза врешті-решт змусила українських урядовців та законодавців задуматися про скорочення питомого споживання енергетичних ресурсів та розвиток альтернативних джерел енергії. 21 травня 2009 року Верховна Рада України ухвалила Закон “Про внесення змін та доповнень до деяких законодавчих актів України щодо сприяння виробництву та використанню біологічних видів палива“. Як стверджується в преамбулі дані зміни вносяться з метою стимулювання виробництва та використання біологічних видів палива, розвитку в Україні національного паливного ринку на основі залучення біомаси, як відновлювальної сировини для виготовлення біологічних видів палива.

А як відомо Україна є енергодифіцитною державою, яка на сьогодні лише на половину задовольняє потреби в паливі та енергії, що є негативним чинником впливу на її енергетичну безпеку.

В сучасному світі розвиток людської цивілізації потребує все більшої кількості енергії. Сучасна енергетика вже не може базуватись тільки на традиційних джерелах енергії, запаси яких є вкрай обмеженими.

Аналіз основних досліджень. Проблемою економічної доцільності використання альтернативних джерел енергії займалися чимало вітчизняних та іноземних науковців. Оцінці ефективності використання альтернативних паливно-енергетичних ресурсів присвячено ряд наукових праць провідних науковців: Андрійчука І., Бойка Є., Гелетухи Г., Данилишина Б., Долішнього М., Долинського А., Доргунцова С., Жовніра М., Козоріза Г., Козоріза М., Косара Н., Крикавського Є., Кузьміна О., Лапко О., Ласкаревського В., Мхитаряна Н., Побурко Я., Туниці Ю., Чухрая Н. та ін.

Проте, залишаються недостатньо вивчені питання доцільності використання альтернативних джерел енергії на мікрорівні, а саме всебічного поширення і популярності набувають технології отримання енергії з відновних джерел. Одним з таких джерел є біомаса, яка кожний рік синтезується на землі у великій кількості і є акумулятором сонячної енергії. Хімічну основу біомаси нафти та газу складають вуглеводи.

Постановка завдання. Людська діяльність зумовила певні зміни і в природних циклах перетворення біоречовини, що викликало, в свою чергу, низку екологічних проблем, до яких належить проблема антропогенної евтрофікації водойм. Для підвищення економічної ефективності очистки водойм необхідно навчитися використовувати виловлену біомасу у корисних цілях й отримувати з цього прибуток. В вітчизняній та міжнародній практиці водорості використовували для кормових цілей, як сировину для парфумерної промисловості, в якості добрива та ін. Одним з перспективних й рентабельних заходів є біоконверсія водної біомаси в біогаз.

Для всіх водних об’єктів суші з сповільненим стоком характерний життєвий цикл, за яким екосистема потерпає постійні зміни в бік збільшення накопиченої органічної речовини. При цьому можна виділити декілька стадій, які суттєво відрізняються за продуктивністю фітопланктона й вищих водяних



рослин: оліготрофні, мезотрофні та евтрофні водні об’єкти. Процес підвищення рівня трофії водних об’єктів (збільшення органічної речовини), що називається евтрофікацією, під дією людини суттєво змінився. Швидкість цього процесу значно зросла й з’явились водні об’єкти, які за своїм рівнем не мають аналогів в природних умовах. Такі об’єкти називають гіпертрофними або гіперевтрофними, а процес збільшення органіки – антропогенна евтрофікація.

Г.С. Шилькрот визначає антропогенну евтрофікацію як збільшення первинної продукції водоймища й зв’язану з цим зміну ряду його режимних характеристик в результаті збільшення мінеральних поживних речовин, що надходять зовні. У визначенні Л.Л. Россолимо підкреслюється підвищення рівня новоутворень у водоймах органічної речовини. У формулюванні, що було прийнято в 1976 p. на міжнародному симпозіумі з питань евтрофікації поверхневих вод, акцент було зроблено на причину – збільшення кількості поживних речовин, які потрапляють у воду: "антропогенна евтрофікація – це збільшення поживних для водоростей речовин, які потрапляють у воду, внаслідок діяльності людини в басейнах водних об’єктів й викликане цим збільшення продуктивності водоростей та вищих водних рослин".

Антропогенна евтрофікація відрізняється від природної більшою швидкістю процесу. Прикладом може бути евтрофікація озера: в природних умовах процес евтрофікації озера займає близько 103 років й більше; сьогодні ж за рахунок інтенсивної господарської діяльності процес евтрофікації прискорюється на 2– 3 порядка. В наш час евтрофікація набула глобального характеру. Якщо раніше розглядалась проблеми евтрофікації озер та водосховищ (водоймища з обмеженим водообміном), то зараз доводиться розмовляти про евтрофікацію континентальних вод в цілому, включаючи сюди й річки, і внутрішні моря.

Україна мало забезпечена водними ресурсам. Запаси прісних вод становлять на одного жителя лише 1 тис. м3. Це одне з останніх місць у країнах СНД. В умовах зростаючого дефіциту води, водні ресурси на сучасному етапі є одним з найважливіших факторів господарського розвитку, а чисті прісні води – цінним та усе більш обмеженим природним ресурсом. Дефіцит прісних вод висуває на порядок денний реалізацію комплексу заходів щодо їх раціонального використання та всебічного збереження. Тому проблема антропогенної евтрофікації вод є актуальною проблемою сьогодення. Оскільки проблема антропогенної евтрофікації існує й загрожує своїми наслідками як господарській діяльності людини, так і оточуючому природному середовищу, потрібно шукати реальні шляхи вирішення цієї проблеми.

Для зменшення концентрації у водоймищах органічної речовини проводять механічну очистку водоймищ від водної біомаси, ці заходи як правило носять витратний характер. Для підвищення економічної ефективності очистки водойм необхідно навчитися використовувати виловлену біомасу у корисних цілях й отримувати з цього прибуток. В вітчизняній та міжнародній практиці водорості використовували для кормових цілей, як сировину для парфумерної промисловості, в якості добрива та ін.

Виклад основного матеріалу дослідження. Розробка технологій переробки органічної речовини, яка є, з одного боку, забруднювачем, а з іншого – цінною сировиною в носії енергії є найбільш логічним і доцільним з точки зору економічної стратегії вирішення екологічних проблем евтрофікації. Технології отримання енергоносіїв з відновних джерел енергії, яким є органічна сировина, в умовах загострення енергетичної кризи та обмеження запасів викопного палива стають все більше популярними та набувають розвитку в усьому світі довівши свою ефективність (отримання спиртів з троснику, біогазу – з біовідходів тваринництва, дизельного пального – з ріпаку). Процес евтрофікації може розглядатися як штучно створений процес синтезу біомаси в зв’язку з його достатньо високою продуктивністю, що ілюструють дослідження які наведені нижче.

Якщо розглянути два шляхи конверсії біомаси то один з них відбувається через фотосинтез, який у окислювально-відновлювальних процесах рослин які містять хлорофіл супроводжується виділенням кисню (реакція 1), або проходить без виділення кисню, як у фотосинтезуючих бактерій.

С02 + Н20 -> СН20 + 02 + 112 ккал/моль (1)При випромінюванні сонячної радіації в ясний день 800 Вт/м2 або 16,6 ккал/м2*день (1 Вт=0,24

ккал/с). В цьому процесі на кожні 112 ккал енергії, яка запасається рослиною, утворюється максимально 30

г сухої маси органічної сполуки. При повному використанні всієї падаючої сонячної радіації утворилося б теоретично при максимальному енергетичному виході фотосинтезу 4500 г сухої органічної маси в день. Враховуючи енергетичну ефективність фотосинтезу в 14 %, сильні окислювальні процеси при фотосинтезі та інше, реальна ефективність утворення органічної речовини має бути порядку 3 %, тобто утвориться за сприятливих умов 135 г сухої речовини за добу. В принципі такі добові прирости біомаси можна спостерігати на практиці. В цілому земний фотосинтез відбувається не ефективно, з ККД =0,1 – 0,3 %, і конвертує 3*1024 Дж сонячної радіації, яка падає на поверхню землі протягом року, перетворюючи її в хімічну енергію асимілюючи 2*1011 т вуглецю. Видобуток й використання корисних паливних копалин (газ, вугілля, нафта) складає 1,8*109 т/рік або 1,05 % світової продуктивності біомаси. Природна продуктивність фотосинтезу в виробничих умовах може бути підвищена в 10, 100 разів і майже до теоретично максимальних значень. Особливо це відноситься до мікробіологічних фотосинтезуючих систем, які характеризуються високою ефективністю фотосинтезу. При фоторозкладі води суспензією водорості хлорели може утворюватись 130– 140 л (~6 молей) кисню з 1 м2 поверхні води за добу, продуктивність по водню може складати біля 12 молей/м2 за добу, приріст біомаси – до 150 г/м2 за добу, або 6 г/м2 за годину. Біомаса водорості Clorella є перспективним видом не тільки по продуктивним показникам, а й по своєму



хімічному складу, бо її стінка утворена з целюлози, яка може легко бути далі конвертована в технічно доступний вид палива за двома анаеробними біоенергетичними шляхами з участю метаногенних мікробних асоціацій або водень утворюючих мікроорганізмів.

Ще більш перспективним в енергетичних цілях може бути використання фотосинтезуючої галофільної зеленої водорості Botryacocens braunii (Підродина Botryococcoioceae), яка розмножується в водах на півдні України, здатна до 80 % загальної сухої ваги накопичувати вуглеводнів, з яких 30 % – це ациклічні і циклічні вуглеводні, склад яких нагадує нафтопродукти. У цієї водорості колонії слизисті, шароподібні, китице округлені, дольчаті, прості чи багатоклітинні, з потужним накопиченням клітин на периферії, кожна з яких повністю чи частково занурена у в’язкий колоніальній слиз, чи сидить у бокалоподібних слизистих утвореннях (чохликах). Центральна частина колонії складається з безструктурної слизи, яка утворюється в результаті інтенсивного ослизнення залишків оболонок клітин. Клітини еліпсовидні, повністю чи на 3/4 довжини занурені у слиз. Розмноження 4– 8 автоспорами. Колонії до 1 мм в діаметрі, клітини 5,7-12* (2,5)-3-7,5 мкм. При масовому розвитку можуть викликати цвітіння води. Розмноження Botryacocens braunii відбувається автоспорами та розпадом колоній. Колонії розростаються діленням протопластів клітин у взаємоперпендикулярних площинах, які паралельні радіальним площинам колоній. Клітини продовгуваті, конічної форми, звужені до центру колоній, біля зовнішнього кінця розширені та закруглені, майже повністю занурені в міцні слизисті, інколи хрящоподібної консистенції бокалоподібні ніжки. Хлоропласт пристебний, чашоподібний, з базальним піреноідом, без крохмальної обкладинки. Окрім маленьких крохмальних зерен, які розсіяні у стромі хлоропласту, у цитоплазмі накопичуються краплі масла. Оболонка тонка, гладенька, безкольорова. Оболонки материнських клітин в наслідок ряду послідовних ділень утворюють систему вкладених один в один бокалів, які занурені в безструктурну слиз, інколи просочену безкольоровою чи жовтою олією. В останньому випадку колонія має жовто-червоний колір. Краплі олії можуть досягати 50 % об’єму клітини, що дає можливість отримувати велику кількість олії.

Мешкають хлорококові у товщі води, біля дна, на занурених предметах у різних типах водоймищ, найчастіше з незабрудненою водою, одинично, інколи масово. Загальне розповсюдження: Азія, Америка, Африка, Європа. Це єдиний представник роду, що розповсюджений на Україні.

Розмір клітин популяцій з озер Волинської області дорівнював 10,5-2*6-7,5 мкм, що перевищує дані загальних відомостей про хлорококкові. Це пояснюється впливом екологічних умов в цьому регіоні України.

Конверсія вуглеводів (в тому числі і целюлози хлорели) в метан є складним мікробіологічним процесом, який здійснюється різноманітним комплексом груп анаеробних мікробів. Вуглеводи можуть конвертуватись в метан в оптимальному випадку з отриманням з одного молю глюкози, трьох молей метану і трьох молей С02. Перетворення енергії тут складає 85,7 %. При хлостридіальному анаеробному зброджуванні на моль глюкози утворюється 4 моля водню, що відповідає 33 % ступені конверсії енергії. Це пояснюється значним залишком енергії в аліфатичних кислотах, які накопичуються в середовищі при мікробному культивуванні. Кількісний вихід при метаногенезі значно нижче, ніж при аеробному диханні та денітрифікації. Але різні субстрати забезпечують різний рівень отримання енергії.

4Н2+С02-СН4+2Н202, G000=-138,8 кДж; 4НСООН->СН4+3С02+2Н20. G0-- 19,5 кДж;

4СН3ОН -> 3СН4+С02+2Н20, G000=-310,5 кДж; СН3СООН ->СН4+С02, G0=-27,6 кДж; 4СО+2Н20 ->СН4+3С02, G0 --87,6 кДж;

4СН3МН2+2Н3О -3СН4+С02+4КН3, G000=-225,7кДж; 2 (СН3>2КН+2Н20 -3СН4+С02+2N3, G000=-220,0 кДж; 4 (CH3)3N+6H20 ->9CH4+3C02+4NH3, G000=-659,8 кДж.

Послідовне використання фотосинтетичних анаеробних біоенергетичних систем перспективне в умовах існуючої енергетичної кризи на Україні.

Середня первинна продукція водоростей по зв’язаному вуглецю в природних умовах океану складає 550 кг/га в рік. Це в 2,5 разу менше в порівнянні з продуктивністю суші, але сумарна величина його перинної продукції складає 550,2 млрд т (сирої біомаси) в рік, а сумарна біомаса водорості – 1,7 млрд т в рік. 70 % поверхні Землі вкрито водою. Люди майже не використовують ці неосяжні простори. Ці показники вказують на можливу перспективність використання водної поверхні для конверсії сонячної енергії. Сама природа вказує на необхідність проведення цих робіт. Так, в умовах постійного збільшення антропогенного навантаження на водойми в Україні відбувається їх забруднення хімічними сполуками, які служать додатковим поживним субстратом для водорості. Це призводить до інтенсивного "цвітіння" води і сприяння інтенсивного отруєння водного середовища, внаслідок чого гине риба в водоймах України. Цьому можливо запобігти завдяки водоростям, що здатні акумулювати хімічні забруднення в своїй біомасі, таким чином виконувати роль фільтра.

Річна продукція донних водоростей в Чорному морі складає від 77 т у світовому океані до 170 т сирої маси на га в рік в захищених містах. Продуктивність прісних водойм значно нижча і складає в середньому 4– 75 г/м2 водної поверхні.

Якщо виходити з середньодобової продуктивності прісних водойм 20 г/м2 і тривалості



вегетаційного періоду 6 місяців, середня продуктивність вирощувальних систем відкритого типу має скласти 72 т/га (сухої маси) в рік. Площа дзеркала водосховищ України – 7246 км2, лиманів – 1698 км2. Таким чином, з площі водосховищ можна отримати 52,1 млн т сухої маси водорості в рік і з площі лиманів – більш ніж 12,2 млн т сухої маси водорості в рік. При мікробній конверсії цієї біомаси водорості в біогаз можна отримати 12,9 млрд м3 метану. На комунальні послуги в Україні витрачається біля 17 млрд м3 природного газу.

Висновки. При використанні системи "водорості – біометан" з водної поверхні 1 км2 можна забезпечити енергетичні потреби 10000 людей. Крім того біореактори вже використовуються для переробки відходів тваринництва і не потребують нових капіталовкладень у їх розробку, більш того цілком підходять для переробки водоростей і можуть використовуватись комплексно. Модульний принцип їх конструкції дозволяє збудувати станцію переробки біомаси в певному місті виходячи з потужностей регіону, вирішуючи таким чином одразу цілий комплекс екологічних та економічних проблем.

Технологічне використання енергетичних біотехнологій в природних умовах України можливе не тільки для розв`язання енергетичної проблеми, а й для заходів з очищення водного басейну від забруднень органічними сполуками важких металів, враховуючи здатність водоростей накопичувати ці сполуки у власній біомасі.

Таким чином процес евтрофікації водойм можливо перетворити зі шкідливого некерованого у корисний та керований, який буде складовою у ланцюзі отримання біогазу шляхом анаеробного зброджування біомаси, ми отримуємо процес з замкнутим циклом, який складається з компонентів, які є шкідливими для середовища. Поєднавши їх ми створюємо новий колообіг біомаси, який є корисним для людини і для оточуючого середовища, а також може бути прикладом розв’язання екологічної проблеми.

Сировиною в даному випадку виступає біомаса, яка утворюється в результаті евтрофікації водойм, що є небажаним явищем і на боротьбу з цим явищем вже потрібно витрачати чималі кошти. Біоконверсія органічної сировини в носії енергії дозволяє вирішити низку проблем як екологічного, так і економічного характеру.

Для України розробка технологій отримання альтернативних джерел енергії є вкрай важливою та нагальною науковою проблемою, якій має приділятись достатньо уваги як в науковому, так і промисловому секторі країни та є вкрай необхідною для забезпечення енергетичної безпеки, що є одним з найбільш важливих з питань, які визначають можливість сталого розвитку суспільства в країнах світу, в тому числі і в Україні.


1. Андрійчук І.В. Ефективність використання альтернативних паливно-енергетичних ресурсів в

регіоні (на прикладі Івано-Франківської області): автореф. дис. на здобуття наук. ступеня канд. екон. наук: 08.10.01 “Розміщення продуктивних сил і регіональна економіка” / І.В. Андрійчук; НАН України. Ін-т регіон. дослідж. – Л., 2006. – 20 с.

2. Гуменюк О.Б. Енергетика ХХІ століття. Шляхи розвитку та перспективи / О.Б. Гуменюк, Н.В. Семенюк // Вісник Технологічного університету Поділля. – Хмельницький: ТУП, 2003. – 4. Ч. 2 (53). – С. 152– 156.

3. Семенюк Н.В. Екологічно-чисте майбутнє – за альтернативними джерелами енергії / Н.В. Семенюк // Вісник Технологічного університету Поділля. – Хмельницький: ТУП, 2000. – 5. Ч. 1 (24). – С. 105– 107.

4. Клячко В.А. Очистка природных вод / В.А. Клячко, И.Э. Апельцин. – М.: Стройиздат, 1971. – 579 с. 5. Конинов В.Ф. Очистка питьевой и технической воды / Конинов В.Ф. – М.: Стройиздат, 1971. –

303 с. 6. Закон України “Про альтернативні джерела енергії” від від 20.02.2003 555-IV [Електронний

ресурс] // Офіційний сайт Верховної Ради України. – Режим доступу: http://zakon1.rada.gov.ua/laws/show/555-15/print1328601003210524.

7. www.ive.org.ua. 8. http://shlapak.org.ua/category/ekolohichna-polityka.

Надійшла 26.9.2012 р. Статтю представляє: к.т.н. Гуменюк О.Б.



УДК 629.1 Б.І. СОКІЛ, Ю.А. ЧАГАН, О.І. ХИТРЯК

Академія сухопутних військ ім. гетьмана Петра Сагайдачного, м. Львів

ПОЗДОВЖНЬО-КУТОВІ КОЛИВАННЯ ГУСЕНИЧНИХ ТРАНСПОРТНИХ ЗАСОБІВ ЗА НЕЛІНІЙНОЇ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРУЖНОЇ ПІДВІСКИ Досліджено впливи нелінійних характеристик підвіски на подовжньокутові коливання гусеничних

транспортних засобів. Отримано співвідношення, що описують залежність амплітуди, і частоти коливань від параметрів підвіски.

Research of effect of nonlinear characteristics of the suspension on longitudinalangular oscillations of caterpillar vehicles. It is received ratio amplitudes describing a relation and an oscillation frequency from suspension parameters.

Ключові слова: гусеничний транспортний засіб, поздовжньо‐кутові коливання. Вступ Предметом досліджень даної праці є комплексне вивчення впливу нелінійних характеристик

підвіски (демпферів і амортизаторів) на поздовжньо-кутові коливання гусеничних транспортних засобів. Як показано у роботах [1–3], належну динаміку пересування останніх може забезпечити підвіска із нелінійними характеристиками амортизаторів та демпферів. В той же час, аналітичне дослідження впливу нелінійних функцій, які описують залежності силових чинників від переміщень та кінематичних параметрів руху на поздовжньо-кутові коливання не знайшло належного розвитку через складність інтегрування відповідної системи. У цій статті для дещо спрощеної динамічної моделі, яка описує поздовжньо-кутові коливання ГТЗ за обґрунтованих характеристик пружної підвіски, робиться спроба дати практичні рекомендації щодо вибору та компонування підвіски, яка забезпечує нормативні вимоги щодо частоти поздовжньо-кутових коливань.

Рівняння руху Для вивчення поздовжньо-кутових коливань досліджуваний об'єкт будемо моделювати у вигляді

твердого тіла, яке приєднано до низки пружних елементів та демпферних пристроїв. Метою даної роботи є вивчення поздовжньо-кутових коливань ГТЗ. Тому для фізичної моделі, представленої на рис. 1, вважатимемо, що пружні характеристики підвіски забезпечують коливання тіла навколо центру мас.

Рис. 1. Розрахункова модель дослідження поздовжньо-кутових коливань

Диференціальне рівняння цих коливань у першому наближенні можна записати у вигляді

,),()(2

1

2

1

2

n

i

n

iiiiiiiio lllllcI

(1)

де oI – момент інерції об’єкту відносно центру мас О, – його кут повороту навколо центру мас,

)( ii lc – жорсткість і-го пружного елементу (змінна величина), il – його віддаль до центру мас у

рівноважному положенні об’єкту, ),( iii ll – функція, яка описує характеристики амортизаторів.

Примітки: 1. Кількість амортизаторів справа від центру мас рівна кількості амортизаторів зліва від центру мас. 2. Як і у [2], функції )( ii lc які описують пружні властивості амортизаторів мають вигляд

)()( iiii lclc , 10 i ,

12

121

n

m , ...2,1,0, nm

3. Функції, які описують характеристики амортизаторів представляються у вигляді

in

im

iiii llll )().()( , i – константа.



Наведене вище дозволяє математичну модель поздовжньо-кутових коливань представити у вигляді

.1 1

2

1

2

10

21

0

nmn

i

n

i

mniii l

Il

I

c

(2)

У роботі досліджуються тільки поздовжньо-кутові коливання ГТЗ, тому, як випливає із наведених приміток, у положенні статичної рівноваги повинна виконуватись наступна умова

.1

2

1

22

n

i

n

iiiii ll (3)

Таким чином, параметри i не можуть приймати довільного значення, а зв'язані алгебраїчним

співвідношенням (3). Методика розв'язування Отже, щоб аналітично дослідити вплив геометричних та динамічних характеристик підвіски на

динаміку ГТЗ, треба побудувати розв'язок відповідного диференціального рівняння (2). З цією метою використаємо для вказаного рівняння основні положення теорії збурень [4, 5]. Підставою для її

використання є той факт, що для досліджуваних моделей ГТЗ 0I >>max

n

i

mni

2

1

. Відповідно до основних

положень цієї теорії побудуємо розв'язок породжуючого рівняння руху досліджуваного об'єкту, тобто

.02

1

21

0

n

iiilI

c

(4)

Він виражається, як показано в [6–8], за допомогою періодичних Ateb-функцій у вигляді ),)(,1,1( 000 tсa

(5)

де 00, – сталі інтегрування, а )( 0 – відома функція:

.2

)2(

2

12

1

2

1

)(2

10

2

00

n

iiilI

c

На рис. 2 а,б,в та рис. 3 (для базової величини статичного ходу підвіски) для випадку 3n

представлено залежності параметрів i від k та власної частоти коливань від 0 (амплітуди поздовжньо-

кутових коливань) за умов: ,41 6352 , та 32 k .

а) б)

в)

Рис. 2. Залежності параметрів жорсткості від коефіцієнту k



Рис. 3. Залежності частоти власних коливань ГТЗ від амплітуди та параметру k

Наведені залежності підтверджують результати експериментальних досліджень [9], які

стверджують, що належну комфортабельність ГТЗ забезпечує підвіска із більшою жорсткістю крайніх пружних елементів при 8.05.0 k .

Вплив характеристик демпферів на амплітудно-частотну характеристику (АЧХ) поздовжньо-кутових коливань

Для оцінки впливу характеристик демпферів на закони згасання коливань побудуємо розв'язок збуреного диференціального рівняння (2). Відомо [10], що наявність сил опору у першому наближенні асимптотичних розв'язків нелінійних рівнянь, які описують коливні процеси систем з одним ступенем вільності призводить до зміни в часі амплітуди коливань. Закон її зміни визначається системою диференціальних рівнянь, де

,,1,1,1,1

2

2

2

)(

22

0

1

1100

0

dsaca nm

n

ii

nnmn

.,1,1,1,1

2

2

2

)(

12

0

1

1

1000

dsaca

dt

d

nm

n

ii

nnmn

(6)

Використовуючи властивості Ateb-функцій, після нескладних операцій інтегрування відповідних виразів, із (6) отримуємо

,

2

3

2

12

2

3

2

1)(

2

2 01

1

0

nm

nm

dt

dn

nn

ii

(7)

00 .

Нижче на графіках представлено залежності зміни в часі амплітуди поздовжньо-кутових коливань та частоти власних коливань при таких значеннях параметрів:

Рис. 4. Залежність зміни амплітуди поздовжньо-кутових

коливань від часу Рис.5. Залежність зміни частоти власних коливань від часу



Висновки Отримані розрахункові формули та представлені графічні залежності показують: 1. Належну комфортабельність пересування ГТЗ може забезпечити підвіска з нелінійним законом

зв'язку між деформацією та переміщенням, причому коефіцієнт пропорційності у вказаному співвідношення для крайніх амортизаторів повинен бути більшим ніж для решти.

2. Нелінійні сили опору приводять до швидкого затухання поздовжньо-кутових коливань, при чому швидкість затухання не залежить суттєво від нелінійно-пружних характеристик підвіски.

3. Нелінійно-пружні характеристики підвіски суттєво впливають на частоту власних коливань і для більших значень степеня нелінійності (параметра ) вони є менші.

4. Вплив демпферних пристроїв та амортизаторів на середніх підвісках проявляється меншою мірою як на закони зміни амплітуди поздовжньо-кутових коливань, так і на частоти.

5. Отримані результати слугуватимуть базою для більш складних досліджень динаміки ГТЗ, а саме дослідженню руху останніх по пересіченій місцевості.


1. Дущенко В.В. Исследование возможностей повышения плавности хода модернизированной

транспортной гусеничной машины на основе использования серийных узлов подвески / В.В. Дущенко, С.Н. Воронцов, И.В. Мусницкая // Механіка та машинобудування. – 1998. – 1. – С. 83–88.

2. Величко Л.Д. Динаміка гусеничних транспортних засобів по пересіченій місцевості / Л.Д. Величко, Ю.А. Чаган // Лісове господарство, лісова, паперова і деревообробна промисловість. – Львів : УДЛТУ. – 2011. – Вип. 21.4. – С. 346–352.

3. Величко Л.Д. Математичне моделювання підвіски гусеничних транспортних засобів / Л.Д. Величко, Б.І. Сокіл, Ю.А. Чаган // Лісове господарство, лісова, паперова і деревообробна промисловість. – Львів : УДЛТУ. – 2011. – Вип. 21.5. – С. 316–323.

4. Найфе А.Х. Методы возмущений / Найфе А.Х. – М. : Мир, 1976. – 456 с. 5. Коул Дж. Методы возмущений в прикладной математике / Коул Дж. – М. : Мир, 1972. – 272 с. 6. Rosenberg R.M. Normal models of nonlinear dual – Mode Systems / R.M. Rosenberg // J. of Appl.

Mech. – June 1960. – P. 263–268. 7. Сеник П. М. Про Ateb-функцiї / П. М. Сеник // Доп. АН УРСР. – 1968. – 1. – С. 23–26. 8. Сеник П.М. Про табулювання перiодичних Ateb-функцiй / П.М. Сеник, А.М. Возний // Доп. АН

УРСР. – 1969. – 12. – С. 1089–1092. 9. Волосников С.А. Анализ конструкций торсионных подвесок отечественных и зарубежных танков

/ С.А. Волосников // Вестник НТИ «ХПИ». – 2003. – 28. – С. 19–23. 10. Боголюбов Н.И. Асимптотические методы в теории нелинейных колебаний / Н.И. Боголюбов,

Ю.А. Митропольский. – М., 1974. – 408 с.


УДК 612.76 Н.Г. СУРЬЯНИНОВ

Одесский национальный политехнический университет

Е.И. СЕМЕНОВ, О.Н. СЕННИКОВ Институт стоматологии АМН Украины

БИОМЕХАНИКА САМОРАСКРУЧИВАНИЯ КРЕПЕЖНОГО ВИНТА

ПРИ ДЕНТАЛЬНОЙ ИМПЛАНТАЦИИ Проанализированы причины самораскручивания крепежного винта, соединяющего внутрикостную часть

имплантата с абатманом и фиксируемой на нем ортопедической конструкцией. There have been analyzed causes of selfoutscrewing of the fixing screw, jointing the innerbone part of the

implantant with abatman and the being fixed on it orthopedic construction. Ключевые слова: стоматология, зубопротезирование, винтовые цилиндрические имплантаты,

ортопедическая конструкция. Применение в современной стоматологии имплантатов позволило вывести ортопедическое лечение

больных с адентией на качественно новый уровень. Однако перед имплантологией стоит целый ряд вопросов, связанных с оптимизацией работы такой сложной биомеханической системы, каковой является система "протез – имплантат – кость", в которой протез представляет собой несъемную ортопедическую конструкцию, фиксируемую на абатмане двухэтапного винтового имплантата.

Получение ответов на эти вопросы в значительной степени связано с новым подходом, в основе которого лежит построение адекватной математической модели и ее компьютерный анализ. Такой подход стал возможен только с появлением современной компьютерной техники и инженерных программ,



позволяющих построить модель практически любой сложности и определить все параметры ее напряженно-деформированного состояния методом конечных элементов (МКЭ) [1].

Одной из серьезных проблем, с которой сталкивается врач-ортопед при протезировании пациентов, у которых в качестве опоры ортопедической конструкции используются двухэтапные винтовые цилиндрические имплантаты, является самораскручивание винта, соединяющего внутрикостную часть имплантата с абатманом и фиксируемой на нем ортопедической конструкцией [2].

Зубочелюстная система не является стабильной, и нагрузки в отдельных ее элементах (в нашем случае это винт, соединяющий внутрикостную часть имплантата с абатманом и фиксируемой на нем ортопедической конструкцией) могут меняться. Одним из факторов, влияющих на прочность этого соединения, является стираемость зубов.

Рекомендуемое фирмами-производителями усилие, с которым должен затягиваться этот винт ( смН3530 ), не всегда обеспечивает надежное соединение в условиях изменения нагрузки на него в

результате физиологической и патологической стираемости зубов. С целью изучения этого явления, на основе построенной нами ранее модели зубочелюстной

системы [3] проведена серия компьютерных расчетов по определению напряженно-деформированного состояния системы "протез – имплантат – кость" при отсутствии естественного истирания зубного ряда (рис. 1,а) и при наличии истирания на 0,5 мм (рис. 1,б).

XYZ

а б Рис. 1. Фрагмент конечно-элементной модели

Рассматривались три типа смыкания зубов (прямое, нормогнатия и глубокое перекрытие) при углах

наклона (углах передачи нагрузки) в 1250, 1350 и 1450. Во всех вариантах расчета протезированию подвергался фронтальный резец верхней челюсти, который в исходной модели заменили двухэтапным винтовым имплантатом системы "ЛИКо" (рис. 2) с фиксируемой на нем искусственной металлокерамической коронкой.

Рис. 2. Имплантаты системы "ЛИКо"



Стираемостью искусственной коронки мы пренебрегли, поскольку прочность ее керамического покрытия значительно выше прочностных характеристик твердых тканей естественных зубов.

Из возможных модификаций геометрических размеров имплантатов (табл. 1) для исследований выбраны шесть: 1.101, 1.102, 1.201, 1.202, 1.301, 1.302. Таким образом, в экспериментах варьировался диаметр имплантата (три типоразмера) при двух значениях длины каждого из них.

Расчеты показали, что наличие естественной истираемости зубного ряда приводит не только к увеличению нормальных напряжений, которые, в основном, "отвечают" за прочность конструкции (что и следовало предположить), но и к увеличению касательных напряжений во всех трех координатных

плоскостях. Наибольший интерес представляют касательные напряжения xy (табл. 2), т.к. именно они

создают крутящий момент, который, в конечном счете, приводит к раскручиванию фиксирующего винта,

удерживающего протез. Для максимальных касательных напряжений max 36,9МПа,xy определенных при

наличии естественной истираемости зубного ряда и приведенных в табл. 2, соответствующий крутящий момент (диаметр фиксирующего винта 0 2,0ммd ) составил 5,79H смкрМ , что составляет около 20 %

от исходного закручивающего момента и неизбежно приводит к самораскручиванию фиксирующего винта.

Таблица 1 Геометрические параметры имплантатов

Длина, мм

Диаметр, мм

Модификации

1.101 8 1.102 10 1.103 13

1.104 16

3,5

1.201 8 1.202 10 1.203 13

1.204 16

4,0

1.301 8 1.302 10

1.303 13 5,0

При отсутствии истираемости эти напряжения составили только max 14,76МПа,xy что приводит к



возникновению крутящего момента 1,16H смкрМ , или 3,87 % от его исходной величины.

Следует отметить, что явление самораскручивания резьбовых соединений хорошо известно в технике. В машиностроении применяются различные методы стопорения против самораскручивания резьбовых соединений: а) контргайки, б) внесение в резьбу краски или герметика (неразъемное соединение), в) шплинты, г) специальные стопорные шайбы, д) стопорящее углубление под гайку, е) кернение и т.п.

Таблица 2

Нормальные и касательные напряжения (МПа) в модели с имплантатом Истираемость 0,5 мм Нулевая истираемость Тип

смыкания Угол, град. xy xz yz xy xz yz

125 102,88 12,9 2,9 38,6 41,2 5,16 1,1 15,39 135 206,6 7,5 10,5 37,0 82,6 3,1 3,68 15,1 Прямое 145 320,0 36,9 76,7 68,0 121,6 14,76 25,72 27,19 125 160,3 20,1 4,5 59,8 64,0 8,05 1,64 25,41 135 154,0 5,6 7,9 26,8 61,3 2,2 2,77 10,72

Нормо- гнатия

145 140,2 15,8 32,9 28,9 57,4 6,14 11,5 11,41 125 122,38 15,3 3,45 41,92 49,9 6,10 1,21 16,77 135 119,45 4,34 6,1 21,4 48,1 1,97 2,14 8,42

Глубокое перекрытие

145 117,12 13,5 28,1 24,9 47,7 5,94 9,8 8,97 Решение вопроса защиты от раскручиваний предложено компанией Nord-Lock. Идея заключается в

использовании напряжения и действия клина, который позволяет добиться лучших результатов по сравнению с обычными соединениями, которые используют исключительно силы трения. Этот метод использует напряжения, образовывающиеся в докручиваемом болте. Предохранением от раскручивания при данном методе служит система из двух шайб, каждая из шайб имеет на прилегающих поверхностях нарезы, в форме клина, с углом наклона большим, чем угол наклона резьбы соединяющего болта.

Вывод

Представленные результаты исследований являются основой для разработки новых методов защиты от раскручивания, которые могут быть использованы при протезировании.


1. Дащенко А. Ф. ANSYS в задачах инженерной механики / А. Ф. Дащенко, Д. В. Лазарева, Н. Г.

Сурьянинов ; под ред. Н. Г. Сурьянинова. – [2-е изд., перераб. и доп.]. – Одесса : Пальмира, 2011. – 505 с. 2. Лабунец В. А. Анализ осложнений, возникающих при протезировании несъемными

конструкциями зубных протезов, фиксированных на двухэтапных остеоинтегрированных винтовых имплантатах, их устранение и профилактика / В. А. Лабунец, О. Н. Сенников, Е. И. Семенов // Вісник стоматології. – 2009. – 3. – С. 82–84.

3. Семенов Е. И. Моделирование фронтального участка верхней челюсти с зубами и искусственным включением (внутрикостный цилиндрический имплантат) в программе ANSYS / Е. И. Семенов, Н. Г. Сурьянинов // Вісник стоматології. – 2011. – 1. – С. 74–79.


Рецензент: д.т.н. Параска Г.Б.



УДК 621.002 А.В. ГОРОШКО, В.П. РОЙЗМАН


СТАН ПРОБЛЕМИ ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ ЯКІСНОГО ПРОЕКТУВАННЯ

СТРУКТУРНО-СКЛАДНИХ ТЕХНІЧНИХ ВИРОБІВ ТА ТЕХНОЛОГІЧНИХ ПРОЦЕСІВ ЇХ ВИГОТОВЛЕННЯ

В статті здійснено огляд сучасного стану проблеми забезпечення заданого рівня характеристик якості

структурноскладних технічних виробів, виходячи з еволюції підходів до її постановки і розв’язання. Проаналізовано переваги і недоліки існуючих методів забезпечення технологічності конструкцій та ефективності технологічних процесів виготовлення технічних виробів шляхом обґрунтованого вибору допусків відповідних первинних факторів, які гарантують забезпечення заданого рівня характеристик якості. Сформульовано нерозв'язані задачі.

The paper reviews the current state of the problem of providing a given performance level of structurally complex techware, based on the evolution of approaches to its setting and resolution. The study is focused on the advantages and disadvantages of existing methods of technological design and efficiency of technological processes of techware production by reasonable choice of tolerances of appropriate primary factors that guarantee a given quality level. Unsolved problems have also been formulated.

Ключові слова: аналіз, синтез, допуски, фактори, зворотна задача, некоректно поставлена задача, погано обумовлена система рівнянь, багатомодальний закон розподілу.

Вступ

В широкому розумінні, якість виробу – це сукупність його властивостей, що обумовлюють придатність виробу задовольняти певні потреби відповідно до його призначення. Під якістю технічних виробів розуміють відповідність вихідних характеристик досліджуваних об’єктів нормативним рівням їх значень. Питання забезпечення якості технічних виробів на різних етапах проектування і виробництва розглянуті у численних вітчизняних і закордонних роботах та монографіях. Частина їх повністю присвячена вказаній проблемі, інші торкаються лише деяких їх аспектів.

Однією з основних задач, пов’язаних із забезпеченням технологічності конструкцій і ефективності технологічних процесів виготовлення технічних виробів, є обґрунтований вибір таких допустимих відхилень від номінальних значень (допусків) відповідних первинних факторів, які для конкретних техніко-економічних і організаційних умов серійного виробництва конструктивно і технологічно гарантують отримання вихідних характеристик виробу у передбачених ТУ межах.

Аналіз методів розв’язку задачі

Описані в літературі методи розв’язку вказаної задачі можна поділити на три основні групи, що відповідають еволюції підходів до її постановки. Розробка і розвиток методів, що відносяться до кожної з груп, історично були обумовлені ростом рівня складності систем, їх конструкції і, відповідно технологічних процесів їх виготовлення, ускладненням умов експлуатації і задач, що ними виконуються, а також досягнутим на відповідному етапі рівнем розвитку обчислювальної техніки, засобів виробництва і ступенем автоматизації. Характерною відмінністю методів однієї групи від іншої є конкретні цілі, що ставляться перед дослідниками і розробниками об’єктів на тому чи іншому етапі, а також засоби їх досягнення.

Охарактеризуємо методи кожної з цих груп. При цьому для отримання найповнішого уявлення про стан проблеми технологічності виробів і ефективності технологічних процесів їх виробництва поряд з методами синтезу допусків розглянемо і методи їх аналізу, а також інші питання, пов’язані з особливостями практичної реалізації кожного типу вказаних методів.

До першої групи можуть бути віднесені методи одержання будь-якого з можливих сполучень допусків на первинні фактори об’єктів, їх конструкцій і технологічних процесів їх виготовлення, що забезпечують їх працездатність, точність, надійність та інші характеристики якості. У відповідності до способів одержання розв’язку представники цієї групи можуть бути поділені на розрахунково-експериментальні, розрахунково-аналітичні і статистичні методи.

До розрахунково-еспериментальних відносять методи граничних і матричних випробувань. Метод граничних випробувань [1, 2, 3] дозволяє розв’язувати як задачу аналізу, так і синтезу

допусків, базується на визначенні розрахунковим шляхом граничного параметра, тобто того з первинних факторів, який найбільше впливає на вихідну характеристику, і побудові за результатами випробувань області працездатності в просторі двох первинних факторів (граничного параметра і будь-якого з решти факторів). Даний метод отримав широке застосування завдяки наочності і відносно простій реалізації. Тим не менше він має суттєвий недолік – проведення досліджень значень вихідної характеристики при одночасній зміні лише двох первинних факторів.

Метод матричних випробувань позбавлений цього недоліку і є подальшим розвитком і вдосконаленням попереднього методу [1]. Його суть полягає в моделюванні області стійкої роботи виробу при випробуваннях при всіх значеннях первинних факторів. Перевагою цього методу є можливість визначення допусків на первинні фактори з врахуванням їх взаємного впливу на вихідну характеристику. До



недоліків слід віднести трудомісткість і громіздкість обчислень при дослідженні вихідних характеристик, які залежать від великої кількості первинних факторів.

Загальним недоліком розрахунково-експериментальних методів є те, що при їх використанні процес визначення і відпрацювання допусків починається на підготовчому етапі і продовжується на всіх етапах проектування, а подальше уточнення допусків проводиться в процесі серійного виробництва і експлуатації. З розвитком складних об’єктів деякі етапи налаштування, на яких забезпечувалась відповідність вихідних характеристик заданим вимогам, стають взагалі нездійсненним.

Отже, вимоги визначення допусків на етапі вибору і розрахунок конструкції виробу обумовили перехід від емпіричного способу їх встановлення до розрахункового.

Розрахунково-аналітичний метод визначення допусків обумовлює встановлення залежностей, по-перше, між вихідними характеристиками об’єкту і їх первинними факторами (математичних моделей), і, по-друге, зміни вихідних характеристик виробів або їх вузлів від розкиду первинних факторів. Зупинимось докладніше на способах встановлення кожного з вказаних видів залежностей.

Питаннями побудови математичних моделей об’єктів і технологічних процесів їх виготовлення, що відображають залежності їх вихідних характеристик від первинних факторів, присвячена достатньо велика кількість робіт, наприклад [4–7], а також приділяється увага практично в кожній роботі, в якій розглядаються проблеми проектування, точності, надійності технічних виробів [1, 8–12], адже адекватність математичних моделей реальним об’єктам і процесам є однією з основних умов ефективного використання будь-яких розрахункових методів забезпечення якості на етапах проектування і виробництва.

В роботах [8, 4, 7, 9, 13–16], присвячених загальним проблемам моделювання, розглядаються різноманітні варіанти класифікації математичних моделей, основні принципи їх побудови, головні властивості, вимоги до них та інші питання.

Поклавши в основу класифікації способи побудови математичних моделей, їх можна поділити на аналітичні (детерміновані) і статистичні.

Аналітичні моделі, одержання яких вимагає знань особливостей внутрішніх процесів досліджуваного об’єкту або процесу, можуть бути запозичені з літератури або з числа вже розроблених схем аналогічних об’єктів [10], або ж вимагають проведення спеціальних досліджень.

Слід відмітити, що не завжди можна розробити розрахункову модель, яка б достатньо точно описувала реальний об’єкт, чисто аналітичними методами. Так, за умови значної складності об’єкта, така задача стає або дуже складною, або отримана модель малопридатна для отримання конкретних результатів. В цьому випадку при наявності дослідного зразка застосовують один із відомих експериментально-статистичних методів, наприклад активного планування експерименту (АПЕ), пасивного експерименту та ін. Існуючі плани АПЕ дозволяють побудувати моделі у вигляді лінійних, неповних або повних квадратичних поліномів, а також поліномів третього порядку [17–22]. Порівняльна оцінка планів показує, що вони відрізняються один від одного порядком моделей, можливістю врахування ефектів взаємодії первинних векторів, обсягом експерименту і ступенем простоти його обробки, а також точністю отриманих результатів [23–34].

Практика планування експерименту отримала в наш час широке поширення. Однак, як зазначають автори [35], складність природи кидає свій виклик планування експерименту. З побудовою порівняно простих моделей все більш-менш нормально, але дослідники прагнуть будувати все складніші – багатопараметричні, нелінійні за параметрами моделі. Складності, які тут виникають, наприклад, через необхідність проведення занадто великої кількості експериментів для побудови математичних моделей об’єктів, що складаються з значної кількості каскадів, вузлів та деталей, настільки серйозні, що питання можливості зниження кількості вказаних експериментів стає питанням перспективності самого методу АПЕ.

Однією з основних вимог, що пред’являються до математичних моделей, є їх стійкість. Доцільно коротко зупинитись на самому понятті «стійкість», оскільки зміст, який інженер інтуїтивно в нього вкладає, часто дещо розходиться з визначеннями з підручників. Р. Белман охарактеризував «стійкість» як сильно перевантажений термін з неусталеним визначенням [36], і це зауваження можна цілком і повністю віднести до даного поняття в проектуванні. У найширшому розумінні стійкість характеризує співвідношення між змінами збурюючих причин і змінами наслідків, що з них витікають. Незбурений процес називають стійким, якщо, зменшуючи причини, які викликають відхилення від нього, можна зробити наслідок меншим за довільні наперед задані величини. Строге визначення стійкості моделі за всіма або окремою групою первинних факторів наведене в [37]. Поняття стійкості тісно пов’язане з поняттям «коректності моделі» [38]. Причому, дуже часто в задачах з практичним значенням, приходять до некоректних моделей [39], які також називають «погано обумовленими» .

Мірою обумовленості, наприклад, систем лінійних алгебраїчних рівнянь (СЛАР) є число обумовленості матриці системи, яке характеризує, в скільки разів відносна похибка величин, що визначаються, може перевищувати відносну похибку вхідних даних [9]. В роботі [40] наводиться інше трактування обумовленості матриці з імовірнісної точки зору. Якщо при розгляді системи вектор правої частини заданий точно, а елементи системи є незалежними випадковими величинами з однаковими дисперсіями, то число обумовленості показує, в скільки разів відношення середньоквадратичних похибок невідомих до середньоквадратичного самих невідомих перевищує відношення середньоквадратичних похибок елементів матриці до середньоквадратичного самих елементів.



Цілий ряд авторів пропонують різні характеристики обумовленості матриць [9, 41, 42]. У вказаних роботах приводяться приклади систем, число обумовленості яких досягає 20000. Однак при цьому зустрічаються лише деякі загальні якісні міркування фізичного характеру, які покликані збільшити точність розв’язку таких погано обумовлених систем. Питання стійкості тісно пов’язане з питанням вибору математичної моделі. В роботах [37, 41] показано, що стійкість розв’язків різко падає з ростом порядку системи. І в цьому полягає протиріччя, суть якого в тому, що прийнята лінійна модель тим точніше описує реальний об’єкт, чим більше різноманітних факторів, які впливають на його функціонування, вона враховує, тобто чим більше порядок системи; але в цьому випадку різко зростає похибка розв’язку. Це протиріччя є наслідком недосконалості прийнятої розрахункової моделі і підкреслює необхідність пошуку оптимального розрахункового варіанта, прийнятного з точки зору стійкості, який би дав задовільну точність опису об’єкта.

В роботі [43] розроблені методи, які базуються на представлені досліджуваного об’єкту у вигляді крупних каскадів, кожен з яких описується лінійною системою, дослідженні кожного каскаду окремо і далі – їх взаємодії. Така ідея, на жаль, може бути застосована не завжди, оскільки зазвичай реальний об’єкт не вдається представити у вигляді незалежних каскадів.

Математичній проблемі розв’язку погано обумовлених СЛАР або задач, які зводяться до їх розв’язку, присвячені роботи [38, 44–49] та ін.

В [49] Д. Філіпс пропонує евристичний підхід, суть якого полягає в пошуку замість точного розв’язку СЛАР, сімейства розв’язків, яке б задовольняло цю систему в межах похибки задання вихідних даних, і подальшому виборі єдиного значення на основі деякого критерію гладкості.

Загальний підхід до розв’язку СЛАР запропонований А.Н. Тихоновим (метод регуляризації). Він полягає в побудові згладжуючого функціонала і находження розв’язку, яке доставляє йому екстремальне значення [38]. Метод зводиться, фактично, до накладання обмеження на гладкість допустимого розв’язку, тобто відповідає заданню апріорної інформації про властивості розв’язку.

Відомі також методи підвищення стійкості розв’язків шляхом ортогоналізації строк і стовбців матриці, застосування певним чином побудованих ітераційних процесів і т.д. [42, 47], однак, як і метод регуляризації, вони не дають універсального підходу до розв’язку вказаних задач, оскільки для своєї реалізації потребують врахування індивідуальних особливостей матриці системи, як то достатньо кваліфікованої математичної кваліфікації виконавця, тривалої роботи на ЕОМ, врахування фізичної сутності системи, що не завжди може бути виконано, особливо у виробничих умовах.

З цих причин виникає задача розробки вільних від вказаних недоліків методів підвищення точності ідентифікації об’єктів, що описуються погано обумовленими лінійними моделями.

Як відмічалось раніше, розрахунковий метод визначення допусків передбачає встановлення, окрім розглянутих залежностей вихідних характеристик технічних об’єктів від їх первинних факторів, залежностей між їх розкидами (похибками). Визначення цього типу залежностей за умови, що математичні моделі вже побудовані, базується на основних положеннях теорії точності, розробленої Н.Г. Бруєвичем і Н,А, Бородачевим [50–55], узагальненої і розвинутої в роботах [56, 57].

Основними напрямами проблеми точності виробництва є дослідження виробничих похибок, обґрунтування розрахунку допусків, конструктивне і технологічне забезпечення розрахункової точності [57]. Розв’язок цих питань потребує в першу чергу дослідження законів розподілу виробничих похибок.

Слід відмітити, що дослідження законів розподілу представляє собою самостійну проблему. Її приходиться розв’язувати при ідентифікації технологічних процесів, розробці нормативної документації, контролі якості продукції, що випускається, прогнозуванні ресурсів виробів, що експлуатуються і в ряді інших задач забезпечення якості виробів, причому значення величин, що контролюються визначають випробовуючи дослідні зразки з наступною обробкою експериментальних матеріалів методами математичної статистики.

Найбільш загальною задачею математичної статистики є вибір статистичної моделі розподілу досліджуваних ознак, що містить оцінку невідомих законів розподілу і їх параметрів, перевірку статистичних гіпотез і т.д. Метою побудови статистичної моделі є представлення даних спостережень шляхом підбору апроксимуючого розподілу. Історично склалося так, що нормальний розподіл вважався майже всеосяжною статистичною моделлю через достатньо загальні умови його появи [58]. Тому більшість статистичних критеріїв, методів і оцінок розроблені саме для цього випадку.

Між тим, таке положення речей не завжди відповідає дійсності. Так, наприклад, в [57] вказується, що нормальний закон розподілу похибок насправді може бути отриманий лише при виконанні значної кількості умов: у виборці представлена одна партія виробів, немає домінуючих причин виникнення похибок,не змінюється в часі кількість випадкових факторів, які обумовлюють виникнення похибок, всі випадкові фактори є взаємонезалежними і т.д.

Наприклад, при виробництві часто відбувається зміщення партій деталей або відбір (відбракування) деталей або готових виробів із виробничих партій, що приводить до спотворення характеру розподілів [1, 57, 59-61] і появі усічених і багатомодальних законів розподілу.

В роботах [55, 57] представлені види таких розподілів і розв’язується задача визначення виду і параметрів результуючої кривої за заданими видами і параметрами складових законів розподілу. Однак при побудові статистичних моделей розподілу найважливішою представляється зворотна задача, оскільки структура отриманих при вибіркових спостереженнях даних, як правило, невідома. Це задача визначення



кількості, частки і параметрів кожної із підвибірок (партій, що змішуються) в загальній виборці (змішаному розподілі).

У нечисленних літературних джерелах, де розглядається питання визначення параметрів складових розподілів у суміші [39], зустрічаються два протилежних судження. Так, якщо у [57] стверджується, що багатомодальні розподіли поки що не вдавалось апроксимувати відомими законами, то у [39] вказано, що вмілим усіченням і змішуванням відомих розподілів можна для даної емпіричної функції розподілу добре підібрати відповідну їй аналітичну функцію, правда, без опису способу такого підбору.

У важливості ж і необхідності вміння обробляти статистичні матеріали, які підкоряються багатомодальним законам розподілу, впевнені багато авторів [39, 59, 61], оскільки невміння працювати з такими статистичними матеріалами наносить колосальну шкоду виробництву через складність застосування науково обґрунтованих статистичних методів контролю і керування якістю продукції і перешкоджає впровадженню статистичних методів розрахунку виробів [1].

В роботах [62, 63] розглядається питання заміни ненормальних законів розподілу відносно невеликою кількістю нормальних складових для обчислення імовірності працездатності виробу, вираженої багатомірним інтегралом по ділянці працездатності від спільної функції розподілу імовірностей первинних факторів виробу. При цьому в [62] розбиття окремих законів розподілу імовірно сей на складові пропонується проводити шляхом прирівнювання моментів емпіричної і припустимої аналітичної функції розподілу імовірностей.

В [63] той же нормальний розподіл пропонується здійснювати, виходячи з умови мінімальної кількості складових, таким чином, щоб забезпечити задовільне узгодження суміші нормальних розподілів з

результатами експерименту на основі критерію 2 або інших статистичних критеріїв.

Всі запропоновані підходи мають недоліки. По-перше, розглядаються суміші лише тільки нормальних законів, в той час, як можна було б змішувати і будь-які інші одно модальні закони розподілу імовірностей. По-друге, застосування ідеї, викладеної в [62], важко реалізується через складність визначення оцінок моментів третього і вище порядків, які, до того ж, дуже чутливі до крайніх елементів вибірки і піддаються суттєвим коливанням від вибірки до вибірки, тобто побудовані на їх основі статистичні моделі виявляються чутливими до індивідуальних особливостей вибірки. Вказаних недоліків позбавлений метод, в основу якого покладене наближення емпіричної функції розподілу аналітичній на основі критерію максимальної правдоподібності [64].

Незважаючи на високу теоретичні цінність, при розв’язку практичних задач всі описані методи зазвичай незастосовувані, оскільки суперпозиції (суміші) щільності імовірностей, як правило, задаються не графіками, а деякими кінцевими вибірками реалізацій випадкової величини, що подаються у зручному для обробці вигляді, наприклад, у вигляді гістограми. Сама по собі гістограма дає можливість прогнозувати величину досліджуваного параметра лише на обмеженому інтервалі. Для побудови статистичної моделі розподілу і обґрунтованого прогнозування в області малих імовірностей необхідно наблизити її деякій аналітичній функції з продовженням останньої на числову вісь. Отже, вибір статистичної моделі розподілу визначається видом гістограми, який, в свою чергу, суттєво залежить від способу її побудови, і, особливо, від обраного кроку інтервалу значень.

Рекомендації з вибору кроку розбиття інтервалу значень досліджуваної випадкової величини, які є в літературі з теорії імовірностей і математичної статистики, носять чисто емпіричний характер. Зокрема Е.С. Вентцель [65] відмічає, що кількість кроків не має бути занадто великою (тоді ряд розподілу стає невиразним, і частоти виявляють в ньому нерівномірні коливання); з іншої сторони вона не має бути занадто малою (при малій кількості кроків властивості розподілу описуються статистичним рядом занадто грубо). В роботах [58, 61] теж дані рекомендації із вибору кількості інтервалів, але незважаючи на широке практичне використання вказаних рекомендацій, лишається відкритим питання обґрунтування вибору кроку розбиття інтервалу значень досліджуваної випадкової величини таким чином, щоб побудований статистичний ряд і гістограма відповідали дійсній структурі даних і забезпечували розкриття цієї структури, зокрема, наявності суміші розподілів.

Виходячи з основних напрямів теорії точності, розглянемо принципи побудови рівнянь похибок, на яких в свою чергу базуються методи розрахунку допусків. Розрізняють статистичний і розрахунково-аналітичний підходи до складання рівнянь похибок [57].

Розрахунково-аналітичний підхід [57, 66, 67] базується на розкладанні функції залежності вихідної характеристики виробу або процесу від його первинних факторів в ряд Тейлора в колі номінальної точки з точністю до лінійних членів і подальшому переході від абсолютних похибок до відносних. Коефіцієнти розкладання є основними якісними показниками параметричної чутливості виробу до зміни його первинних факторів і називаються функціями чутливості (ФЧ). На сьогодні в теорії параметричної чутливості [1, 68–70] розроблені методи находження ФЧ як для аналітичних, так і для інших видів математичних моделей.

Метод «максимума-мінімума» [57, 66] передбачає арифметичне сумування всіх граничних відхилень первинних факторів, при якому окремо складаються всі додатні, окремо – всі від’ємні відхилення. Недоліком цього методу є одержання перебільшених (у 1,5…10 разів) значень виробничих похибок вихідних характеристик при всіх різноманітних, але достатньо реальних комбінаціях відхилень первинних факторів.

Недоліком методу квадратичного складання [57], який полягає у обчисленні кореня квадратного із суми квадратів відхилень первинних факторів, є складність врахування і правильного сумування величин,



які характеризують центри групування, а також квадратичного сумування граничних, а не середньоквадратичних відхилень, що приводить до одержання занижених (приблизно у 6 разів) результатів.

Метод моментів [57, 67, 68] базується на досліджені виробничих похибок первинних факторів як випадкових величин, що підкоряються нормальним законам розподілу імовірностей. Він передбачає алгебраїчне сумування математичних сподівань і квадратичного сумування середньоквадратичних відхилень (для незалежних первинних факторів) цих законів з метою отримання параметрів нормального закону розподілу вихідної характеристики.

Статистичний підхід дозволяє прийти до певних висновків, але не дозволяє виявити причинні залежності. Крім того, він може застосовуватись лише у випадку нормальних законів розподілу імовірностей первинних факторів.

Одержані описаними методами співвідношення теорії точності дозволили розробити методи аналізу допусків, що базуються на переході від рівнянь похибок до рівнянь допусків [57]. Такий підхід здійснюється заміною відносних і абсолютних похибок допусками, що характеризуються половиною поля допуску і координатою середини поля допуску. Такими методами аналізу допусків в повній мірі притаманні всі описані недоліки методів аналізу виробничих похибок.

Необхідно відмітити і поширені на практиці методи статистичних випробувань [72-74]. Найбільш прийнятним з них є метод статистичного аналізу – Монте-Карло, прийнятний для оцінки імовірності находження вихідних характеристик виробу в області працездатності при заданих обмеженнях на вихідні характеристики і відомій функції багатовимірної щільності імовірності розподілу первинних факторів виробу. Застосування цього методу ускладнено через застосування багатовимірної функції щільності імовірності сумісного розподілу первинних факторів, яка, як правило, невідома або важко визначається.

На описаних різноманітних методах аналізу допусків і положеннях теорії точності базуються методи синтезу допусків. Слід відмітити, що задача аналізу допусків є однозначною, задача ж синтезу допусків [75], яка є оберненою до задачі аналізу, є математично недовизначеною, має безліч розв’язків, тобто безліч можливих сполучень допусків або параметрів законів розподілу первинних факторів, що забезпечують заданий розкид значень вихідної характеристики. Отже, розрахунок допусків на первинні фактори конструкцій або технологічних процесів їх виготовлення лише на основі методів «максимума-мінімума», квадратичного складання і моментів [52,57,76], відбувається підбором шуканих величин шляхом послідовного наближення в наступному порядку. На основі рівнянь допусків відповідно до вказаних методів їх аналізу, досліджується ступінь впливу похибок первинних факторів на похибки вихідних характеристик і, виходячи із відомих допусків на вихідні характеристики, вибираються допуски на первинні фактори. Далі розв’язується задача аналізу допусків, і у випадку, якщо розрахункове значення поля допуску більше заданого значення, то розрахунок повторюється. Таким чином, описані методи синтезу допусків з умови точності вимагають проведення громіздких обчислень без гарантії отримання задовільного результату на кожному текучому етапі процесу послідовних наближень. Крім того, застосування цих методів може призводити до отримання недоцільних (неоптимальних) з економічної, виробничої та інших точок зору.

Між тим, теорія точності слугувала основою, на якій розвивались методи розрахунку допусків другої групи. Методи цієї групи дозволили перейти до більш відповідального і важливого етапу комплексного вивчення похибок з метою не тільки аналізу і викриття причин, що їх породжують, але і відшукання шляхів керування процесом і переходу до оптимального синтезу похибок в реальних умовах виробництва. Отже, метою застосування методів другої групи є вибір раціональної системи допусків на первинні фактори виробів, а також технологічних процесів їх виготовлення з умов точності на їх вихідні характеристики і оптимальності обраних техніко-економічних показників [62, 71, 77]. З тієї причини, що методи цієї групи використовують співвідношення теорії точності, для них характерні всі ті ж труднощі, пов’язані з дослідженням виробничих похибок, побудови математичних моделей і забезпечення їх стійкості, що і для методів першої групи.

В постановочному плані методи оптимізації допусків розрізняються типами вибраних критеріїв оптимальності, які можна поділити на статистичні і детерміновані, видами і кількістю лімітованих факторів, а також типом використаних співвідношень теорії точності.

Більшість робіт присвячено вибору раціональної системи допусків за критерієм вартості [62, 77-83]. Так, наприклад, в [84] розглядається задача визначення такої системи допусків на первинні фактори, яка вибирається із умови забезпечення заданих допусків на вихідну характеристику і мінімізує функцію вартості. При цьому необхідне існування достатньо гладкої функціональної залежності для вихідної характеристики об’єкту від параметрів окремих деталей і вузлів. В [78] та ж задача розв’язується у дискретному просторі з додаванням одного лімітую чого фактора – досягнення заданого рівня параметричної надійності, що оцінюється імовірністю попадання вихідної характеристики в межі допуску. Для розв’язку обох задач передбачається використовувати метод найкращих приростів, який є модифікацією градієнтного методу оптимізації. В [80] розглянуто застосування методу динамічного програмування для визначення оптимального сполучення допусків елементів на базі існуючих класів точності при мінімальній вартості виробів (для дискретної функції вартості) і заданих обмеженнях на допуски за її вихідними характеристиками, в [81] для розв’язку аналогічної задачі використовується симплес-метод. В [82] і [83] розглядаються задачі вибору механічної системи допусків за критерієм вартості при, відповідно, лінійній та нелінійній залежностях вартості обробки від величини допуску, для розв’язку яких застосовуються методи лінійного програмування.



Всі перераховані підходи до розв’язку задач оптимізації допусків за критеріями вартості потребують для кожного з первинних факторів попереднього виявлення кількісної залежності вартості його формування від можливих поточних значень допусків. При всіх своїх перевагах ці методи не отримали широкого практичного застосування саме через відсутність в розпорядженні конструкторів і технологів вказаних достовірних техніко-економічних залежностей.

Традиційний підхід до розв’язку задач вибору номінальних значень первинних факторів і допусків на ці фактори описаними методами полягав у їх роздільній постановці і розв’язанні на різних етапах проектування без необхідного врахування ступеня критичності вихідних характеристик до варіації первинних факторів при виборі базового варіанта виробу. Такий стан проблеми обумовив недостатнє та (або) несвоєчасне відпрацювання основних питань точності технологічних процесів виготовлення виробів, мірою яких є допуски. Лише останнім часом з’явились методи, які враховують жорсткий взаємозв’язок питань забезпечення необхідної точності технологічних процесів зі специфікою конструктивних рішень, які приймаються на стадії проектування. В цих методах, які відносяться до третьої групи, визначення номінальних значень первинних факторів практично пов’язано з методами інженерної реалізації оптимальних рішень.

Аналізуючи методи третьої групи, необхідно відмітити, що в літературі визначаються два типи критеріїв оптимальності [85].

До першого з них відносяться процент виходу придатних виробів та імовірність працездатності виробів при зміні його первинних факторів, які необхідно максимізувати. Ці критерії характеризують оптимальність виробу для виробника.

Другий тип критеріїв характеризує оптимальність виробу для споживача. Тут важливо, щоб вихідні характеристики знаходили якомога далі від меж ділянки працездатності і якомога повільніше в часі просувались до цих меж. Оскільки для проектованого виробу зазвичай невідома швидкість цього руху, то зазвичай критерій максимальної надійності (який характеризує імовірність того, що протягом певного часу параметри виробу не вийдуть за межі працездатності) замінюють критерієм максимально віддалення параметрів від меж ділянки працездатності без врахування відмінностей у швидкостях руху параметрів до цих границь. Однак ці задачі розроблені лише в постановочному плані [85], або для їх розв’язку застосовується вдосконалений метод проб і помилок [86].

Слід особливо відмітити роботу [9], в якій описаний метод “центрування” розв’язку і призначення допусків для одночасного розв’язку задач вибору номінальних значень первинних факторів ф допусків на них. Задача вибору номінального проекту ставиться як задача оптимізації працездатності виробу при зміні його первинних факторів. Оптимізація допусків за критерієм вартості ставиться у відповідність вписуванню в ділянку працездатності деякого тіла при регулюванні допусків так, щоб мінімізувати вартість. Розв’язок цієї задачі передбачає зведення її до задачі лінійного програмування шляхом кусково-лінійної апроксимації ділянки працездатності та функції вартості і подальший її розв’язок симплекс-методом. Позитивною відмінністю запропонованого у [9] підходу від згадуваних раніше є оптимізація допусків за критерієм вартості при накладанні обмежень на самі вихідні характеристики, а не на їх допуски, оскільки перехід від рівнянь зв’язку вихідних характеристик з первинними факторами до рівнянь їх допусків пов’язаний з внесенням певних похибок. При всіх перевагах даного методу застосування його на практиці ускладнено, по-перше, через складність математичного апарата кусково-лінійної апроксимації ділянки працездатності і функції вартості при великій розмірності простору первинних факторів і, по-друге, через відсутність достовірних техніко-економічних, а також статистичних залежностей.

Найбільш загальний підхід до проблеми ціленапрямленого покращення якості виробів з врахуванням ступеня відхилення первинних факторів виробів від їх номіналів і вибору конструктивного виконання окремих елементів і технологічного процесу сформульований у [87]. Тут поставлена проблема формулюється у загальному випадку як задача параметричної оптимізації деякого узагальненого функціоналу, яка містить забезпечення максимальної працездатності виробу за рахунок вибору оптимального конструктивно-технологічного рішення, максимального виходу придатних виробів, мінімального значення техніко-економічного показника, який характеризує вартість при вибраному конструктивно-технологічному виконанні. Пошук значень вектору конструктивних параметрів здійснюється модифікованим методом моментів в обмеженій ділянці, яка є перетином ділянок фізичної реалізації, конструктивно-технологічних обмежень і обмежень, що накладаються зовнішніми збудниками. Однак на практиці цей метод не отримав широкого поширення через необхідність використання важко встановлювальних техніко-економічних залежностей.

Висновки Проведений огляд дозволяє зробити висновок про те, що на сьогодні забезпечення заданого рівня

характеристик якості при конструюванні і виробництві технічних об’єктів суттєво ускладнюється через наступні причини.

По-перше, поки що явно не завершена розробка загального методу розв’язку задач вибору оптимальних значень первинних (вхідних) параметрів, виходячи з обмежень, які накладаються на основні показники якості (надійність, точність, чутливість до технологічних та експлуатаційних збудників, масо-габаритні характеристики та ін.), отримання конструктивно, технологічно і економічно обґрунтованих допусків на вхідні параметри при заданих в технічних вимогах допустимих відхиленнях на вихідні



характеристики за відомих масштабів серійного виробництва. По-друге, не в повному обсязі розв’язані теоретичні та практичні аспекти синтезу конструктивних

варіантів технічних виробів, які б володіли оптимальною чутливістю до виробничих і експлуатаційних відхилень первинних факторів.

По-третє, недостатня надійність низки технологічних процесів виготовлення сучасних технічних виробів буває обумовлена відсутністю або складністю одержання наглядних і коректних математичних моделей, які відбивають вплив конструктивних і технологічних факторів на показники якості виробів.

Розв’язок цих задач вимагає додаткових досліджень багатьох питань, які мають самостійне значення в теорії і практиці конструювання і виробництва технічних виробів. До таких питань відносяться, наприклад, розробка принципів оперативної побудови математичних моделей технічних виробів, що містять незалежні каскади, вузли і елементи, розробка статистично-детермінованого методу отримання ефективних математичних моделей об’єктів дослідження, розробка методу побудови гістограм та обробки статистичних матеріалів з багатомодальними законами розподілу, розробка методу отримання розв’язків з наперед заданою точністю для погано обумовлених систем рівнянь.


1. Лопухин В.А. Обеспечение точности электронной аппаратуры: Конструкторско-технологические

методы / В.А. Лопухин. – Л. : Машиностроение. Ленинградское отд-ние, 1980. – 269 с. 2. Малинский В. Д. Испытания аппаратуры и средств измерений на воздействие внешних факторов :

справочник / В.Д. Малинский, В.Х. Бегларян, А.Г. Дубицкий. – М. : Машиностроение, 1993. 3. Кофанов Ю.Н. Теоретические основы конструирования, технологии и надежности

радиоэлектронных средств / Юрий Николаевич Кофанов. – М. : Радио и связь, 1991. – 360 с. 4. Математическое моделирование радиоэлектронных устройств / [Ильин В.Н. и др.]. – М. : Знание,

1974. – 64 с. – (Новое в жизни, науке и технике. Радиоэлектроника и связь ; вып. 12). 5. Применение методов теории планирования многофакторных экспериментов в технологии

машиностроения / [Ю.М. Зубарев, К.Н. Нечаев, В.И. Катенев, Г.А. Шишов]. – СПб : ПИМаш, 2000. – 130 с. 6. Применение многофакторных экспериментов второго порядка в технологии машиностроении /

[Ю.М. Зубарев, К.Н. Нечаев, В.И. Катенев, Н.Н. Ревин]. – СПб : ПИМаш, 2002. – 134 с. 7. Левин А.И. Математическое моделирование в исследованиях и проектировании станков / А.И.

Левин. – М. : Машиностроение, 1978. – 184 с. 8. Сотеков В.С. Основы теории и расчета надежности элементов и устройств автоматики и

вычислительной техники / В.С. Сотеков – М. : Высшая школа, 1970. – 270 с. 9. Петренко А.И. Основы автоматизации проектирования / А.И. Петренко. – К. : Техніка, 1982. – 295

с. – (Б-ка инженера). 10. Волков В.М. Микроэлектроника / В.М. Волков, А.А. Иванько, В.Ю. Лапий ; ред. В.Ю. Лапия –

К. : Техніка, 1983. – 263 с. – (Б-ка инженера). 11. Koucky M. Exact reliability formula and bounds for general k-out-of-n systems / M. Koucky //

Reliability Engineering and System Safety. – 2003. – 82. – C. 229–231. 12. Sun X.L. A convexification method for a class of global optimization problems with applications to

reliability optimization / Sun X.L., McKinnon K.I.M., Li D. // Journal of Global Optimization. – Volume 21. – Number 2. – C. 185–199.

13. Тарасик В.П. Математическое моделирование технических систем : [учебник для вузов] / В.П. Тарасик. – Минск : Дизайн-ПРО, 2004. – 640 с.

14. Кафаров В.В. Математическое моделирование основных процессов химических производств : учеб. для вузов / В.В. Кафаров, М.Б. Глебов. – М. : Высшая школа, 1991. – 400 с.

15. Gainsburg, J. The mathematical modeling of structural engineers / J. Gainsburg, // Mathematical Thinking and Learning. – 2006. – 8(1). – C. 3–36.

16. Kai Velten. Mathematical Modeling and Simulation: Introduction for Scientists and Engineers / Kai Velten. – Wiley-VCH, 2009. – 348 р.

17. Адлер Ю.П. Обзор прикладных работ по планированию эксперимента / Ю.П. Адлер, Ю.В. Грановский – М. : Изд-во МГУ, 1967. – 96 с.

18. Налимов В.В. Теория эксперимента / В.В. Налимов. – М. : Наука, 1971. – 207 с. 19. Хикс Ч. Основные принципы планирования эксперимента / Ч. Хикс ; [пер. с англ.]. – М. : Мир,

1967. – 406 с. 20. Адлер Ю.П. Введение в планирование эксперимента / Адлер Ю.П. – М. : Металлургия, 1969. –

330 с. 21. Anderson V.L. Design of Experiments. A Realistic Approach / V.L. Anderson, R.A. McLean – N.Y. :

Marcel Dekker Inc., 1974. – 250 p. 22. Peter Goos. Optimal Design of Experiments. A Case Study Approach / Peter Goos, Bradley Jones. – A

John Wiley & Sons, Ltd., Publication, 2011. – 287 p. 23. Мирселян Б.Г. Математическое планирование эксперимента при разработке и анализе сложных

электронных схем / Б.Г. Мирселян и др. // Проблемы планирования эксперимента : cб. ст. – М. : Наука, 1969.



– С. 33–38. 24. Бахвалов Л.А. Применение методов математического планирования эксперимента при анализе

радиоэлектронных схем / Л.А. Бахвалов // Методы разработки РЭА : cб. І. – МДНТП им. Ф.Э. Дзерджинского, 1970. – С. 23–26.

25. Сахаров Ю.С. Применение многофакторного планирования эксперимента для выбора параметров радиоэлектронных схем / Ю.С. Сахаров // Методы разработки РЭА : сб. І. – МДНТП им. Ф.Э. Дзерджинского, 1970. – С. 8–13.

26. Дьякова Н.С. Применение методов ранговой корреляции для обработки качественной информации / Н.С. Дьякова, Г.К. Круг // Труды МЭИ. – М. : МЭИ, 1966. – Вып. 67. – С. 66–68.

27. Мешалкин Л.Д. К обоснованию метода случайного баланса / Л.Д. Мешалкин // Зав. лаборатория. – 1970. – 3.

28. Dieter Rasch. Optimal Experimental Design with R / Dieter Rasch, Jürgen Pilz, Rob Verdooren, Albrecht Gebhardt. – Taylor & Francis Group, 2011. – 317 p.

29. Karl Siebertz. Statistische Versuchsplanung. Design of Experiments (DoE) / Karl Siebertz, David van Bebber, Thomas Hochkirchen. – London. New York : Springer Heidelberg Dordrecht, 2010. – 326 p.

30. Голикова Т.И. Свойства D оптимальных планов и методы их построения / Т.И. Голикова, Н.Г. Микешина // Новые идеи в планировании эксперимента. – М. : Наука, 1969. – С. 100–103.

31. Беленький В.З. Планирование эксперимента в радиодеталестроении и микроэлектронной технике / В.З. Беленький и др. // Информационные материалы АН СССР. Научный совет по комплексной проблеме «Кибернетика». – М. : ВИНИТИ, 1970. – 8/45. – С. 43–44.

32. Raymond M. Brach. Design of experiments and parametric sensitivity of planar impact mechanics / Raymond M. Brach. – 2007.

33. Власов Л.Г. Применение методов планирования экстремальных экспериментов в производстве резисторов / Л.Г. Власов и др. // Материалы ІІ Всесоюзной конференции по планированию эксперимента – М., 1968. – С. 82–83.

34. Маркова Е.В. Планирование эксперимента в условиях неоднородностей / Е.В. Маркова, А.В. Лисенков – М. : Наука, 1973. – 221 с.

35. Налимов В.В. Логические основания планирования эксперимента / В.В. Налимов, Т.И. Голикова. – [2-е изд., перераб. и доп.]. – М. : Металлургия, 1981. – 152 с.

36. Белман Р. Теория устойчивости решений дифференциальных уравнений / Р. Белман. – М. : Изд. ИЛ, 1954. – 300 с.

37. Ройзман В.П. Некоторые вопросы теории балансировки гибких роторов / В.П. Ройзман, Л.Д. Вайнгортин // Упругие и гидроупругие колебания элементов машин и конструкций. – М. : Наука, 1979. – С. 55–63.

38. Тихонов А.Н. Методы решения некорректных задач / А.Н. Тихонов, В.Я. Арсенин. – [2-е изд.]. – М. : Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1979. – 284 с.

39. Райнкше К. Модели надежности и чувствительности систем / К. Райнкше ; [пер. с нем.]. – М. : Мир, 1979. – 452 с.

40. Гусаров A.A. Балансировка роторов машин : в 2 т. т. 1 / A.A. Гусаров – М., 2004. – 267 с. 41. Микунис С.И. Вынужденные колебания и уравновешивание гибких роторов турбогенераторов :

автореф. дис. на соискание уч. степени канд. техн. наук / С.И. Микунис. – М. : МЭИ, 1967. – 18 с. 42. Бахвалов Н.С. Численные методы: Анализ, алгебра, обыкновенные дифференциальные

уравнения / Н.С. Бахвалов, Н.П. Жидков, Г.М. Кобельков. – М. : Наука, 1973. – 631 с. 43. Банах Л.Я. Упрощение расчетных схем динамических систем / Л.Я. Банах // Колебания и

динамическая прочность элементов машин. – М. : Наука, 1976. – С. 13–14. 44. Павлов А.С. О решении плохо обусловленных линейных систем итерационными методами /

А.С. Павлов, Л. Ф. Юхно // Матем. моделирование. – 2004. – 16:7. – C. 13–20 45. Xue X.J. A Direct Algorithm for Solving Ill-Conditioned Linear Algebraic Systems / X.J. Xue, K.J.

Kozaczek, S.K. Kurtz, D.S. Kurtz // JCPDS-International Centre for Diffraction Data 2000, Advances in X-ray Analysis. – Vol. 42. – P. 629–633.

46. Hoang N.S. Solving ill-conditioned linear algebraic systems by the dynamical systems method (DSM) / N.S. Hoang and A.G. Ramm // Inverse Problems in Science and Engineering, 16. – 2008. – 5. – P. 617–630.

47. Иванов В.К. Теория линейных некорректных задач и ее приложения / В.К. Иванов, В.В. Васин, В.П. Танана. – М. : Наука, 1978. – 206 с.

48. Стахов В.Н. Обобщение вариационных методов М.М. Лаврентьева и А.Н. Тихонова регуляризации систем линейных алгебраических уравнений с приближенно заданной правой частью, обеспечивающие потребности гравиметрии и магнитометрии / В.Н. Стахов // Геофизический журнал. – 2002. – 5. Т. 24. – С. 3–8.

49. Phillips D.L. A technique for the numerical solution of certain integral equations of the first kind / D.L. Phillips // J. Assoc. Comput. Mach. – 1962. – 9. – 1. – Р. 84–97.

50. Бородачев Н.А. Обоснованные методики расчета допусков и ошибок кинематических цепей : в 2 ч. / Н.А. Бородачев. – М. : Изд-во АН СССР, 1943–1946.

51. Бруевич Н.Г. Надежность, долговечность, точность / Н.Г. Бруевич // О надежности сложных технических систем. – М. : Сов. Радио, 1966. – С. 113–118.



52. Бруевич Н.Г. О надежности и точности автоматического производства / Н.Г. Бруевич // Изв. АН СССР. ОТН. Энергетика и автоматика. – 1959. – 4.

53. Бруевич Н.Г. Современные направления учения о точности в машиностроении и приборостроении / Н.Г. Бруевич // Теоретические основы конструирования машин. – М. : Машгиз, 1957. – С. 32–35.

54. Бородачев Н.А. Анализ качества и точности производства / Н.А. Бородачев. – М. : Машгиз, 1946. – 252 с.

55. Бородачев Н.А. Основные вопросы теории точности производства / Н.А. Бородачев – М. : Изд-во АН СССР, 1950. – 416 с.

56. Михайлов А.В. Эксплуатационные допуски и надежность в радиоэлектронной аппаратуре / А.В. Михайлов – М. : Сов. Радио, 1970. – 215 с.

57. Расчет электрических допусков радиоэлектронной аппаратуры / [под ред. В.П. Гусева и А.В. Фомина]. – М. : Сов. Радио, 1963. – 367 с.

58. Плескунин В.И. Теоретические основы организации и анализа выборочных данных в эксперименте / В.И. Плескунин, Е.Д. Воронина ; под. ред. А.В. Башарина. – Л. : Изд-во ЛГУ, 1979. – 232 с.

59. Гусев В.П. Технология аппаратостроения / В.П. Гусев. – М. : Высшая школа, 1972. – 494 с. 60. Точность производства в машиностроении и приборостроении / [под ред. А.Н. Гаврилова]. – М. :

Машиностроение, 1973. – 567 с. 61. Гаврилов А.Н. Основы технологии приборостроения / А.Н. Гаврилов. – М. : Высшая школа,

1976. – 328 с. 62. Иыуду К.А. Оптимизация устройств автоматики по критерию надежности / К.А. Иыуду. – М. :

Л. Энергия, 1966. – 194 с. 63. Методика расчета надежности изделий с учетом постепенных отказов. – М. : Гос. ком.

стандартов Сов. Мин. СССР, 1976. – 33 с. 64. Захарова Т.Н. К вопросу о статистической природе усталостной повреждаемости сталей и

сплавов / Т.Н. Захарова // Проблемы прочности. – М., 1974. – 4. 65. Вентцель Е.С. Теория вероятностей / Е.С. Вентцель. – М. : Наука, 1969. – 576 с. 66. Справочник по надежности : 2 т. / [под ред. Б.Е. Бердичевского ; пер. с англ.]. – М. : Мир, 1970. –

304 с. 67. Допуски в РЭА / [А.В. Фомин и др.]. – М. : Сов. радио, 1973. – 138 с. 68. Теория чувствительности и ее применение // Вопросы кибернетики / [под общ. ред. Р.М.

Юсупова]. – М. : Связь, 1977. – Вып. 23. – 188 с. 69. Проблемы теории чувствительности электронных и электромеханических систем // Тезисы

докладов всесоюзной НТК. – М. : Связь, 1978. – 233 с. 70. Математическое моделирование радиоэлектронных средств при механических воздействиях /

[Кофанов Ю.Н., Шалумов А.С., Журавский В.Г., Гольдин В.В.]. – М. : Радио и связь, 2000. – 226 с. 71. Мевис А. Ф. Допуски и посадки деталей радиоэлектронной аппаратуры : справочник / Мевис А.

Ф., Несвижский В. Б., Фефер А.И. ; под ред. О. А. Луппова. – М. : Радио и связь, 1984. – 152 с. 72. Колмогоров А.Н. Интерполирование и экстраполирование стационарных случайных

последовательностей / А.Н. Колмогоров. – М. : Изд-во АН СССР, 1941. – (Изв. АН СССР : Математика : т. 5, 1).

73. Беккер П. Проектирование надежных электронных схем / П. Беккер, Ф. Йенсен ; [пер. с англ. / под ред. И.А. Ушакова]. – М. : Сов. радио, 1977. – 256 с.

74. Binder K. Monte Carlo Simulation in Statistical Physics, An Introduction / K. Binder and D.W. Heerman – Berlin, Springer-Verlag. 1992. – 129 p.

75. Фомин А.В. Надежность полупроводниковых устройств летательных аппаратов / Фомин А.В. – М. : Машиностроение, 1968. – 267 с.

76. Рамеев Б.И. Об одном методе расчета надежности элементарных схем дискретного действия / Б.И. Рамеев // Пути развития советского математического машиностроения и приборостроения : материалы конференции, 1956. – С. 13–15.

77. Кофанов Ю.Н. Точность и параметрическая чувствительность РЭА: Обзор задач и методов / Ю.Н. Кофанов // Точность РЭА : материалы семинара. – М. : МДНТП им. Ф.Э. Дзерджинского, 1971. – Ч. І. – С. 28–29.

78. Белецкий В.В. Оптимальный выбор допусков РЭА градиентным методом в дискретном пространстве / В.В. Белецкий и др. // Точность РЭА : материалы семинара / МДНТП им. Ф.Э. Дзержинского. – М., 1971. – Ч. 2. – С. 3–6.

79. Кожевников А.М. Методы оптимального проектирования бортовых радиоэлектронных средств на основе моделирования их электрических, тепловых и механических режимов : дис. … доктора физ.-мат. наук / Кожевников А.М. – М., 2004. – 274 с.

80. Алексеев О.Г. Выбор оптимальных допусков на элементы аппаратуры / О.Г. Алексеев, С.М. Гаев // Изв. АН СССР : Техническая кибернетика – М., 1968. – 4. – С. 183–189.

81. Деньдобренко Б.Н. О выборе системы электрических допусков радиоаппаратуры / Б.Н. Деньдобренко, Б.П. Панушкин // Изв. ВУЗов : Приборостроение. – М., 1968. – 3. – С. 1–8.

82. Дунаев П.Ф. Методика расчетов рациональных допусков / П.Ф. Дунаев // Станки и инструмент. –



1952. – 6. 83. Юдин Д.Б. Задачи и методы линейного программирования / Д.Б. Юдин, Е.Г. Гольштейн. – М. :

Сов.радио, 1961. – 203 с. 84. Белецкий В.В. Оптимизация выбора допусков на параметры схем, элементов и узлов РЭА с

использованием ЭЦВМ / В.В. Белецкий // Методы математического и физического моделирования и оптимизации параметров радиоэлектронной аппаратуры. – М. : МДНТП им. Ф.Э. Дзержинского, 1972. – Вып. І. – С. 43–47.

85. Ильин В.Н. Машинное проектирование электронных схем / Ильин В.Н. – М. : Энергия, 1972. – 280 с.

86. Туркельтауб Р.М. Методы исследования точности и надежности схем аппаратуры / Р.М. Туркельтауб. – М. : Энергия, 1966. – 160 с. – (Б-ка по автоматике ; вып. 198).

87. Деньдобренко Б.Н. О модификации метода моментов для выбора оптимальных конструктивных параметров гибридно-пленочных микроузлов / Б.Н. Деньдобренко и др. // Конструирование микроэлектронной аппаратуры : материалы краткосрочного семинара ; под ред. В.И. Смирнова. – Л. : ЛДНТП, 1976. – С. 34–38.

Надійшла: 17.10.2012 р.




ТЕХНОЛОГІЇ ХАРЧОВОЇ ТА ЛЕГКОЇ ПРОМИСЛОВОСТІ

УДК 687.01.016

І.І. ЖУКОВСЬКА, М.П. БЕРЕЗНЕНКО, О.П. ПЕНЧУК Київський національний університет технологій та дизайну

ВИЗНАЧЕННЯ ВИХІДНИХ ДАНИХ КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГІЧНИХ

РІШЕНЬ ВИГОТОВЛЕННЯ ШТАНІВ ДЛЯ ВАГІТНИХ ЖІНОК Розглянуто варіанти конструктивнотехнологічних рішень виготовлення штанів з позиції зручності,

користі і краси. The options for constructivelytechnological solutions to produce pants from a position of convenience, value and

beauty. Ключові слова: штани, конструктивно‐технологічний варіант. Об’єкти та методи дослідження Об’єктом досліджень взято конструктивно-технологічні варіанти виготовлення штанів для вагітних

жінок. Постановка завдання Важливою складовою забезпечення нормального функціонування організму жінки і плоду в період

вагітності є забезпечення відповідним одягом, в якому поєднуються поняття зручності, користі та краси, які детально були розглянуті в тектоніці формування костюму [1].

Результати та їх обговорення Дослідження останніх років показали, що зручність виробів в значній мірі визначається

в’язкопружними властивостями вихідних матеріалів [2] і можливостями трансформації елементів одягу без суттєвих додаткових витрат. При цьому необхідно врахувати не тільки формоутворюючі властивості матеріалів, а їх утримуючу роль в процесі еволюції плоду. На цьому етапі експлуатації виробів важливо максимально розвантажити нижню частину хребта, з якою пов’язані відповідні енергетичні центри (чакри), а значить і власне здоров’я споживача одягу. В даному випадку мова йде про користь, яку надає організму жінки як сам матеріал, так і конструктивний устрій. При цьому до питання «користь», на наш погляд, необхідно віднести медико-біологічні [3], енергоінформаційні властивості матеріалів [4], які можуть бути вирішені за рахунок більш широкого використання матеріалів натурального походження (лляні, конопляні, бавовняні, вовняні), які самі по собі пригнічують вплив шкідливої мікрофлори [5] і водночас позитивно впливають на функціональний стан органів і систем органів [3]. В контексті сказаного, поняття «краса» уособлює два названих вище фактори і додатково визначається колористикою матеріалів, і що особливо важливо, конструктивним устроєм виробів. За рахунок трансформації досягається ефект елегантності жінки протягом всього періоду вагітності. Якраз цей аспект проблеми особливо важливий при формуванні конструктивно-технологічних питань виготовлення штанів для вагітних жінок.

Аналіз сучасного стану виробництва та споживчого ринку одягу для вагітних жінок показав, що за багатьма показниками він не задовольняє запити споживача. Тому його подальше вивчення та вдосконалення є актуальними. Для розв`язання цієї проблеми доцільно визначити базу даних конструктивно-технологічних рішень виготовлення штанів для вагітних жінок, що дасть можливість більш повно задовольнити все зростаючі запити споживачів.

На основі аналізу історичного розвитку одягу для вагітних [6, 7] нами доповнено раніше розроблену класифікацію елементів раціональних конструктивних рішень одягу для вагітних жінок [8], яку можна представити у вигляді багаторівневої системи (рис. 1):

1 рівень – спосіб конструктивного моделювання; 2 рівень – місце розташування конструктивного рішення у виробі; 3 рівень – місце розташування конструктивного рішення на деталі; 4 рівень – варіанти конструктивних рішень.



Конструктивне рішення

Спосіб конструктивного моделювання

Паралельне розведення елементів

Конічне розведення елементів

Комбінований спосіб

Місце розташування у виробі

Задня половинка штанів

Передня половинка штанів

Бічна частина

Ділянка талії

Ділянка стегон

Місце розташування на деталі

Варіант

конструктивного

рішення

Складки

Зборки

Вставки

Плісе

Гофре

Бантові

Односторонні

Вільні

Фіксовані

Прямокутні

Трапецієвидні

Трикутні

Пришивний еластичний пояс

Драпіровки

Зміна ширини напівзаносу

Розсування конструкції в місцях зєднання елементів

Внутрішні

Зовнішні

Одношарові

Багатошарові

Регульовані

Нерегульовані

Нееластичні

еластичні

Рис. 1. Структура класифікації елементів конструктивних рішень одягу для вагітних жінок

За способом конструктивного моделювання можна виділити конструктивні рішення, отримані

шляхом паралельного, конічного розведення деталей та комбінованим способом. Спосіб конструктивного моделювання визначається обраним способом трансформації конструкції.

Другий рівень класифікації характеризує місце розташування конструктивного рішення у виробі – задня та передня половина штанів, бічна частина. За місцем розташування на деталі виділені конструктивні рішення, розташовані у верхній частині деталі, в області талії та стегон.

На наступному рівні конкретизується вид конструктивного рішення. До найбільш популярних можна віднести різноманітні складки, зборки, драпіровки, що проектуються на ділянці підрізу. В поясному одязі (штани, спідниці) частіше зустрічаються конструктивні рішення, що містять різноманітні вставки або конструктивні рішення засновані на застосуванні еластичних властивостей тканин, що забезпечує



«розсування» конструкції в місцях з’єднання конструктивних елементів. Обмеженість використання складок та драпіровок в поясному одязі пояснюється тим, що значна кількість складок та зборок може підкреслити непропорційність фігури.

На основі попередньо проведеного опитування вагітних жінок та статистичної обробки отриманих даних був визначений вид одягу – штани як найбільш необхідний для вагітних жінок віком 25– 29 років, конструктивно-технологічні рішення яких наведені в таблиці 1.

Таблиця

Варіанти конструктивно-технологічних рішень штанів для вагітних жінок Елементи конструктивно-технологічного рішення

Варіанти розташування конструктивно-технологічного рішення у виробі

1 2 3 4 Тасьма еластична з проріззю + ґудзик + еластична вставка/виріб з трикотажного полотна

Розсування конструкції в швах + хлястик + текстильна тасьма/ґудзик

______________

Трикутна нееластична вставка + шнурування

______________

Еластичний пояс + зав’язка

Еластичний пришивний пояс

______________

Еластична вставка довільної форми

Еластична вставка прямокутна

______________

Запропонована, з врахуванням раніше виконаних робіт [9], присвячених одягу, що

трансформується, класифікація способів трансформації, регуляції та з’єднання елементів конструкції одягу для вагітних жінок дозволяє спростити пошук конструктивних рішень, а оцінка медико-біологічних і функціональних властивостей текстильних матеріалів дозволить більш аргументовано підходити до їх вибору.

Висновки Систематизовано конструктивно-технологічні рішення штанів для вагітних жінок. Розроблена база

даних дає можливість оперативно підібрати конструктивно-технологічні рішення для конкретної моделі та розширити модельний ряд за рахунок поєднання способів регулювання об’єму та варіантів конструктивно-технологічних рішень.



Література 1. Ніколаєва Т.В. Тектоніка формоутворення костюма : навч. посібник / Ніколаєва Т.В. – К. :

“Арістей”, 2005. – 224 с. 2. Яценко М.В. Оцінка в’язкопружних властивостей костюмних тканин та пакетів на їх основі /

М.В. Яценко, М.П. Березнеко, Х. Шафранська // Вісник КНУТД. – 2011. – 5. – С. 120– 125. 3. Березненко М.П. Створення антимікробних текстильних матеріалів на основі луб’яних волокон та

модифікованих синтетичних ниток // М.П. Березненко, В.Г. Вісленко, Н.Г. Бандура // Вісник КНУТД. – 2005. – 5, т. 1. – С. 22, 23.

4. Березненко М.П. Енерго-інформаційний аспект функціювання системи «людина – одяг – навколишнє середовище» // М.П. Березненко, В.І. Власенко, О.Й. Янцаловський, О.М. Лущевська // Вісник КНУТД. – 2011. – 4. – С. 104– 109.

5. Березненко Н.П. Проблемы комплексной переработки лубяных волокон и их использование в изделиях широкого потребления : энциклопедический справочник / Березненко Н.П. – М. : Издание АНРФ. – 2008. – 8. – С. 25– 32.

6. Сидоренко В.И. История стилей в искусстве и костюме / Сидоренко В.И. – Ростов н/Д : Феникс, 2004. – 480 с.

7. Жуковська І.І. Історичний аспект розвитку одягу для вагітних / І.І. Жуковська, М.П. Березненко // Вісник ХНУ. – 2011. – 5. – С. 58– 62.

8. Малухина И.В. Разработка структурной схемы основных функций одежды для женщин, ожидающих ребенка / И.В. Малухина, Е.Б. Коблякова // Сб. тезисов докладов междунар. научно-техн. конф. [«Актуальные проблемы науки, техники и экономики легкой промышленности»]. – М., 2000. – С. 215.

9. Славінська А.Л. Методи і способи антропометричних досліджень для проектування одягу : [монографія] / А.Л. Славінська. – Хмельницький : ХНУ, 2012. – 191 с.


Рецензент: д.т.н. Березненко С.М.

УДК 687: 658 М.І. ІГНАТИШИН, С.С. МАТВІЙЧУК

Мукачівський державний університет

ОСОБЛИВОСТІ АПРОКСИМАЦІЇ КОНТУРУ ДЕТАЛЕЙ ОДЯГУ

ПОЛІНОМАМИ ТА ЛІНІЯМИ ДРУГОГО ПОРЯДКУ В роботі авторами розроблено методику розбиття контуру деталей одягу поліномами та лініями

другого порядку. Методика була апробована представленням контурів уніфікованих лекал чоловічих штанів у виді аналітичної функції.

Authors it is developed a technique of representation of contours of details of clothes by polynoms and lines of the second order. The technique was approved on the unified curves of man’s trousers.

Ключові слова: технологічність, контури лекал, апроксимація, лінії другого порядку.

Постановка проблеми До пріоритетних напрямків розвитку сучасного промислового виробництва належить широке

застосування обчислювальної техніки, яка забезпечує виконання великого кола завдань підготовки виробництва виробів, їх реалізації та оцінки діяльності підприємства у певний період часу.

Ефективна робота підприємств швейної промисловості залежить від здатності в найкоротший термін реалізувати високоякісну продукцію, що неможливо реалізувати без технічних засобів. Система автоматизованого проектування одягу (САПР) характеризує науково-технічний напрям в проектуванні та забезпечує більш високий рівень технологічності виробу, що є одним з основних напрямків підвищення ефективності промислового виробництва при незначних додаткових витратах на його здійснення.

За ГОСТ 14.205-83 [108] технологічність конструкції виробу (ТКВ) – це сукупність властивостей конструкції виробу, які забезпечують його виготовлення, ремонт та технічне обслуговування за найбільш ефективною технологією у порівнянні з однотипними конструкціями того ж призначення за однакових умов їх виготовлення та експлуатації при тих же показниках якості.

Сучасні засоби автоматизації дозволяють поєднати в єдиний комплекс конструкторську та технологічну підготовку виробництва, проектування обладнання та управління технологічними процесами, а також усю виробничу діяльність підприємства.

Специфіка математичних моделей об’єктів, що проектуються, визначає математичне забезпечення системи САПР та внутрішній зміст процедур взаємодії інженера та ЄОМ.

При конструюванні розгорток оболонок виробів складних форм, якими є швейні вироби, виникає необхідність побудови ліній, пов’язаних з поверхнею, що конструюється.

Автоматизація процесу побудови та розмноження лекал швейних виробів передбачає наявність



інформації про об’єкт у вигляді математичної моделі та координат точок контурів лекал, а також математичної моделі перетворення контурів лекал вихідного розміру в лекала будь-якого заданого розміру. Представлення інформації у вигляді математичної моделі здійснюється при апроксимації криволінійних контурів лекал закономірними кривими.

Аналіз останніх досліджень і публікацій

Задача побудови ліній може бути розв’язана наступними інженерними методами [1]: - графічною побудовою лекальних кривих; - графічною побудовою кривих параболістичного типу; - кусково-дуговою апроксимацією контурів; - апроксимацією контурів кривими другого порядку; - аналітичним заданням кривих другого порядку; - афінним способом розрахунку другого порядку; - апроксимацією контурів способом найменших квадратів. Традиційно для математичного опису контуру криволінійних ділянок лекал використовують метод

інтерполяції та апроксимації. Апроксимація – заміна одних математичних об’єктів іншими, наближеними до вихідних. В

геометричному проектуванні апроксимація зводиться до заміни дискретно заданого контуру лекал кривими, які можуть бути виражені через різні функціональні залежності.

Аналіз деталей одягу показав, що, незважаючи на велику кількість різноманітних конструктивних рішень, їх форма може бути представлена у вигляді сукупності прямолінійних та криволінійних ділянок, що утворюють замкнений контур. Відповідно, якщо в пам’яті машини буде зберігатися деяка множина можливих варіантів конструктивних рішень контурів лекал деталей або окремих ділянок, то змінюючи параметри можна отримувати деталі нових моделей одягу різної форми. База даних цих варіантів може бути використана як у масовому, так і при дрібносерійному виробництві при виготовленні нових конструкцій. Широке застосування дана база має також при розробці лекал похідних деталей, коли здійснюється перетворення лекал основних деталей в лекала похідних деталей.

Для технічного розмноження лекал можуть бути задіяні різні способи задання контурів: кривими другого порядку, поліномом n-го ступеня, дугами та кусково-лінійною апроксимацією.

Мета роботи В зв’язку з тим, що швейні лекала мають різноманітну складну конфігурацію, описати єдиним

рівнянням весь контур майже неможливо, тому аналітичний опис подається на окремі ділянки. Кусково-аналітична модель, що використовується при цьому, представляє собою сукупність аналітично описаних простих ділянок та структуру з’єднання цих ділянок [2].

Метою роботи є розробка методики розбиття контуру деталей одягу поліномами та лініями другого порядку та апробація роботи представленням контурів уніфікованих лекал чоловічих штанів у вигляді аналітичної функції.

Виклад основного матеріалу досліджень

Будемо апроксимувати контури деталей одягу прямою:

lkxxy , (1)

параболою:

cbxaxxy 2 , (2)

та лініями другого порядку (параболою, гіперболою, еліпсом), що довільно розміщені відносно прямокутної системи координат XOY:

0122 EyDxCyBxyAx . (3)

Задача полягає в тому, щоб апроксимувати контури деталей одягу кусковими функціями у вигляді прямих та ліній другого порядку, параметри k, l, a, b, c, A, B, C, D, E знайти за відомими координатами точок контуру деталей одягу (Xi; Yi) з дотриманням умов спряження ліній (i – номер точки контуру, контур обходитимемо за годинниковою стрілкою).

Знаходження параметрів прямої, параболи та ліній другого порядку за координатами точок контуру деталі одягу. Пряму та параболу побудуємо як поліноми Лагранжа [3] першого та другого порядків відповідно. Загалом параметри всіх ліній знаходяться як розв’язки систем рівнянь, котрі математично описують факт проходження лінії контуру деталі одягу через задані точки.

1. Лінія проходить через дві точки. Параметри прямої лінії знайдемо за координатами двох точок (Xi; Yi) та (Xi+1; Yi+1) як розв’язок матричним способом [4] системи двох рівнянь:

1

1

1 1

1

i

i

i

i

Y

Y

X

X

l

k, (4)

2. Лінія проходить через три точки. Це парабола. Параметри параболи знайдемо за координатами трьох точок (Xi; Yi), (Xi+1; Yi+1) та (Xi+2; Yi+2) як розв’язок матричним способом системи трьох рівнянь:



2

1

1

22

2

12

1

2

1

1

1

i

i

i

ii

ii

ii

Y

Y

Y

XX

XX

XX

c

b

a

, (5)

3. Лінія проходить через п’ять точок. Параметри ліній другого порядку знайдемо за координатами п’яти точок (Xi; Yi), (Xi+1; Yi+1), (Xi+2; Yi+2), (Xi+3; Yi+3) та (Xi+4; Yi+4) як розв’язок матричним способом системи п’яти рівнянь:

1

1

1

1

11

442

4442

4

332

3332

3

222

2222

2

112111

21

22

iiiiii

iiiiii

iiiiii

iiiiii

iiiiii

YXYYXX

YXYYXX

YXYYXX

YXYYXX

YXYYXX

E

D

C

B

A

. (6)

З співвідношення (3) знайдемо рівняння кривих другого порядку в явному виді:

C

CExCDBExACBEBxxy

2

4224 222

2,1

. (7)

Криві існують, якщо:

04224 222 CExCDBExACB .

Спряження кускових функцій, що апроксимують контури деталі одягу. Параметри ліній знаходять з розв’язку систем рівнянь, що математично описують проходження лінії другого порядку через задані точки контуру деталі одягу та спряження її з прямою в заданій точці.

1. Спряження прямої та параболи. Задано три точки: (Xi; Yi), (Xi+1; Yi+1) та (Xi+2; Yi+2). Умову спряження прямої та параболи представимо як рівність похідних:

baxkcbxaxdx

dlkx

dx

d

dx

dy 22 . (8)

Останнє співвідношення пов’язує координату точки (Xi+1) з параметрами прямої та параболи:

kbaX i 12 . (9)

Розглянемо два випадки послідовності прямої та параболи при обході контуру деталі одягу: а) Перехід пряма-парабола. Точка спряження (Xi+1; Yi+1). Параметри прямої знайдемо з розв’язку системи рівнянь (4). Параметри параболи знайдемо з розв’язку системи трьох рівнянь:

2

1

1

22

2

12

1

1

1

1

012

i

i

ii

ii

i

Y

Y

k

XX

XX

X

c

b

a

, (10)

за умови

21 iii XXX або 21 iii XXX .

б) Перехід парабола-пряма. Точка спряження (Xi+1; Yi+1). Параметри прямої знайдемо з розв’язку системи рівнянь:

2

1

1

2

1

1

1

i

i

i

i

Y

Y

X

X

l

k. (11)

Параметри параболи знайдемо з розв’язку системи трьох рівнянь:

i

i

ii

ii

i

Y

Y

k

XX

XX

X

c

b

a

1

1

21

21

1

1

1

012

, (12)

за умови

21 iii XXX або 21 iii XXX .

2. Спряження прямої та лінії другого порядку довільно розміщеної відносно прямокутної системи координат XOY. Задано п’ять точок: (Xi; Yi), (Xi+1; Yi+1), (Xi+2; Yi+2), (Xi+3; Yi+3), (Xi+4; Yi+4). Умову спряження прямої та лінії другого порядку представимо як рівність похідних:



ECyBx

DByAxk

dy

yxdzdx

yxdz

lkxdx

d

dx

dy

2

2;

;

, (13)

де

1; 22 EyDxCyBxyAxyxz .

Розглянемо два випадки послідовності прямої та лінії другого порядку при обході контуру деталі одягу:

а) Перехід пряма– лінія другого порядку. Точка спряження (Xi+1; Yi+1). Співвідношення (14) координати точки (Xi+1; Yi+1) з параметрами прямої та лінії другого порядку:

022 1111 kEDCkYBYkXAX iiii . (14)

Параметри прямої знайдемо з розв’язку системи рівнянь (4). Параметри лінії другого порядку знайдемо з розв’язку системи п’яти рівнянь:

1

1

1

1

01221

442

4442

4

332

3332

3

222

2222

2

112111

21

1111

iiiiii

iiiiii

iiiiii

iiiiii

iiii

YXYYXX

YXYYXX

YXYYXX

YXYYXX

kkYYkXX

E

D

C

B

A

. (15)

б) Перехід лінія другого порядку– пряма. Точка спряження (Xi+3; Yi+3). Пов’яжемо координати точки (Xi+3; Yi+3) з параметрами прямої та лінії другого порядку:

022 3333 kEDCkYBYkXAX iiii . (16)

Параметри прямої знайдемо з розв’язку системи рівнянь:

4

3

1

4

3

1

1

i

i

i

i

Y

Y

X

X

l

k. (17)

Параметри лінії другого порядку знайдемо з розв’язку системи п’яти рівнянь:

1

1

1

1

01221

2233

2333

23

222

2222

2

112111

21

3333

iiiiii

iiiiii

iiiiii

iiiiii

iiii

YXYYXX

YXYYXX

YXYYXX

YXYYXX

kkYYkXX

E

D

C

B

A

. (18)

3. Спряження двох парабол. Задано чотири точки: (Xi; Yi), (Xi+1; Yi+1), (Xi+2; Yi+2), (Xi+3; Yi+3). Умову спряження парабол представимо як рівність похідних:

2211222

2112

1 22 bxabxacxbxadx

dcxbxa

dx

d

dx

dy . (19)

Розглянемо два випадки послідовності парабол при обході контуру деталі одягу: а) Точка спряження парабол (Xi+2; Yi+2). Параметри парабол знайдемо з розв’язку систем рівнянь:

2

1

1

22

2

12

1

2

1

1

1

1

1

1

i

i

i

ii

ii

ii

Y

Y

Y

XX

XX

XX

c

b

a

(20)

та

3

2

121

1

32

3

22

2

2

2

2

2 2

1

1

012

i

i

i

ii

ii

i

Y

Y

bXa

XX

XX

X

c

b

a

. (21)

б) Точка спряження парабол (Xi+1; Yi+1). Параметри парабол знайдемо з розв’язку систем рівнянь:



3

2

1

1

32

3

22

2

12

1

1

1

1

1

1

1

i

i

i

ii

ii

ii

Y

Y

Y

XX

XX

XX

c

b

a

(22)

та

i

i

i

ii

ii

i

Y

Y

bXa

XX

XX

X

c

b

a

1

111

1

21

21

1

2

2

2 2

1

1

012

. (23)

4. Спряження параболи та лінії другого порядку. Задано шість точок: (Xi; Yi), (Xi+1; Yi+1), (Xi+2; Yi+2), (Xi+3; Yi+3), (Xi+4; Yi+4), (Xi+5; Yi+5). Умову спряження прямої та лінії другого порядку представимо як рівність похідних:

ECyBx

DByAxbax

dy

yxdzdx

yxdz

cbxaxdx

d

dx

dy

2

22

;

;

2 (24)

Розглянемо два випадки послідовності параболи та лінії другого порядку при обході контуру деталі одягу:

а) Точка спряження параболи та лінії другого порядку (Xi+4; Yi+4). Параметри лінії другого порядку та параболи знайдемо з розв’язку систем рівнянь:

1

1

1

1

11

442

4442

4

332

3332

3

222

2222

2

112111

21

22

iiiiii

iiiiii

iiiiii

iiiiii

iiiiii

YXYYXX

YXYYXX

YXYYXX

YXYYXX

YXYYXX

E

D

C

B

A

(25)

та

5

4

44

441

52

5

42

4

4 2

2

1

1

012

i

i

ii

ii

ii

ii

i

Y

YECYBX

DBYAX

XX

XX

X

c

b

a

. (26)

б) Точка спряження параболи та лінії другого порядку (Xi+1; Yi+1). Параметри лінії другого порядку та параболи знайдемо з розв’язку систем рівнянь:

1

1

1

1

11

552

5552

5

442

4442

4

332

3332

3

222

2222

2

112111

21

iiiiii

iiiiii

iiiiii

iiiiii

iiiiii

YXYYXX

YXYYXX

YXYYXX

YXYYXX

YXYYXX

E

D

C

B

A

(27)

та

i

i

ii

ii

ii

ii

i

Y

YECYBX

DBYAX

XX

XX

X

c

b

a

1

11

111

21

21

1 2

2

1

1

012

. (28)

5. Спряження двох ліній другого порядку. Задано вісім точок точки: (Xi; Yi), (Xi+1; Yi+1), (Xi+2; Yi+2), (Xi+3; Yi+3), (Xi+4; Yi+4), (Xi+5; Yi+5), (Xi+6; Yi+6), (Xi+7; Yi+7). Умову спряження двох ліній другого порядку представимо як рівність похідних:



tEyCxB

DyBxA

EyCxB

DyBxA

dy

yxdzdx

yxdz

dx

dy

222

222

111

111

2

2

2

2;

;

. (29)

Розглянемо два випадки послідовності ліній другого порядку при обході контуру деталі одягу: а) Точка спряження ліній другого порядку (Xi+4; Yi+4). Параметри ліній другого порядку знайдемо з розв’язку систем рівнянь:

1

1

1

1

11

442

4442

4

332

3332

3

222

2222

2

112111

21

22

1

1

1

1

1

iiiiii

iiiiii

iiiiii

iiiiii

iiiiii

YXYYXX

YXYYXX

YXYYXX

YXYYXX

YXYYXX

E

D

C

B

A

(30)

та

1

1

1

1

01221

772

7772

7

662

6662

6

552

5552

5

442

4442

4

4444

2

2

2

2

2

iiiiii

iiiiii

iiiiii

iiiiii

iiii

YXYYXX

YXYYXX

YXYYXX

YXYYXX

ttYtXYX

E

D

C

B

A

. (31)

б) Точка спряження ліній другого порядку (Xi+3; Yi+3). Параметри ліній другого порядку знайдемо з розв’язку систем рівнянь:

1

1

1

1

11

772

7772

7

662

6662

6

552

5552

5

442

4442

4

332

3332

3

1

1

1

1

1

iiiiii

iiiiii

iiiiii

iiiiii

iiiiii

YXYYXX

YXYYXX

YXYYXX

YXYYXX

YXYYXX

E

D

C

B

A

(32)

та

1

1

1

1

01221

2211

2111

21

222

2222

2

332

3332

3

3333

2

2

2

2

2

iiiiii

iiiiii

iiiiii

iiiiii

iiii

YXYYXX

YXYYXX

YXYYXX

YXYYXX

ttYtXYX

E

D

C

B

A

. (33)

На рис. 1 представлено побудову контуру деталі чоловічих штанів – уніфікованого лекала підкладки передньої бічної кишені.

Кускові функції та такі:

1 3 4

2 1 3

2 4 0

якщо X

якщо X

якщо Xверх

L x x X

L x L x x X

Y x x X

та

1 8 0

3 1 8

якщо X X

якщо X Xниз

Y x xL x

Y x x

(34)

де ,

141

4951

141

81 xxL , 2

2

5 59 21

4 4 2L x x x , (35)

2 2

1 1 1 1 1 1 1

11

4 1

2

C x E C x E B A x D xY x

B

, (36)



2 2

1 1 1 1 1 1 1

21

4 1

2


B

, (37)

2 2

2 2 2 2 2 2 2

32

4 1

2


B

, (38)

при значеннях параметрів ліній: 3 4 4

1 1 1 1 11,479 10 , B 3,71 10 , C 1,439 10 , D 0,079, E 0,012, A 3 3 3

2 2 2 2 24,266 10 , B 1,593 10 , C 1,538 10 , D 0,131, E 0,094. A

Висновки Розроблено методику розбиття контуру деталей

одягу поліномами та лініями другого порядку та здійснено апробацію роботи представленням контурів уніфікованих лекал чоловічих штанів у вигляді аналітичної функції, зокрема для лекал похідних деталей – підкладки кишень.

Описана вище методика авторами реалізована в програмний продукт системи Mathcad Professional, що дає можливість частково автоматизувати процес апроксимації контуру деталі одягу заданого координатами точок поліномами та лініями другого порядку.

В роботі розглянуто одинадцять варіантів апроксимації контурів деталей одягу в тому числі вісім варіантів спряжень ліній, що базуються на координатах від двох до восьми точок.

Особливості запропонованої авторами апроксимації контуру деталей одягу поліномами та лініями другого порядку зокрема такі:

1. Апроксимація поліномом першого порядку тобто прямою здійснюється за двома точками і є однозначною.

2. Апроксимація поліномом другого порядку, тобто параболою можлива тоді, коли три точки слідують одна за другою в порядку зростання або спадання значення Xi, Xi+1, Xi+2.

0 5 10 15 20 25

5

5

10

15

20

25

30

35

40

y1

y2

y3

y4

y5

y6

y7

y8

y9

y10

y11

y12

Lверх x( )

Lниз x( )

x1 x2 x3 x4 x5 x6 x7 x8 x9 x10 x11 x12 x Рис. 1. Лінія контуру деталі одягу, що проходить через 12 точок (0,2; 13,4), (1; 24), (2; 35), (16,1; 34,2), (22; 20,1), (23,7; 14,8), (23,5; 7), (22,4; 4), (20,6; 2), (15; 0), (7; 3,8), та (3,7; 7,5)

3. Апроксимація спряженими трьох і більше точок дає плавні лінії за певних умов, що стосуються координат.

4. Всі розглянуті апроксимації контурів деталей виконані з застосуванням однакового математичного апарату, – розв’язку системи рівнянь, що дає можливість максимально скоротити об’єм інформації про контур та покращити естетичне представлення контуру.

5. Можливе подальше вдосконалення запропонованої авторами апроксимації шляхом перетворення отриманих функцій в кубічні сплайн-функції, що мають найбільше розповсюдження при математичному описанні контурів деталей [5, 6]. При переході до сплайн-функцій доцільніше і точніше в якості параметру застосувати інтегральну довжину дуги контуру на відміну від запропонованої в [1] сумарної довжини хорд.

Внаслідок стабільності даного асортименту доцільним є розробка технологічної конструкції та представлення контурів лекал її деталей у виді аналітичної функції, що прискорить процес побудови похідних деталей, розмноження лекал та розробку нових моделей шляхом внесення коректив у програму.


1. Коблякова Е. Б. Конструирование одежды с елементами САПР : учебник / [Е.Б. Коблякова, Г.С.

Ивлеева, В.Е. Романов и др.]. – М. : КДУ, 2007. – 464 с. 2. Коблякова Е. Б. Основы конструирования одежды : [учебник] / Коблякова Е. Б., Савостицкий

А.В., Ивлеева Г.С.; под ред. Е.Б. Кобляковой. – М. : Легкая индустрия, 1980. – 448 с. 3. Самборська О. М. Чисельні методи : навч. посібник для студ. вищих навч. закладів / О. М.

Самборська, Б. Г. Шелестовський. – Тернопіль : ТНТУ імені Івана Пулюя, 2010. – 164 с. 4. Корн Г. Справочник по математике для научных работников и инженеров / Корн Г., Корн Т. – М.

: Наука. 1978. – 160 с. 5. Фокс А., Пратт М. Вычислительная геометрия. Применение в проектировании и на производстве

/ А. Фокс, М. Пратт. – М., 1982.



6. Завьялов Ю. С. Метод сплайн-функций / Завьялов Ю. С., Квасов Б. И., Мирошниченко В. Л. – М., 1980.


Рецензент: д.т.н. Славінська А.Л.

УДК 687.13: 687.152: 687.03 Ю.Б. КОКОЯЧУК, О.М. ТРОЯН, Л.С. СТЕПАНОВА


ОБҐРУНТУВАННЯ ВИБОРУ ПАКЕТА МАТЕРІАЛІВ ДЛЯ ВИГОТОВЛЕННЯ

ДИТЯЧОЇ КУРТКИ-РЮКЗАКА ДЛЯ СКАУТІВ У статті висвітлено результати дослідження та вибору матеріалів за комплексним показником якості

для виготовлення дитячої курткирюкзака для скаутів з урахуванням призначення виробу та специфічних умов експлуатації.

Тhe results of research and choice of materials for child’s jacketbackpack for scouts based on the complex index of quality taking into account setting and specific external environments are reflected in the article.

Ключові слова: скаут, формений одяг, куртка, рюкзак, трансформація одягу, вибір матеріалів.

Постановка проблеми Особливості скаутської діяльності передбачають участь дітей у таборах, мандрівках та подорожах,

тобто тривале перебування на відкритому повітрі за відсутності приміщень, в яких можна знайти захист від опадів чи вітру. Згідно з [1], під час скаутської діяльності, крім основного скаутського форменого одягу (СФО), до складу якого входить сорочка та шорти для хлопчика і блузка та спідниця для дівчинки, додатково допускається використання вітрівки, дощовика або пончо, проте, чітких вимог до зовнішнього вигляду та сировинного складу матеріалів такого одягу не визначено. Тому, скаути за несприятливих кліматичних умов використовують верхній одяг побутового призначення, що за кольоровим, стильовим та силуетним вирішенням відрізняється від СФО, а тому не відповідає стилю скаутських організацій.

Враховуючи вищезазначене, для забезпечення захисних властивостей СФО доцільним є проектування додаткового одягу – дитячої куртки-рюкзака [2] з високим рівнем водо- та вітрозахисних властивостей. Даний виріб призначений виконувати роль куртки-дощовика за несприятливих погодних умов (атмосферних опадів, вітру), а завдяки трансформуванню в рюкзак – служити для зручного зберігання дрібних речей та самої куртки, що розширює функціональні можливості виробу.

Якість дитячого одягу, з огляду на його відповідність потребам споживача та умовам експлуатації, значною мірою залежить від властивостей матеріалів, з яких його виготовлено. Особливу увагу приділяють вибору матеріалів для дитячого одягу. Оскільки дитяча куртка-рюкзак є новим видом асортименту швейних виробів, сьогодні відсутні рекомендації та нормативно-технічна документація для вибору матеріалів для цього одягу, що перешкоджає процесу його якісного виготовлення. Тому необхідним є визначення показників якості та наукове обґрунтування вибору матеріалів для виготовлення дитячої куртки-рюкзака, що забезпечить захист споживача від дії кліматичних чинників, а обрані матеріали володітимуть достатнім рівнем гігієнічних властивостей.

Аналіз останніх досліджень та публікацій Сьогодні для виготовлення плащів і курток зазвичай використовують тканини з синтетичних

комплексних ниток, з синтетичних комплексних ниток у поєднанні зі змішаною пряжею, текстурованими нитками зі змішаної віскозно-лавсанової або бавовняно-лавсанової пряжі [3]. Згідно з [4], куртки для дітей старшої шкільної вікової групи слід виготовляти з матеріалів з допустимим вмістом лавсану (ПЕ) 67 %, нітрону (ПАН) – 67 %, капрону (ПА) – 67 %, віскози – 0 %, ацетату – 0 %. При виготовленні курток з матеріалів типу «Болонья», «Лаке» допускається використання матеріалів зі 100 % вмістом ПА.

Разом з тим, сучасний ринок матеріалів для виготовлення курток та плащів постійно розширюється, поповнюється тканинами з водовідштовхувальним просоченням, прогумованими (одно- і двошарові) полімерним та мембранним покриттям із мікропористою структурою. Мембранне покриття типу Gore-Tex, Sympatex має високі показники вітро- та водотривкості при достатній паропроникності [5]. Проте, ціна таких тканин є надто високою для пересічного українського споживача, особливо для виготовлення дитячого одягу, який через швидкість ростових процесів дітей має короткий термін експлуатації.

Враховуючи інтерес дітей до всього яскравого та незвичного, для виготовлення дитячих курток сьогодні часто пропонують тканини типу «Фольга» з восковим чи пластиковим покриттям. Ці тканини бувають жорсткими та хрусткими, тонкими та достатньо пластичними, водо- та вітротривкими [6]. Проте, їх зовнішній вигляд не відповідає естетичним вимогам скаутських організацій та традиційному художньо-композиційному рішенню основного СФО.

Формування мети та постановка завдання Метою дослідження є вибір матеріалів для виготовлення дитячої куртки-рюкзака для скаутів з

урахуванням призначення та умов експлуатації даного виду одягу.



Відповідно до сформованої мети поставлено наступні завдання: розробити систему показників якості матеріалів для виготовлення куртки-рюкзака; визначити комплексний показник якості матеріалів та виконати їх підбір для виготовлення куртки-рюкзака для скаутів.

Виклад основного матеріалу Враховуючи показники якості СФО, запропоновані у роботі [7], та рекомендації щодо вибору

показників якості [3], розроблено анкету та проведено експертне опитування фахівців швейної галузі для визначення вагомості показників якості текстильних матеріалів для дитячої куртки-рюкзака для скаутів. На основі експертної оцінки, розраховано коефіцієнти вагомості показників якості матеріалів для виготовлення куртки-рюкзака (ji > 1/n, де ji – коефіцієнт вагомості і-го показника, п – кількість показників якості), що дозволило визначити суттєво вагомі показники якості матеріалів для виготовлення СФО (рис. 1).

Х8 Х7 Х6 Х5 Х4Х3 Х2 Х1 0

0,01

0,02

0,03

0,04

0,05

0,06

0,07

0,08

0,09

0,1

1 2 3 4 5 6 7 8

Шифр показника

Коефіцієнт вагомості

показника

Рис. 1. Результати розрахунку коефіцієнтів суттєво вагомих показників якості текстильних матеріалів:

Х1 – водотривкість; Х2 – коефіцієнт повітропроникності; Х3 – гігроскопічність; Х4 – коефіцієнт незминальності; Х5 – розривальне видовження; Х6 – розривальне зусилля; Х7 – стійкість до дії світлопогоди; Х8 – поверхнева густина

За виявленими суттєво вагомими показниками якості проведено дослідження тканин плащової

групи, які в даний час використовують для пошиття курток: 1 – тканина «RipStop», 2 – тканина «Віва», 3 – прогумована плащова тканина, 4 – плащова тканина. Характеристика досліджуваних матеріалів представлена у таблиці 1. Як видно з табл. 1, досліджувані матеріали гладко фарбовані, полотняного переплетення, відрізняються вмістом складників сировинного складу, товщиною, числом ниток на 100 мм, поверхневою густиною та видами оброблення. Дослідження властивостей матеріалів проведено згідно діючих стандартів. Результати досліджень наведено у таблиці 2.

Таблиця 1

Характеристика текстильних матеріалів для дитячих курток Число ниток на 100 мм

Номер зразка

матеріалу

Назва матеріалу

Вміст складників сировинного складу, %

Товщина, мм

Основа Піткання

Поверхнева густина, г/м2

Вид перепле-тення

Оброблення

1 Тканина «RipStop»

50 – лавсан 50 – нітрон

0,090 392 292 66 Полотняне

гладко фарбована, зі спеціальним просочуванням

2 Тканина «Віва»


0,087 688 464 72 Полотняне

гладко фарбована, зі спеціальним покриттям

3 Прогумована тканина

10 – віскоза 45 – нітрон 45 – лавсан

0,123 420 300 164 Полотняне гладко фарбована, прогумована

4 Плащова тканина


0,130 724 408 60 Полотняне гладко фарбована



Таблиця 2 Результати проведення дослідження властивостей текстильних матеріалів

Зразки матеріалів 1 2 3 4

Шифр показни

ка Показник властивості матеріалу

Основа

Піткання

Основа

Піткання

Основа

Піткання

Основа

Піткання

Х5 Розривальне видовження, мм 16 20 18 17 19 17 19 21 Х4 Коефіцієнт незминальності, % 61,05 57,72 57,83 58,39 57,28 60,61 59,83 58,61 Х6 Розривальне зусилля, даН 29,4 25 32,7 22,2 28,1 17,6 30,4 18,4

4 год 28,5 24,4 31,8 21,1 27,3 17,3 29,9 18,4 Х7

Розривальне зусилля після дії світлопогоди, даН 8 год 27,8 24,8 30,6 19,2 25,7 17,3 24,6 18,4

Х1 Водотривкість, Па абсолютна абсолютна абсолютна 170 4 год 520 абсолютна абсолютна 110

Х7 Водотривкість після дії світлопогоди, Па 8 год 360 абсолютна абсолютна 100

Х3 Гігроскопічність, % 0,85 5,76 1,75 2,94

Х2 Коефіцієнт повітропроникності, дм3/м2*с

7,22 9,53 6,48 93,06

Для детальнішого аналізу структури обраних матеріалів досліджено фотографічні зображення

збільшених ділянок дослідних зразків тканин (рис. 2). Зображення отримано за допомогою металографічного дослідницького мікроскопу МІМ-10 зі збільшувальною здатністю від 20 до 2000.

Лицева сторона Виворітна сторона Лицева сторона Виворітна сторона а) «RipStop» б) «Віва»

Лицева сторона Виворітна сторона Лицева сторона Виворітна сторона в) Прогумована тканина г) Плащова тканина Рис. 2. Фотографічні зображення збільшених ділянок досліджуваних зразків матеріалів

Як видно з рис. 2а, тканина «RipStop» має щільну структуру переплетення, пори тканини заповнені

тонкою плівкою, це пояснює високу водотривкість, а спеціальне просочення зумовлює низьку гігроскопічність. Для тканини «Віва» (рис. 2б) характерне щільне переплетення та спеціальне покриття з виворітного боку тканини, що пояснює її високу водотривкість, яка не змінюється навіть після впливу світлопогоди. На рис. 2в показано прогумовану тканину, пори в структурі якої заповнені гумою, що зумовлює низьку повітропроникність і гігроскопічність матеріалу, а також високу водотривкість. Плащова тканина (зразок 4), що зображена на рис. 2г, має менш щільне переплетення, ніж зразки 1, 2, 3, що пояснює високу повітропроникність, але й низьку водотривкість матеріалу.

Для забезпечення об’єктивного вибору матеріалу з найвищим рівнем якості використовують метод комплексного оцінювання. Комплексне оцінювання якості матеріалів полягає у визначенні узагальнених комплексних показників, для підрахунку яких окремі показники якості з різною розмірністю переводять у безрозмірні. Безрозмірними показниками є відносні показники якості, рангові показники та бальні оцінки, показники бажаності тощо, для визначення яких необхідним є значення базових показників, які не завжди можливо визначити для досліджуваного виду одягу [8]. Особливо складно з’ясувати значення базових показників для властивостей сучасних матеріалів, які недавно з’явились на ринку.

Оскільки для дослідження вибрано матеріали, що відповідають вимогам діючих стандартів, в



рамках даної роботи запропоновано визначити комплексний показник якості матеріалів з використанням рангового показника (R). Визначення рангового показника полягає в тому, що кожному з досліджуваних зразків матеріалів присвоєно ранг від 1 до 4, залежно від числового значення властивості (таблиця 2).

Коефіцієнти вагомості суттєво вагомих показників якості досліджуваних матеріалів обраховано за формулою [8]:

Ji

Jiji* , (1)

де ji – коефіцієнт вагомості і-го показника; ji

*– коефіцієнт вагомості суттєво вагомих показників. Результати розрахунків наведено в таблиці 3.

Таблиця 3 Коефіцієнти вагомості суттєво вагомих показників якості матеріалів для куртки-рюкзака

Шифр показника

Коефіцієнт вагомості

Х1 Х2 Х3 Х4 Х5 Х6 Х7 ∑

ji 0,01 0,01 0,02 0,02 0,03 0,05 0,05 0,19 ji

* 0,03 0,04 0,09 0,12 0,17 0,28 0,28 1 Комплексний показник якості матеріалу становить суму добутків коефіцієнта вагомості та

рангового показника кожної властивості досліджуваних матеріалів і визначається за формулою:

in JRK , (2)

де Kn – комплексний показник якості матеріалу; R – ранговий показник зразка матеріалу; ji

*– коефіцієнт вагомості суттєво вагомих показників. Результати обрахунків представлено в таблиці 4. Найнижче числове значення комплексного показника якості характеризує найвищий рівень якості

зразка матеріалу. Як видно з таблиці 4, серед досліджуваних матеріалів найвищий рівень якості мають зразки 1 (тканина «RipStop») та 2 (тканина «Віва»), тому саме ці тканини рекомендовано для виготовлення дитячої куртки-рюкзака для скаутів.

Таблиця 4

Результати розрахунків комплексного показника якості матеріалів для куртки-рюкзака для скаутів Ранговий показник зразка

матеріалу, R Безрозмірний показник якості матеріалу, R*Ji

* Шифр показ-ника

Коефіцієнт вагомості показника якості, Ji

Показник властивості матеріалу

1 2 3 4 1 2 3 4

Х5 0,17 Розривальне видовження,

мм 2,5 4 2,5 1

0,43 0,68 0,69 0,28 Х4 0,12 Коефіцієнт незминальності, % 1 4 2 3 0,12 0,48 0,24 0,36 Х6 0,28 Розривальне зусилля, даН 2 1 4 3 0,56 0,28 0,67 0,51

Х7 0,14 Розривальне зусилля після дії

світлопогоди, даН 1,5 1,5 4 3

0,21 0,21 0,55 0,41 Х1 0,03 Водотривкість, Па 2 2 2 4 0,06 0,06 0,06 0,12

Х7 0,14 Водотривкість після дії

світлопогоди, Па 3 1,5 1,5 4

0,41 0,21 0,21 0,55 Х3 0,09 Гігроскопічність, % 4 1 3 2 0,36 0,09 0,27 0,18

Х2 0,04 Коефіцієнт

повітропроникності, дм3/м2*с3 2 4 1

0,12 0,08 0,16 0,04 Комплексний показник якості матеріалів, K 2,27 2,09 2,85 2,45

Висновки

1. Проведено експертне оцінювання показників якості матеріалів для виготовлення дитячої куртки-рюкзака, у результаті чого виявлено суттєво вагомі показники якості матеріалів, ними є: водотривкість; коефіцієнт повітропроникності; гігроскопічність; коефіцієнт незминальності; розривальне видовження; розривальне зусилля; стійкість до дії світлопогоди; поверхнева густина.

2. Досліджено фізико-механічні властивості матеріалів для куртки-рюкзака за виявленими суттєво вагомими показниками якості матеріалів.

3. Розраховано комплексні показники якості досліджуваних матеріалів, за якими для виготовлення



дитячої куртки-рюкзака для скаутів запропоновано плащову тканину «Віва» та «RipStop».

Література 1. Правильник про пластовий однострій і відзнаки. Частина перша [Електронний ресурс]. – Режим

доступа: http://www.plast.оrg.ua/files/files/users/10701/Pravylnyk_odnostrojiv_1.pdf. 2. Пат. 5643/ЗУ/12 України, МПК А41D15/00. Куртка-рюкзак / Кокоячук Ю.Б., Троян О.М.,

Краснюк Л.В., Ковальчук А.М.; заявл. від 16.03.2012; позитивне рішення. 3. Конфекціонування матеріалів для одягу: навч. посіб. / [Н.П. Супрун, Л.В. Орленко, Е.П.

Дрегуляс, Т.О. Волинець]. – К.: Знання, 2005. – 159 с. 4. СанПін 42-125-4390-87 Вложение химических волокон в материалы для детской одежды и

обуви в соответствии с их гигиеническими показателями. – М.: Издательство стандартов, 1987. – 8 с. 5. Краснюк Л.В. Удосконалення процесу проектування спортивного теплозахисного одягу для

гірських туристів: дис. … канд. техн. наук: 05.02.01 / Краснюк Лариса Володимирівна. – К., 2004. – 158 с. 6. Бескоровайная Г. П. Проектирование детской одежды / Г. П. Бескоровайная, C. В. Куренова. – М.:

Мастерство, 2002. – 96 с. 7. Кокоячук Ю.Б. Аналіз функцій та розробка вимог до скаутського форменого одягу / Ю.Б.

Кокоячук, О.М. Троян // Вісник Київського національного університету технологій та дизайну. – 2011. – 5. – С. 85– 94.

8. Гаврилов Т. М. Технологія підрахунку комплексного показника якості матеріалів для взуття за допомогою експертних оцінок / Т. М. Гаврилов // Легка промисловість. 2011. – 1. – С. 27– 29.



УДК 677.047.622.112.2 Ю.В. КОШЕВКО, М.О. КУЩЕВСЬКИЙ, Д.В. ПРИБЕГА


РОЗРОБКА ОБЛАДНАННЯ ДЛЯ РЕАЛІЗАЦІЇ ПРОЦЕСУ ФОРМУВАННЯ ТА ЗАКРІПЛЕННЯ ФОРМИ ГОЛОВОК ГОЛОВНИХ УБОРІВ З ТКАНИН

В статті розкривається проблема розробки обладнання для формування головок головних уборів з

тканин. Дана установка забезпечує високу якість виконання операції формування за рахунок максимальної автоматизації технологічного процесу, має низьку енергоємність за рахунок особливостей процесу „холодного” формування та низьку металоємність.

In the article the problem of development of equipment opens up for forming of heads of headdresses from fabrics. This setting provides high quality of implementation of operation of forming, due to maximal automation of technological process, has low energi volume due to the features of process of the „cold” forming and low metal volume.

Ключові слова: формування, пуансон, головки головних уборів, пресове обладнання, динамічні методи формування.

Постановка проблеми

В легкій промисловості для виготовлення жіночих головних уборів широке застосування отримало електромеханічне та гідравлічне пресове обладнання. Проте дане обладнання має ряд недоліків, таких як висока метало- та енергоємкість, значне виділення тепла та вологи під час формування тощо. Висока вартість даного обладнання унеможливлює його застосування при індивідуальному виготовленні виробів, в тому числі головних уборів.

Проведений аналіз літературних джерел показав, що мало уваги приділялось питанням розробки та дослідженню обладнання для виготовлення формованих головних уборів з тканин. Тому розробка обладнання для формування головки головних уборів є актуальним завданням і представляє інтерес для галузі легкої промисловості.

Аналіз останніх досліджень і публікацій В умовах сучасного виробництва волого-теплова обробка (ВТО) здійснюється за допомогою

прасувального та пресового обладнання, при цьому тепловому впливу піддається вся площа деталі, при необхідності формування у визначеній ділянці матеріалу. При ручному способі тиск на напівфабрикат забезпечується вагою праски та зусиллям прасувальника. Необхідна деформація деталі досягається за рахунок виконання таких операцій ВТО, як спрасування та відтягування. Це не дає можливості витримати необхідні режими обробки і якісно виконати відповідні операції.

Для забезпечення достатнього рівня якості, а особливо об’ємних деталей виробів при їхньому формуванні на пресах важливо встановити не лише раціональні режими та вірно обрати властивості амортизаційних покриттів, але і відрегулювати механізм взаємодії верхньої та нижньої подушок (пуансона та матриці), що в кінцевому випадку визначає механізм формоутворення та величину деформацій



текстильного матеріалу [1]. Отримання об’ємної форми на пресовому обладнанні виконується без втручання оператора. Однак і

в цьому випадку, кінцевий результат багато в чому визначається конфігурацією елементів подушок, а саме співвідношенням радіусів їх кривизни Rв (верхня подушка) та Rн (нижня подушка) (рис. 1) [2]. Найкращий ефект формування досягається, якщо Rв більше Rн, а контури деталей не стискаються подушками. За таких умов забезпечується деформування сітьових кутів тканини від 10 до 120, при цьому відносне видовження ниток основи і утоку не перевищує відповідно 0,8 % і 1,5 %.

Не покращує деформаційних властивостей матеріалу і використання при формуванні пресів із гофрованими подушками. В даному випадку (рис. 1) формотворення покращується за рахунок попереднього утворення слабини тканини (3) до її стиснення на ділянках А-А1 при зближенні поверхонь верхньої (1) і нижньої (4) подушок. Отримання необхідної форми деталей різних розмірів може бути вирішено шляхом заміни пуансона (2).

Отримані деформації при цьому досягаються здебільшого за рахунок зміни лінійних розмірів волокон та ниток

2

4

3

Rв

Rн

1

Рис. 1. Конструкція елементів подушок преса для об’ємного

формування деталей одягу: 1 – верхня подушка; 2 – пуансон; 3 – тканина; 4 – нижня подушка

текстильних матеріалів при незначній зміні сітьових кутів. Мінімальна деформація матеріалу спостерігається на найбільш випуклій ділянці, а максимальна – на межі переходу від випуклої до плоскої форми подушки [3]. Недоліками цього способу є те, що така деформація після зняття навантаження нестійка у часі. Також при використанні пресового обладнання відбуваються значні втрати енергії та нерівномірний розподіл пресувального зусилля по поверхні текстильного матеріалу [1– 3].

Слід відмітити, що статичні методи формування деталей не забезпечують необхідних умов для активної роботи «грубої» структури тканини в процесі формування. Таким чином, для пресового обладнання є характерним: наявність двох жорстких поверхонь та статичне прикладання формувального навантаження з одночасною дією тепла та вологи. Суттєвими недоліками статичних методів формування є нерівномірність розподілу зусилля формування по всій поверхні, складність регулювання загального зусилля пресування і, особливо, мала активність «грубої» структури матеріалу.

Низкою науковців розроблено способи, які частково усувають згадані вище недоліки статичних методів формотворення: мембранний спосіб формотворення; створення технології формоутворення на основі використання ефектів відцентрових сил в комплексі з СВЧ-джерелами енергії; вібропрасування з використанням енергії електромагнітних хвиль; використання динамічних методів впливу на матеріал в умовах різних способів подачі робочих середовищ [1, 3]. Останнім часом науковцями запропоновано покращувати деформаційні властивості матеріалів не шляхом форсування температурних режимів, а зміною кількості вологопоглинання.

Автором роботи [4] було розроблено спосіб та установку для формування деталей головних уборів об’ємної форми. Дана установка також має певні недоліки, оскільки процес здійснюється без застосування автоматизації та непередбачено формозакріплення наданої форми в процесі формування.

Формулювання цілей статті. З метою покращення якості виконання технологічної операції формування головки головних уборів з тканин необхідно розробити обладнання для реалізації даного технологічного процесу, що усунуло б недоліки його прототипів.

Виклад основного матеріалу досліджень. В роботі [5] наведено конструкцію установки для формотворення головки головних уборів. Схему

установки наведено на рис. 2. Установка для формування деталей головних уборів об’ємної форми в РАРС працює наступним

чином. Заготовку 7 закріплюють за допомогою підпружиненого кільця 8 на формувальному елементі 6 та

платформі 9, яку потім нагвинчують на шток 15. Камеру 16 закривають і в робочу зону через вентиль 13 подають сталу кількість РАРС. В камеру також подають повітря під тиском для того, щоб стиснути РАРС. Пульсацію повітря зверху забезпечують двома розподільниками 18 та 19, якими керують за допомогою ЕОМ через паралельний порт та блок гальванічної розв’язки (БГР). Величина тиску повітря, що подають із компресора 1 контролюють манометром і встановлюють за допомогою СТП 2. Для забезпечення пульсації формувального елемента з напівфабрикатом застосовують мембранний пневматичний привід 14, впускання та випускання повітря в камеру якого забезпечують двома розподільниками 20 та 21, електромагнітним приводом якого керують через паралельний порт ЕОМ та БГР.

Тиск повітря в камері пневматичного приводу встановлюють за допомогою СТП 17 та контролюють манометром 3. Після проведення формування та відсмоктування РАРС через формувальний елемент 6 з напівфабрикатом 8 та шток 15 проводять сушіння та стабілізацію отриманої головки головного убору в сушильній камері. Від величини встановленого тиску в мембранному пневматичному приводі 14



пропорційно залежить амплітуда пульсації штока в робочому середовищі. Для вимірювання тиску повітря та тиску робочого середовища передбачено два датчика тиску ДТ1 та ДТ2 (MPX5700AP), які містять вбудований операційний підсилювач [6], що полегшує їх узгоджену роботу з аналого-цифровим перетворювачем АЦП.

Для вимірювання параметрів технологічного процесу, а також для керування режимами його протікання було розроблено принципово нову та модернізовано існуючу апаратуру. Оскільки електромагнітні клапани мають напругу живлення 220 В, виникла необхідність розробити блок гальванічної розв’язки. Даний блок дозволив також керувати через паралельний порт комп’ютера роботою компресора та регулювати температуру. Основною ланкою вимірювальної апаратури був АЦП. Всі елементи вимірювальної та контрольно-регулюючої апаратури розглянемо більш детально.

Як відомо [7, 8], паралельний порт містить 8 незалежних виходів, на які можна посилати біти даних. Так, при посиланні в порт числа від 1 до 255 на контакти з 2 по 9 подається логічна 1 або 0. При подачі

Рис. 2. Схема установки для формування деталей головних уборів об’ємної форми в рідинно-активному робочому середовищі (РАРС)

логічної одиниці на вказаних контактах виникає напруга 5 В. Використовуючи оптичну розв’язку для захисту порту комп’ютера, а також силовий симістор можна вмикати прилади, що живляться від мережі 220 В. На рисунку 3 зображено схему керування приладом, що живиться від мережі 220 В.

LPT

(pin 2...9)

GND

(pin 18...25)

220

В

R3R2 VD1

VT1R1

VS1RH

вмик/викн.

живлення

Рис. 3. Схема керування приладами, що живляться від мережі 220 В за допомогою паралельного порту

Принцип роботи схеми керування наступний. При подачі логічної одиниці на один з виходів отримуємо напругу на контактах рознімання +5В. В

цей момент спрацьовує транзистор VT1, що відіграє роль ключа, та оптопара VD1. В результаті подачі напруги на управляючий електрод симістора VS1 замикається електричне коло, в яке включено RH – прилад, що необхідно було увімкнути. Для живлення схеми керування можна використовувати як окреме джерело, так і живлення отримане з паралельного порту.

Для подачі логічної одиниці на один з виходів необхідно видати в порт число таким чином: 1 вихід – 1 2 вихід – 2 3 вихід – 4 4 вихід – 8 5 вихід – 16 6 вихід – 32 7 вихід – 64 8 вихід – 128 Число 255 переводить всі виходи в стан логічної одиниці, число 0 – в стан нуля. Отже, під час розробки програмного забезпечення, необхідно ввести корективи в програму, а саме

забезпечити стан логічної одиниці на необхідному контакті рознімання порту із деякою часовою затримкою відносно початку роботи програми зчитування даних з АЦП.



За допомогою наведеної схеми можна забезпечити керування виконавчими приладами установки, а саме: електромагнітними клапанами 18, 19, 20, 21. В якості останніх застосовано елоктроклапан Silter TY 6000/С.

В комплект вимірювальної апаратури експериментальної установки входять датчики вимірювання тиску, манометр та АЦП. Манометри 3 (рис. 2) встановлюють на напірних магістралях для контролю тиску повітря, що задається за допомогою напірних золотників 2 та 17. В якості датчика тиску обрано модель MPX5700AP фірми Motorola [6], що працює в діапазоні від 0 до 0,7 МПа і містить вбудований операційний підсилювач, що дозволяє підключати вихід датчика безпосередньо на вхід АЦП.

Головним елементом комплекту вимірювальної апаратури являється аналого-цифровий перетворювач. В якості АЦП використано 8-розрядну інтегральну мікросхему TLC 549 фірми National Instruments. Перевагою даної мікросхеми є можливість її підключення як до паралельного так і послідовного

портів. Оскільки TLC 549 є одноканальним АЦП, а в експериментальні установці необхідно знімати покази з двох незалежних датчиків тиску, було прийнято рішення застосувати дві інтегральні мікросхеми, що працюватимуть паралельними модулями та підключені до окремих вводів паралельного порту, що значно прискорює процес збору даних. За основу розробки АЦП взято перетворювач схема та принцип дії якого детально описані в роботі [9]. Фото АЦП наведено на рис. 4.

Рис. 4. Зовнішній вид одноканального модуля АЦП

Фото експериментальної установки для формування головки головних уборів з тканин наведено на рисунку 5.

1

6

3

4

5

2

Рис. 5. Зовнішній вид експериментальної установки:

1 – персональний комп’ютер; 2 – датчик тиску; 3 – електромагнітний клапан; 4 – камера для формування; 5 – мембранний пневматичний привід; 6 – компресор

Висновок З метою покращення якості виконання технологічної операції формування головки головних уборів

з тканин розроблено експериментальну установку для реалізації процесу формування. Дана установка забезпечує високу якість виконання операції формування, за рахунок максимальної автоматизації технологічного процесу, має низьку енергоємність за рахунок особливостей процесу „холодного” формування та низьку металоємність.

Для проведення подальших експериментальних досліджень необхідно розробити програмне забезпечення, що узгоджуватиме роботу всіх силових, вимірювальних та виконавчих пристроїв, а також забезпечить можливість роботи установки при різних режимах формування.



Література 1. Кошевко Ю.В. Удосконалення процесу формування та закріплення форми деталей жіночих

головних уборів із тканих матеріалів: дис.... канд. техн. наук : 05.19.04 / Кошевко Ю.В. – Хмельницький, 2011. – 170 с.

2. Маликова Т.Л. Исследования процесса формования деталей одежды: автореф. дис. на соискание ученой степени канд. техн. наук: спец. 05.19.04 / Т.Л. Маликова. – М., 1978. – 29 с.

3. Березненко С.М. Основи теорії ресурсозберігаючих технологічних процесів формування та формозакріплення деталей швейних виробів з врахуванням анізотропії текстильних матеріалів: дис. … д-ра техн. наук: 05.19.04 / Березненко Сергій Миколайович – К., 2002. – 372 с.

4. Буханцова Л.В. Удосконалення процесу формування жіночих головних уборів: дис.... канд. техн. наук: 05.19.04 / Буханцова Л.В. – Х., 2007. – 220 с.

5. Пат. 51683 UA, МПК А41Н 41/00 В29С55/00. Установка для формування деталей головних уборів об’ємної форми в рідинно-активному робочому середовищі / Кошевко Ю.В., Кущевський М.О., Прибега Д.В. – 51683.

6. www.kosmodrom.com.ua 7. Ан П. Сопряжение ПК с внешними устройствами / Ан П.; [пер. с англ.]. – М.: ДМК Пресс, 2001. –

320 с. 8. Новиков Ю.В. Разработка устройств спряжений для персонального компьютера типа IBM PC:

практ. пособие / Ю.В. Новиков, О.А. Калашников, С.Є. Гуляев. – М.: ЭКОМ, 2000. – 224 с. 9. Прибега Д.В. Застосування аналого-цифрових перетворювачів при проведенні

експериментальних досліджень по визначенню параметрів вирубування взуттєвих матеріалів / Д.В. Прибега, А.К. Кармаліта, О.С. Поліщук // Віник Технологічного університету Поділля. – 2004. – 5. – С. 178– 180



УДК 687.016 В.С. ГОРОБЧИШИНА


ОСНОВИ ВИЗНАЧЕННЯ КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГІЧНОГО СТАНУ ПРЕДМЕТУ ПРАЦІ ТЕХНОЛОГІЧНОГО ПРОЦЕСУ ПОШИТТЯ ОДЯГУ

Розглянута сутність визначень поняття стану предметів праці запропоноване нове, яке вбирає

технологічну складову як визначальну в технологічному процесі пошиття одягу. Розроблена методика для дослідження конструктивнотехнологічних станів предметів праці. Запропоновано визначати і виокремлювати стан предмету праці за комплексним показником властивостей і вагомістю його визначальних одиничних властивостей.

Essence of determinations of concept of the state of the articles of labouris considered and the new which absorbs a technological constituent is offered, as determining in the technological process of sewing of clothes. A method is developed for research of the structurally technological states of the articles of labour. It is suggested to determine and select the state of the article of labourafter the complex index of properties and by ponderability of him determining single properties.

Ключові слова: конструктивно‐технологічний стан, предмет праці, процес, пошиття, одяг. Постановка проблеми. За визначенням стан предмету праці – це сукупність ознак, рис, що

характеризують предмет в даний момент відповідно до певних вимог щодо якості, ступеня готовності і т. ін.. Ознаками стану предмету праці є сукупність його властивостей, за якими його можливо описати і встановити граничні значення. Для мети визначення меж й градації станів предметів праці доцільно використати інформацію про попередньо систематизовані технічні стани предметів праці, характер процесу змінювання предметів праці і числові значення їх властивостей. За граничними значення величин параметрів властивостей є можливість градуювати предмети праці за ступенем якості і кількості. Виділення ступенів змінювання станів предметів праці в процесі оброблення дозволяють отримати укрупнений опис технології виготовлення виробу.

Аналіз останніх досліджень та публікацій. У роботі [1]швейний виріб розглянуто як складну систему, яка містить складові частини: деталь виробу, складана одиниця, складаний комплекс, готовий виріб. Подальший розвиток досліджень станів предметів праці швейного виробництва набув у праці [2], за якою розроблена градація проміжних станів складаних одиниць і складаних комплексів. Стани предметів праці деталізовано за назвою, виділені проміжні рівні і порядки кожного стану, встановлені умови їх створення. Під конструктивним станом предмету праці розуміють форму, взаємне положення, зв’язок частин (елементів) конструкції виробу. Частина елементу конструкції, зміна якої переводить предмет праці в новий конструктивний стан під дією технологічних впливів, називають конструктивним елементом. Конструктивними елементами виступають зрізи, поверхні деталей або їх частини: фрагменти зрізів, ділянки поверхні, точки або лінії на поверхні і т. ін. При встановленні меж стану предмету праці враховані види



частин виробу, які з’єднують для його утворення (деталі, види складаних одиниць), їх склад, кількість і вказані частини виробу, які утворюють наступний порядок стану, спосіб оброблення (паралельний чи послідовний або їх поєднання).

Подальший розвиток набули дослідження станів предметів праці, розглянуті у [3], у якій конструкцію одягу розглядають як систему з точки зору пакетності. Елементами конструкції швейного виробу виділяють шари виробу, які складаються з вузлів, а ті, в свою чергу, з окремих деталей. До елементів конструкції виробу відносять також готові елементи з іншого виробництва, наприклад ґудзики, тасьма і т. ін..

Постановка мети і завдань досліджень. Описове визначення стану предметів праці за ходом виготовлення одягу не дозволяє однозначно і з необхідною достовірністю визначити їх межі. Науково обґрунтовані граничні значення величин властивостей предметів праці за характером і ходом процесу їх змінювання дозволять градуювати предмети праці за ступенем якості і кількістю та отримати нові дані для проектування операційних і технологічних процесів, сприяють розробленню сучасних процедур проектування процесів та вибору оптимального технологічного маршруту виготовлення виробу.

Виклад основного матеріалу. В широкому розумінні поняття стану об’єкту пов’язують з його технічним станом. Технічний стан об’єкту характеризується значеннями параметрів в певний момент часу, встановлених технічною документацією. Параметрами об’єкту являються величини, які характеризують основні властивості, ознаки, показники, що складають їх відмінну особливість.

За стандартним визначенням [4] технологічний процес виготовлення швейного виробу – це процес кількісних і якісних перетворень предметів праці. Отже, на всіх етапах пошиття виробу предмет праці змінюється не тільки за рахунок його конструктивного укрупнення, а через технологічний вплив, який супроводжується наданням йому нових якостей і характерних ознак. В результаті змінюється не тільки конструктивний, а й технологічний стан предмету праці. Технологічний стан предмету праці визначається внесенням у нього якісних змін, на основі використання певного типу робочого процесу, методів з’єднання, збирання, оброблення країв, дублювання, формування, проклеювання, нанесення контрольних знаків і т. ін. Тому у визначенні поняття стану предмету праці слід врахувати технологічну складову, як визначальну у технологічному процесі пошиття одягу. Оскільки поняття конструктивного стану предмету праці не достатньо відображає перетворення предмету праці в процесі пошиття, то пропонується користуватись поняттям «конструктивно-технологічний стан» (КТС, скорочено – стан) предмету праці. Отже, конструктивно-технологічний стан визначається кількісними і якісними перетвореннями предмету праці в процесі пошиття, вираженими сукупністю характерних ознак і значеннями параметрів в певний момент часу.

Формування певного стану предмету праці відбувається в результаті технологічних впливів, відповідно до яких предмет праці, з притаманними йому первинними властивостями, набуває нових. З кожним технологічним переходом, який пов’язаний з виконанням технологічно неподільної операції, змінюються властивості предмету праці і формуються якісно нові стани предметів праці [5]. З цієї причини стан предмету праці доцільно оцінювати через його початкові і набуті властивості за сукупністю числових значень їх параметрів. Визначальними чинниками для встановлення меж та оцінки КТС предметів праці виступають властивості зрізів, поверхні та шва та їх числові значення.

Суть і набір трудових дій для виконання ТНО визначають за технологічним методом – типом робочого процесу (з’єднання, формування) та видом технологічного впливу (механічний, термічний) на предмет праці. Від технологічного впливу на предмет праці певного типу робочого процесу отримують нове швейне з’єднання – машинне чи клейове і нову поверхню та створюється певний КТС предмета праці з новими властивостями.

Кожен новий стан предмету праці оціню ють за алгоритмом, наведеним на рисунку 1.

Конкретний конструктивний елемент предмету праці – зріз чи поверхня

Конкретні трудові дії над конструктивним елементом ПП. Зміна конкретних властивостей і стану ПП

Класифікатор зрізів і поверхонь, таблиці початкових параметрів ПП

Технологічний метод: - тип робочого процесу,

- вид технологічного впливу

Таблиці показників визначальних властивостей зрізу, поверхні, шва ПП

Опис і оцінка утвореного конструктивно-технологічного стану

предмету праці

Рис. 1. Інформаційне забезпечення і алгоритм оцінки новоутвореного конструктивно-технологічного стану предмета праці Новоутворений конструктивно-технологічний стан предмету праці оцінюють за параметрами його

властивостей відповідно до розроблених таблиць. Для забезпечення оцінки стану ПП існують інформаційні обмеження, пов’язані з недостатньою кількістю чи відсутністю даних про властивості предметів праці, що вимагає проведення досліджень.

Структура взаємозв’язків між властивостями елементів предмету праці та існуючі можливості і обмеження впливу на визначення стану представлені на рис. 2. Дані про первинні властивості у вигляді параметрів деталей виробу, а саме про конфігурацію і довжину контуру, площу деталей отримують на основі розробленої конструкції (у САПР «Конструктор»), масу – на основі даних про характеристики оброблюваних матеріалів. При аналізі способів визначення стану предмету праці враховуються



взаємозв’язки з властивостями елементів ПП. Через обмеженість чи відсутність даних про властивості зрізів, поверхонь і швів предметів праці необхідні їх дослідження і систематизація.

Конфігурація Довжина

Розтяжність

ВЛАСТИВОСТІ ЗРІЗУ

Кількість шарів у швіТовщина

ВЛАСТИВОСТІ ШВА

Довжина контуруКонфігурація

контуру Площа деталі

Маса

ПОЧАТКОВІ ПАРАМЕТРИ

ПРЕДМЕТУ ПРАЦІ

ФормаПлоща

Маса поверхніКількість шарів

Товщина

ВЛАСТИВОСТІ ПОВЕРХНІ

СПОСІБ ВИЗНАЧЕННЯ

СТАНУ ПРЕДМЕТУПРАЦІ ЗА

СУКУПНІСТЮ ВЛАСТИВОСТЕЙ

Дані з САПР «Конструктор» про параметри деталей конструкції

Технологічні характеристики матеріалів

Обмеження можливостей через відсутність даних про форму, площу, масу, нашарування,

товщину оброблюваної поверхніпредметів праці

Обмеження можливостей через відсутність даних про розтяжність зрізів у

процесі пошиття Пошук інформації, способів визначення

властивостей оброблюваних зрізів

Пошук інформації, способів визначення властивостей оброблюваних поверхонь

Обмеження можливостей через відсутність даних про кількість шарів, пакет і товщину шва

Пошук інформаціїспособів

визначення властивостей шва

Дані з САПР «Конструктор» про параметри деталей

конструкції

Рис. 2. Структура взаємозв’язків способу визначення стану предмету праці за властивостями його елементів Отже, стан предмета праці можливо визначити на основі досліджених властивостей предметів

праці, а за числовими характеристиками – конкретизувати його вид. Оскільки об’єкт технологічного процесу «предмет праці» описується набором властивостей, що

його відображають у кількісному виразі, то предмет праці доцільно задати областю у n-вимірному просторі. Область простору охоплює певні числові значення параметрів властивостей об’єкту технологічного процесу і описується відповідною сферою цих властивостей.

Висунута гіпотеза, що сфери числових значень властивостей предметів праці, задані у n-вимірному просторі, не перетинаються.

За ходом технологічного процесу предмет праці змінюється в кожен момент часу. Завершення формування певного (фіксованого) стану предмету праці з новоутвореними властивостями може відбуватись в результаті механічного, термічного чи сукупних їх впливів. Фіксованим називаємо такий стан предмету праці, який в певний момент часу являє собою технологічно завершену за обробленням деталь чи складану одиницю. Для оцінки фіксованого стану предмету праці слід використати сукупно числові значення початкових і набутих його властивостей в певний момент часу. Отже, кожен фіксований стан предмету праці – це числове значення відповідних за цей стан властивостей у вигляді сфери у n-вимірному просторі. Певний стан предмету праці відрізняється від іншого, і що особливо важливо – від попереднього і наступного, тим, що характеризується набором і величиною тих властивостей, які притаманні лише йому. Виходячи з цього, показники одиничних властивостей предмету праці конкретного стану доцільно об’єднати у комплекс показників властивостей. В результаті конструктивно-технологічний стан предмету праці пропонується оцінювати і розрізняти за величиною, яку описують як норма комплексного показника властивостей (скорочено норма стану).

Норма стану предмету праці – це нормований показник його властивостей, який пропонується визначати як корінь квадратний із суми квадратів значень одиничних нормованих показників кожної одиничної властивості:

||Р|| (КТСПП)= 2

1

n

jii

н

,

де ||Р|| – нормований комплексний показник властивостей стану предмету праці,

ijн – нормований показник і-ї одиничної властивості j-го предмету праці.

Отже, конкретний конструктивно-технологічний стан предмету праці обмежує норма числового значення параметрів властивостей предмету праці, що відповідає цьому стану. Тому за граничним числовим значенням параметрів властивостей предмету праці можливо відрізнити конкретний конструктивно-технологічний стан від будь-якого іншого, утвореного в технологічному процесі виготовлення виробу.

Числові значення параметрів властивостей предмету праці певного стану, виражені в одній системі мір, відрізняються між собою за порядками. Велику кількість числових значень одиничних показників властивостей предмету праці слід звести до одного порядку, що спростить процес визначення його стану. Тому для визначення норми стану предмету праці кожне значення одиничного показника і-ї властивості предмету праці слід нормувати, переводячи у безрозмірну величину за допомогою множника нормалізації. Якщо числові значення параметрів суттєво відрізняються між собою за порядками – нормалізують їх



порядки, встановлюючи єдиний числовий діапазон для всіх значень одиничних властивостей предметів праці. На основі унормованих числових значень одиничних показників розраховують комплексний показник властивостей предмету праці.

Однак, для об’єктивної оцінки станів предметів праці одного значення норми комплексного показника властивостей не достатньо.

Встановлено, що конкретний стан предмету праці фіксує не тільки комплексний показник властивостей, але й значення визначальних одиничних показників властивості (з високою питомою вагою у загальній кількості властивостей). Одні і ті самі властивості можуть проявлятись і повторюватись в кожній з груп предметів праці типу «деталь виробу» чи «складана одиниця» незалежно від технологічних операцій механічного чи термічного впливу.

Виходячи з того, що технологічний процес відображає номенклатуру трудових дій, виконуваних над предметами праці, і набір властивостей предметів праці, які впливають на виконання цих дій, то характер виконання трудових дій залежить від властивостей предмету праці певного стану. Прискорення чи уповільнення темпу виконання трудових дій, якість оброблення у певній мірі залежать від простоти чи складності маніпулювання предметом праці. Складність маніпуляції залежить від конкретних властивостей предмета праці певного стану. З цієї причини вважаємо, що властивість, яка в найбільшій мірі впливає на складність виконання технологічної операції у процесі оброблення, в тій же мірі визначає конструктивно-технологічний стан предмета праці.

Отже, визначальною властивістю конкретного стану предмету праці називаємо таку, яка за високою часткою зустрічності у загалі властивостей виділяється серед інших, що мають відношення до одного і того ж стану предмету праці і впливає на конкретизацію стану.

Для визначення вагомості впливу певної одиничної властивості на складність виконання технологічної операції, розраховують коефіцієнт значущості кожної одиничної властивості з усіх властивостей стану предмету праці. Коефіцієнт значущості характеризує вагомість конкретної одиничної властивості у комплексі властивостей фіксованого стану предмету праці та вплив цієї властивості на складність виконання технологічної операції. Для встановлення коефіцієнта значущості одиничної властивості визначають комплексний показник властивостей кожного фіксованого конструктивно-технологічного стану предмету праці.

Комплексний показник властивостей ( jQ ) j-го стану предмету праці з врахуванням вагомості

кожної його одиничної ознаки властивості розраховано за формулою:

2

1

n

j ji ii

Q н

,

jiн – унормоване значення і-ї одиничної властивості j-го стану предмету праці,

i – коефіцієнт значущості і-ї одиничної властивості предмету праці,

n – кількість властивостей предмету праці. Розрахунок комплексного показника, з врахуванням вагомості впливу одиничних властивостей на

складність виконання технологічної операції, дозволить розмежувати стани предметів праці, враховуючи цю складність.

Для градації конструктивно-технологічних станів предметів праці використано метод n-х сфер, за яким за числовими межами норм комплексного показника і коефіцієнтом значущості одиничних (впливових) властивостей розрізняють об’єкти технологічного процесу, в т. ч. типового.

З метою визначення і розмежовування конструктивно-технологічних станів предметів праці розроблено методику дослідження КТС за наступним порядком:

- нормування максимальних числових значень показників одиничних властивостей предметів праці, отриманих на основі виконання технологічно неподільної операції;

- нормування показників властивостей предметів праці окремо для груп технологічних операцій механічного і термічного впливу;

- розрахунок значення комплексного показника властивостей предмету праці з врахуванням вагомості кожної одиничної властивості для блоків оброблення предметів праці;

- сортування значень комплексних показників властивостей предметів праці за порядком їх зростання;

- встановлення, за питомою вагою від загальної кількості, визначальних одиничних властивостей для кожного стану предмету праці;

- розподіл предметів праці на стани у відповідності до величини значення комплексного показника властивостей предметів праці та спільності визначальних одиничних властивостей;

- оцінка кожного з виділених конструктивно-технологічних станів предметів праці за сукупністю значення комплексного та визначальних показників одиничних властивостей.

За наведеними процедурами можливо визначити, розмежувати та оцінити стани предметів праці. Отже, об’єкт у вигляді конкретного конструктивно-технологічного стану предмету праці можна

описати набором властивостей, що його відображають, у кількісному виразі. Певна норма числового



значення параметрів властивостей предмету праці обмежує його конкретний КТС. Тому за ознакою величини числового значення параметрів властивостей предмету праці, яка визначає граничне значення межі його конструктивно-технологічного стану, можливо відрізнити конкретний стан від будь-якого іншого, утвореного в технологічному процесі виготовлення виробу. Крім того, визначений стан предмету праці за числовим значенням властивостей і граничні межі його відокремлення від іншого дозволяють:описати технологічний процес у цифровому виразі, формалізуючи опис; виділити типові об’єкти технологічного процесу виготовлення швейного виробу; ідентифікувати КТС предмету праці певного виду асортименту з конкретним технологічним процесом його виготовлення; розрізнити предмети праці за складністю їх виготовлення.

Висновки. За введеним поняттям КТС предмету праці відображено кількісні і якісні його перетворення в процесі пошиття, виражені сукупністю характерних ознак і значеннями параметрів в певний момент часу. Розроблено методику, за якою оцінку стану предмету праці процесу пошиття одягу визначають сукупно за комплексним показником властивостей і вагомістю визначальних одиничних властивостей.


1. Коблякова Е.Б. Разработка основ проектирования рациональных размеров и форм одежды /

Коблякова Е.Б. – М.: Легкая и пищевая промышленность, 1984. – 208 с. 2. Голубкова В.Т. Способ градации конструктивных состояний предметов труда в процессе сборки

изделий / В.Т. Голубкова, В.Е. Мурыгин, Е.А. Самородова // Швейная промышленность. – 1986. – 3. – С. 26– 27.

3. Моделирование и оптимизация технологических процессов : учебник / [В.Е. Мурыгин, Н.В. Мурашова, З.В. Прошутинская, Н.С. Рослик, Е.А. Чаленко]. – М.: Компания Спутник+, 2003. – Т. 1. – 227 с.

4. ГОСТ 3.1109– 82. Единая система технологической документации. Термины и определения основных понятий. – М.: ИПК Изд-во стандартов, 1982. – 14 с.

5. Горобчишина В.С. Характер змінювання предметів праці в процесі пошиття одягу / В.С. Горобчишина // Вісник ХНУ. – 2011. – 6. – С. 192– 196.



УДК 685.31.02 Т.В. ІВАНІШЕНА


ДОСЛІДЖЕННЯ ЕКОЛОГІЧНОЇ БЕЗПЕЧНОСТІ МАТЕРІАЛІВ

ДЛЯ ВИГОТОВЛЕННЯ ВЗУТТЯ ПОВІДОМЛЕННЯ І

Наведені результати дослідження токсикологічних властивостей матеріалів для виготовлення взуття

на основі первинної і вторинної сировини з використання фізикохімічних методів аналізу та на підставі діючих в Україні нормативних та методичних рекомендацій, проведена оцінка екологічної безпечності таких матеріалів.

The results of the study of the toxicological properties of materials for making shoes based on primary and secondary raw materials with the use of physical and chemical methods of analysis and on the basis of operating in Ukraine and regulatory guidelines, an assessment of the environmental safety of such materials.

Ключові слова: взуттєві матеріали, екологічна безпечність, фізико‐хімічні методи.

Постановка задачі Серйозним джерелом речовин-забруднювачів природи й шкідливого впливу на людину є

оздоблювальні виробництва текстильної та шкіряної промисловості. Велика кількість нових хімічних синтетичних препаратів і матеріалів, включаючи барвники, клеї й текстильно-допоміжні речовини, використовується для виробництва товарів широкого вжитку, при цьому розробка й впровадження екологічно чистих технологій відстає від темпів зростання промислового виробництва.

Взуттєві матеріали (тканина, натуральна і штучна шкіра, допоміжні матеріали для виготовлення взуття) та сировина з якої вони виготовляються є джерелом можливої негативної дії комплексу хімічних речовин різних за призначенням, класом небезпечності, біологічними ефектами. Приймаючи до уваги, що людина має безпосередній контакт з цими матеріалами та виробами з дня свого народження, та сполуки, які в них містяться здатні мігрувати в організм безперервно протягом всього життя, питання їх безпечності на сьогодні є особливо важливим в гігієні текстильних матеріалів, одягу та взуття.

На сьогодні Україні відсутня нормативна та методична база, яка дозволила б чітко визначати для взуттєвих матеріалів перелік екологічно-небезпечних компонентів у їх складі, з метою подальшого прогнозування такого впливу на здоров’я людини.



Об’єктами досліджень нами вибрані основні і допоміжні матеріали, які використовуються у взуттєвій промисловості на основі як первинної, так і вторинної сировини.

Аналіз досліджень та публікацій Проведений аналіз нормативної документації показав, що в Україні і країнах СНД розділ гігієни

одягу і взуття є єдиним, який і на сьогодні немає "власних" нормативів і регламентів відносно міграції з них хімічних речовин.

Діючими в Україні є тільки норми для матеріалів, які використовуються для виготовлення дитячого одягу і взуття, але там є лише посилання на гранично допустиму концентрацію для атмосферного повітря. Рекомендацій чи вказівок офіційних органів стосовно гігієнічної оцінки міграції хімічних забруднювачів в такі модельні середовища, як дистильована вода, потова рідина, слина немає.

Огляд та аналіз доступних нам закордонних джерел показав, що в європейських країнах одяг, текстильні та шкіряні матеріали за показниками безпеки оцінюють на відповідність нормативам, які регламентовані директивами і стандартами. Для цього в Європі діє Міжнародна Асоціація дослідження і випробувань в галузі екології текстилю (ЕКО-ТЕКС), в яку входять 12 країн. Вона займається не тільки дослідженнями, а й розробкою науково обґрунтованих вимог безпечності текстильних матеріалів та виробів з них. В основу стандартів європейських країн покладено контроль мігруючого комплексу хімічних речовин, яким притаманні шкірно-подразнююча і алергенна дія, віддалені ефекти.

Аналіз методичних підходів в оцінці безпечності текстильних матеріалів, що існують в Україні, країнах СНД і в Європейському Співтоваристві, дозволив виділити загальні і відмінні принципи. Загальні положення полягають в частині проведення одориметричних досліджень і визначенні деяких хімічних забруднювачів (наприклад, формальдегіду) [1, 2].

На відміну від європейських стандартів в схему вітчизняних принципів гігієнічної оцінки матеріалів не входить контроль гігієнічно значимих показників: барвників, важких металів, антисептиків, пестицидів, яків більшості своїй можуть бути стійкими органічними забруднювачами, яким властива виражена шкірно-резорбтивна, шкірно-подразнююча та загальнотоксична дії.

Якість і екологічна безпека продукції текстильної, шкіряної та легкої промисловості взаємозалежні один з одним самим тісним чином. У виробництві сучасного взуття використовуються різні матеріали і хімічні речовини, у зв’язку з чим у повітря простору під взуттям можуть мігрувати різні їх компоненти. Мігранти можуть надавати шкірно-подразнюючу та місцеву алергізуючу дію. Шкірно-резорбтивна дія залежить від площі контакту виробу зі шкірою. Хімічні речовини можуть надходити в організм і пероральним шляхом. Використання текстильно-допоміжних речовин у високих концентраціях може провокувати й інгаляційне надходження мігрантів в організм. Тому санітарно-хімічні дослідження вкрай важливі при оцінці безпеки матеріалів легкої промисловості. Ідентифікація мігрантів в умовах звичайної хімічної лабораторії становить серйозну проблему, оскільки вимагає велику кількість часу, складне і дороге устаткування і спеціально навчений персонал високої кваліфікації [3].

Основним принципом гігієнічної регламентації застосування матеріалів є неприпустимість виділення в навколишнє середовище таких кількостей хімічних речовин, які за будь-яких можливих умов могли б несприятливо діяти на організм людини.

Формулювання цілей Метою роботи є дослідження та аналіз показників екологічної безпечності матеріалів, які

використовуються при виготовленні взуття на основі первинної та вторинної сировини за допомогою фізико-хімічних методів аналізу витяжок з них у різні модельні середовища на підставі діючих в Україні нормативних документів в галузі гігієни.

Виклад основного матеріалу Всі вироби з взуттєвого призначення проходять гігієнічну оцінку з застосуванням сучасних методів

дослідження. Досліджено санітарно-гігієнічні властивості пакету взуттєвих матеріалів з використанням фізико-хімічних методів.

Для проведення досліджень були відібрані наступні зразки матеріалів, які використовуються у виготовленні взуття: матеріали для жорстких внутрішніх та проміжних деталей взуття – устілка ТКУ, задник ТКЗ, шкіркартон ГОСТ 9542– 89, целюлозний картон Kariboard, шкірпідкладка ГОСТ 940-81; матеріали для верху взуття – вінілшкіра-НТ взуттєва ГОСТ 28143-89, шкіра для верху взуття ДСТУ 2726-94; допоміжні матеріали – поліуретановий матеріал на основі відходів ПЕТФ, рециклат для виготовлення клею; матеріали для низу взуття – матеріал для низу взуття EVA, гума пориста.

Матеріали залежно від типу та застосування були дослідженні на вміст в них таких хімічних сполук як формальдегід, дибутилфталат, диоктилфталат, етиленгліколь, толуол, вінілхлорид, ацетальдегід, фенол, аміак, солі важких металів (свинець, цинк, мідь, кадмій), розчинники (метиловий, бутиловий, ізобутиловий, пропіловий, ізопропіловий), диоктилфталат, дибутилфталат, стирол.

Нормативи взяті з СаНПіН 42-123-4240-86 [4] «Допустимі концентрації шкідливих речовин з полімерних матеріалів в атмосферному повітрі».

В таблицях 1– 4 наведенні експериментальні дані дослідження концентрацій шкідливих речовин для різних пакетах матеріалів.



Таблиця 1 Концентрації шкідливих речовин у матеріалах для жорстких

внутрішніх та проміжних деталей взуття, мг/дм3

Назва шкідливої речовини

Устіл-ка ТКУ

Задник ТКЗ

Шкір- підкладка

Шкір- картон

Целю-лозний картон

Формаль-дегід 0,0033 0,00048 0,00023 0,0002 0,0028 Фенол - 0,001 - 0,001 Аміак - 0,1 - - Ацетон - 0,0069 0,009 - - Гексан - 0,0076 0,006 - - Свинець 0,0045 0,0045 0,0034 0,0034 0,0063 Кадмій 0,0002 0,00037 0,00048 0,0001 0,00011 Цінк 0,00037 0,00029 0,00011 0,00058 0,00023 Мідь 0,0011 0,0017 0,0019 0,0019 0,0010 Етилацетат - 0,0087 - 0,0023 0,001 Спирти Метиловий - 0,009 - 0,0034 0,006 Бутиловий - 0,009 - 0,004 0,005 Ізобутиловий - 0,0089 - 0,005 0,003 Пропіловий - 0,0085 - 0,0078 0,008 Ізопропіловий - 0,008 - 0,006 0,005 Миш’як - - - 0,0010

Таблиця 2 Концентрації шкідливих речовин у матеріалах для верху взуття, мг/дм3


Шкіра для верху взуття

Вініл шкіра-НТ

взуттєваФормальдегід 0,0005 0,0012 Фенол 0,001 - Аміак 0,1 - Свинець 0,003 0,004 Кадмій 0,00041 0,0001 Цінк 0,00038 0,00042Мідь 0,0020 0,0015 Хром 0,012 - Диоктилфталат - 0,051 Дибутилфталат - 0,38 Вінілхлорид - 0,02 Етиленгліколь - 1,9 Ацетальдегід - 0,001 Толуол - 0,067

Таблиця 3

Концентрації шкідливих речовин у допоміжних матеріалах


Поліуретановий матеріал на

основі відходів ПЕТФ * (рідке модельне

середовище0

Рециклат для виготовлення

клею ** (повітряне модельне

середовище)

Формальдегід 0,00023 0,001 Етилацетат 0,007 - Метиловий спирт 0,005 - Бутиловий спирт 0,0067 - Ізобутиловий спирт

0,0072 -

Пропіловий спирт

0,0079 -

Ізопропіловий спирт

0,0091 -

Свинець 0,0043 - Кадмій 0,00037 - Цинк 0,0002 - Мідь 0,0011 - Стирол - 0,01 Метилметакрилат - 0 Етиленгліколь - 2,0 Толуол - 0,02 Ксилол - 0,007 Бензол - 0,05

*мг/дм3

**мг/м3

Таблиця 4 Концентрації шкідливих речовин у матеріалах для низу взуття


Матеріал для низу взуття ЕВА * (рідке

модельне середовище)

Гума пориста **

(повітряне модельне

середовище)

Формальдегід 0,0005 0,001 Етилацетат 0,008 - Метиловий спирт

0,006 -

Бутиловий спирт

0,005 -

Ізобутиловий спирт

0,007 -

Пропіловий спирт

0,0045 -

Ізопропіловий спирт

0,0033 -

Свинець 0,0021 - Кадмій 0,0001 - Цинк 0,0002 - Мідь 0,001 - Фенол 0,001 - Диоктилфталат 0,022 0,04 Дибутилфталат 0,33 0,025 Формальдегід вільний

9 -

Стирол - 0,001 рН 7,15 - Миш’як 0,01 -

*мг/дм3

**мг/м3 Як видно з даних таблиць, що стосується матеріалів для жорстких внутрішніх та проміжних деталей

взуття по більшості з показників немає перевищення за ГДК, але для устілки спостерігається незначне перевищення значення за ГДК, а для етилацетату у заднику воно майже наближається до ГДК. Для матеріалів верху взуття всі значення лежать в межах ГДК. Допоміжних матеріалах – перевищень ГДК немає,



лише для поліуретанової композиції по формальдегіду та етилацетату значення наближаються до ГДК. Для матеріалів низу взуття спостерігається найгірша ситуація, оскільки одразу за трьома показниками наявні перевищення ГДК – фенол та фталати у матеріалі з ЕВА, при чому диоктилфталату майже у 1,7 рази, а концентрація етилацетату та формальдегіду вільного у ньому майже наближається до ГДК. Гума взуттєва в порівнянні з ЕВА виявилась більш чистим екологічним матеріалом.

В подальшому з метою порівняння зазначених матеріалів з аналогічними за складом, але різних виробників були проведені дослідження з визначення вмісту в них нормованих за відповідними ГОСТами.

Дослідження показали, що для матеріалів з ЕВА характерний приблизно однакова за концентраціях наявність тих чи інших нормованих шкідливих речовин, лише концентрація кадмію в матеріалах інших виробників дещо вища, а перевищення ГДК по диоктилфталату відмічається лише в контрольному зразку.

В гумі пористій наявні фталати, але оскільки гума безпосередньо не контактує зі шкірою людини при носінні взуття, тому і токсичного впливу на організм людини здійснювати не буде.

Результати експерименту на різних зразках підтверджують, що у задниках всі показники в межах норми, а для устілки лише за формальдегідом перевищення у контрольному зразку, в порівнянні з нормою у інших матеріалах, виготовлених з лінійних полімерів.

У картонах найбільша проблема з наявністю кількості формальдегіду наближеної до ГДК, незалежно від галузі застосування картону. Досліджені зразки шкірпідкладки ГОСТ940-81 за токсикологічними показниками відповідають нормам.

Синтетичні шкіри мають приблизно однаковий вміст нормованих компонентів, а контрольний зразок – вінілшкіра НТ взуттєва ГОСТ 28143-89 при витяжці у рідке модельне середовище виявила високу концентрацію диоктилфталату, що може призвести при контакті з шкірою людиною до алергічних реакцій.

У витяжці зі шкіри для верху взуття натуральної по ГОСТ2726-94 було знайдено невелику кількість формальдегіду. У клеях, відібраних для аналізу не виявили перевищень. Для зразків різних поліуретанових композицій характерно, що концентрація формальдегіду наближається до ГДК.

З метою аналізу екологічної небезпечності та токсичності матеріалів для виготовлення більш доцільно оцінити наявність в них тих чи інших хімічних сполук в частках гранично-допустимих концентрацій (ГДК). Для цього нами проведений аналіз по окремих пакетах матеріалів, результати якого наведені на рисунках 1– 5.

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

Формальдегід

(РМС)

Етилацетат

Свинець

Кадмій


(ПМС)

Аміак

шкідливі речовини

частки ГДК

задник

устілка

шкіркартон

цел. картон

шкірпідкладка

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

1,4

Аміак Свинець Кадмій Хром


частки ГДК

Рис. 1. Характеристика вмісту шкідливих речовин у матеріалах для жорстких внутрішніх та проміжних деталей взуття

Рис. 2. Характеристика вмісту шкідливих речовин у натуральній шкірі для верху взуття ДСТУ 2726-94

00,05

0,10,15

0,20,25

0,30,35

0,40,45

Формальдегід(РМС)

ДБФ ДОФ Етиленгліколь


частки ГДК

0

0,20,4

0,6

0,81

1,2

1,41,6

1,8


повітря


рідке

Фенол

ДБФ

ДОФ


Ізопропіл спирт

Кадмій


вільний


частки ГДК

ЕВА

Гума

Рис. 3. Характеристика вмісту шкідливих речовин у вінілшкірі-

НТ взуттєва ГОСТ 28143-89 Рис. 4. Характеристика вмісту шкідливих речовин у

матеріалах для низу взуття



0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9


(РМС)

Етиленгліколь

Свинець

Стирол



частки ГДК ПУ

Клей-розплав

Рис. 5. Характеристика вмісту шкідливих речовин у допоміжних взуттєвих матеріалах

Як показали дослідження серед матеріалів для жорстких внутрішніх та проміжних деталей взуття

найбільший вклад в забруднення вносять 5 речовин, таких як, формальдегід, етилацетат, кадмій, свинець та аміак у шкіркартоні, при чому значна частка належить саме формальдегіду та етилацетату.

По матеріалам для верху взуття значний вплив на токсичність вініл шкіри припадає на наявність у матеріалі фталатів, етиленгліколю, формальдегіду, а натуральна шкіра виявилась значно менш токсичною з вагомим впливом хрому, та з не значним впливом в ній кадмію, свинцю та аміаку.

Для допоміжних матеріалів клей-розплав є майже не токсичним, хоча там і наявна значна кількість формальдегіду, етиленгліколю та стиролу, а для поліуретанової композиції рівень токсичності дещо більший через значну присутність формальдегіду та етилацетату.

Матеріал для низу взуття ЕВА виявився самим токсичним серед досліджуваних, через присутність у вище нормованих дозах в ньому Фенолу та фталатів, та значної кількості речовин частка яких в одиницях ГДК лежить в межах від 0,9 до 0,2, гума порівняно з ним виявилась практично нетоксичною, лише при деякій концентрації формальдегіду та дибутилфталату.

За вибраними вище ключовими шкідливими речовинами у матеріалах проведений аналіз по речовинах у всіх представлених на дослідження зразках показав, що зі всіх матеріалів найбільше формальдегіду міститься у устілці, етилацетату – заднику та ЕВА, металів, а саме кадмію – шкір підкладці, свинцю – целюлозному картоні та фталатів у ЕВА.

Висновки Досліджено, що для більшості матеріалів концентрації шкідливих речовин лежать в межах ГДК,

лише в матеріалі ЕВА є значні перевищення ГДК за фталатами та фенолом. З метою виявлення статистики та уникнення похибки по визначенню концентрацій речовин

проведено експериментальні визначення токсичності для груп матеріалів однакових за складом та призначенням, але різних виробників. Встановлено, що для них характерне практично однаковий кількісний склад хімічних речовин, що нормуються.

Встановлено, що серед матеріалів для жорстких внутрішніх та проміжних деталей взуття найбільший вклад в забруднення вносять 5 речовин, таких як, формальдегід, етилацетат, кадмій, свинець та аміак у шкіркартоні, при чому значна частка належить саме формальдегіду та етилацетату.

По матеріалам для верху взуття значний вплив на токсичність вініл шкіри припадає на наявність у матеріалі фталатів, етиленгліколю, формальдегіду, а натуральна шкіра виявилась значно менш токсичною, лише зі значним впливом в ній кадмію, свинцю та аміаку.

Для допоміжних матеріалів клей-розплав є майже не токсичним, хоча там і наявна значна кількість формальдегіду, етиленгліколю та стиролу, а для поліуретанової композиції рівень токсичності дещо більший через значну присутність формальдегіду та етилацетату.

Матеріал для низу взуття ЕВА виявився самим токсичним серед досліджуваних, через присутність у ньому фенолу та фталатіву концентраціях, які значно перевищують ГДК, та значної кількості речовин частка яких в одиницях ГДК лежить в межах від 0,9 до 0,2, гума порівняно з ним виявилась практично нетоксичною, лише при деякій концентрації формальдегіду та дибутилфталату.

Досліджено, що по речовинах найбільше формальдегіду міститься у устілці, етилацетату – заднику та ЕВА, металів, а саме кадмію – шкір підкладці, свинцю – целюлозному картоні та фталатів у ЕВА.


1. Сененко Л.Г. Гігієнічні аспекти вивчення бавовняних тканин / Л.Г. Сененко, Т.І. Кравченко, В.В.

Нікольський // Актуальні питання гігієни та екологічної безпеки України. – 2002. – 4. – С. 45– 46. 2. Фролов В.М. Влияние экологически вредных факторов крупного промышленного региона на

иммунологическую реактивность населения / В.М Фролов, Н.А. Пересадин, А.М. Петруся // Журнал



микробиологии, эпидемиологии и иммунологии. – 1995. – 2. – С. 119– 123. 3. Андрєєв Д.А. Дослідження токсичності сучасних текстильних виробів дитячого асортименту на

базі приладу АТ-04 [Електронний ресурс]. – Режим доступу: http://medka.ru/archive/a021003.html. – (Дата звернення: 20.04.2012).

4. Ольшанская О. М. Критерии оценки экологической чистоты льняной текстильной продукции / О. М. Ольшанская, В. В. Котин, А. В. Артёмов // Журнал Российского химического общества им. Д.И. Менделеева. – 2002. – Т. XLVI. – 2. – С. 66– 76.



УДК 658.56 (075.8) Т.О. КУЗЬМІНА, О.М. ВЕРБИЦЬКИЙ, Є.О. КАЛІНСЬКИЙ

Херсонський національний технічний університет

ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ УПРАВЛІННЯ МОДИФІКАЦІЄЮ ЛЛЯНОГО ВОЛОКНА

У статті розкривається проблема організації автоматизованого керування процесом модифікації

лляного волокна. Пропонується структура системи прийняття рішень та управління технологічним процесом модифікації короткого лляного волокна або відходів тіпання.

The problem of organization of the automated process control of modification of flax fibre opens up in the article. The structure of the system of making a decision and technological process control of modification of short flax fibre or offcuts of scutching is offered.

Ключові слова: автоматизація керування, система прийняття рішень. Вступ. Проблема забезпечення якісною сировиною текстильних підприємств України є на сьогодні

досить актуальною. Значне місце у наукових працях вітчизняних та зарубіжних вчених займають питання одержання та модифікації лляного волокна.

Широкі перспективи відкриваються із використанням модифікованого лляного волокна у сумішах з хімічними волокнами, вовною та бавовною.

Науковцями запропоновано різноманітні способи отримання та переробки модифікованого лляного волокна (МЛВ) в бавовняному, вовняному, лляному та ватному виробництвах, які дозволяють по-новому побудувати асортиментну політику підприємств легкої промисловості, виготовляти нові види виробів з високими гігієнічними характеристиками, істотно збільшити ресурси вітчизняної екологічно чистої натуральної сировини, використовуваної для виробництва товарів побутового призначення, забезпечити економічну незалежність України у виготовленні текстильних виробів медичного, оборонного і спеціального призначення, збільшити зайнятість у багатьох галузях промисловості [1].

Постановка проблеми. Як відомо тонина елементарного льоноволокна становить 0,125– 0,557 текс, а його довжина може дорівнювати від 4 до 120 мм. Слід зауважити, що більше половини елементарних волокон у стеблі мають нормальну прядильну довжину, тобто довжина їх перевищує 20 мм. Таким чином, елементарне лляне волокно може бути альтернативою бавовняному.

Уся складність полягає в тому, що в технічному волокні комплекси елементарних волокон з’єднані між собою пектиновими речовинами та лігніном, які мають складну хімічну будову. Тому для одержання волокна з параметрами, близькими до елементарних, треба зруйнувати з’єднуючі речовини, послабивши тим самим зв’язок між волокнами. Найбільш ефективно це можна зробити шляхом хімічної обробки.

Найпоширенішим хімічним способом одержання МЛВ є відварювання очищеного технічного волокна в лугах, а також окислювальне варіння, при якому у варильну рідину додають сильні окислювачі: хлоровмісні сполуки, перекис водню тощо [2, 3].

Хімічна обробка льону характеризується великою тривалістю і може досягати 10– 12 годин, а також великими витратами пари, електроенергії, хімічних реагентів. Устаткування для здійснення даної технології досить дороге й має бути виготовлене з високолегованих сортів сталі. Воно металоємне, громіздке, малопродуктивне.

Сучасні наукові дослідження в основному мають на меті вдосконалення технології хімічного варіння лляного волокна, зокрема пропонується комбіноване варіння сировини, що характеризується об’єднанням лужної й окислювальної обробки. Крім того інтенсифікувати процес намагаються шляхом застосування інших хімічних реагентів, однак ці заходи не сприяють суттєвому поліпшенню технологічного процесу й дозволяють удосконалити лише окремі елементи технології, не даючи бажаного економічного ефекту.

Запропоновано також хіміко-фізичний спосіб модифікації льоноволокна, при якому технологічна лінія підготовки короткого лляного волокна на перших переходах передбачає видалення домішок неволокнистого походження, не зв’язаних з волокном (пилу, насипної костриці), і формування напівфабрикату, зручного для подальшої обробки. Далі здійснюють триразову обробку хімічними розчинами з обов’язковим віджиманням і промиванням між обробками. Волокна, виділені з недолежаної трести, піддаються більш жорстким режимам обробки, а з добре вилежаної трести – м’яким режимам. Такий диференційований підхід сприяє раціональному використанню сировини. При цьому забезпечується



максимальний вихід волокна відповідної якості. Серед різноманітних способів модифікації короткого лляного волокна на цей час найбільше

поширення одержали механічні [4, 1]. Однак в умовах жорстких механічних обробок розщеплення комплексних волокон призводить до утворення значної кількості (до 30– 40 %) волокон пухової групи, що істотно ускладнює подальшу переробку волокнистого матеріалу в пряжу, погіршує санітарно-гігієнічні умови праці й потребує інтенсивного пиловидалення. Крім проблем, які виникають на стадіях передпрядіння й прядіння, є складності й при підготовці, фарбуванні та заключній обробці змішаних тканин, що містять механічний котонін. Тому, механічну модифікацію поєднують із хімічною обробкою.

Застосування фізико-хімічної підготовки льоноволокна на заводах первинної переробки льону потребує додаткових капітальних вкладень на будівництво хімічної станції й лабораторії, очисних споруд, великих витрат енергії та води, що в підсумку призводить до високої собівартості отриманої продукції. У зв’язку з цим хімічні й фізико-хімічні способи потребують подальшого удосконалення в частині зниження витрат на їхнє здійснення. Одним із перспективних можна вважати біологічні способи модифікації лляної сировини.

Біологічні способи модифікації полягають у використанні мочіння та розстилання до повного розпаду пектинових речовин у луб’яних пучках, а також у застосуванні різних видів ферментів [2, 5, 6]. Біомодифіковане волокно має підвищену міцність, низьку засміченість, лінійну густину та довжину, близькі до бавовняного волокна. Такий спосіб ферментативної обробки сировини на льонозаводі на відміну від хімічних способів дозволяє максимально зберегти целюлозну складову, що підтверджується високим показником виходу волокна після механічної обробки (50– 60 %) та низьким вмістом непрядомих волокон пухової фракції.

Техніко-економічна оцінка біомеханічного способу модифікації показала, що витрати на переробку низько номерного короткого лляного волокна з урахуванням собівартості вихідної сировини не перевищують ринкової вартості бавовняного волокна. Порівняно з хімічними способами, біомодифікація більш інтенсивно впливає на структуру луб’яних волокон, оскільки вона, власне кажучи, є продовженням процесів мочіння або розстилання, які здійснюються за рахунок життєдіяльності грибів і бактерій. Однак цей спосіб є більш небезпечним для життєдіяльності людини, ніж хімічний. Ферменти погано виводяться з волокна та ґрунту, потребують спеціального очищення, тому їх застосування для поліпшення якості лляного волокна безпосередньо на льонозаводах не завжди є економічно та екологічно доцільним.

Основна частина. На кафедрі товарознавства, стандартизації та сертифікації Херсонського національного технічного університету вже більш ніж 10 років проводяться роботи зі створення різних способів модифікації, у тому числі, з використанням композиційних хімічних препаратів (КХП), та розробки рекомендацій з подальшого застосування отриманого волокнистого матеріалу [7, 1].

Встановлено, що КХП на основі фосфату карбаміду здатні впливати па хімічний склад і структуру лляного волокна за рахунок збільшення ступеня видалення інкрустуючих речовин, що полегшує потоншення та зменшення довжини волокон під час механічної модифікації, завдяки розпушувальній і пом’якшувальній дії КХП. Після такої обробки лляне волокно краще розволокнюється при меншій інтенсивності механічних дій робочих органів машин, а це, у свою чергу, зменшить руйнування волокна під час модифікації.

Обробкою сировини КХП забезпечуються роз’єднання технічних комплексів волокон, збільшується ступінь розволокнення технічного волокна льону і знижується масодовжина при меншому руйнуванні елементарних волокон [8].

Зменшення середньої масодовжини та лінійної густини лляного волокна під час модифікації після обробки хімічними композиційними препаратами з фосфату карбаміду й неіоногенних поверхнево-активних речовин досягається завдяки достатньо високому ступеню очищення від супутників целюлози – пектинових речовин і лігніну, що безпосередньо впливає на прядильну здатність волокна.

В роботі запропоновано при отриманні МЛВ, до надходження сировини на щипальну машину, здійснювати обробку емульсією з використанням хімічного композиційного препарату на основі фосфату карбаміду та поверхнево-активних речовин, що підвищує ступінь розволокнення (подрібненість жмутів волокон) і сприяє очищенню поверхні волокон від серединних пластинок.

Використовуючи емульсування волокна з КХП, можна розширити асортимент продукції, що випускається. Модифіковане льоноволокно, отримане за новою технологією, можна використовувати для виробництва змішаної пряжі 25– 30 текс за бавовняною технологією.

Використовуючи дію КХП на основі фосфату карбаміду з неіоногенними або аніоноактивними поверхнево-активними речовинами та оптимізуючи параметри механічної обробки, можна отримати модифіковане волокно із заздалегідь запланованими якісними показниками.

Диференційований підхід до її реалізації розробленої технології (вибір комплексного хімічного препарату, його концентрації, параметрів настроювання обладнання) дозволяє отримувати модифіковане лляне волокно з високими якісними показниками: ступенем розволокнення, середньою масодовжиною, лінійною густиною, розривним навантаженням, що забезпечить його використання для отримання продукції різного функціонального призначення. Модифіковане волокно, одержане із застосуванням КХП, має кращий розподіл волокон за довжиною – на 6,4 % менше волокон до 15 мм і на 4 % довших за 45 мм, на 19,5 % більший вміст волокон основної прядомої групи завдовжки 30– 45 мм, а вміст смітних домішок знижується в середньому на 0,5 %. При цьому зменшується кількість технологічних операцій, завдяки чому можливе



значне зниження собівартості отримуваного волокна. За результатами проведених досліджень ми маємо достатньо вихідної інформації для того, щоб

максимально контролювати процес одержання модифікованого лляного волокна із заздалегідь запланованими характеристиками.

Мета роботи – автоматизувати управління технологічним процесом модифікації лляного волокна, забезпечивши стабільність процесу виробництва та необхідну якість кінцевого волокнистого продукту. Для реалізації цієї мети необхідно розробити схему автоматизованої системи управління технологічним процесом модифікації, закласти у структуру цієї системи можливість зміни алгоритмів керування та прогнозування якості готової продукції.

Внаслідок складності технологічного процесу і великої кількості чинників, вплив яких може бути недостатньо прогнозований, він є складним, а результат – нестабільний. З метою забезпечення стабільності кінцевої якості МЛВ під час його виготовлення пропонується взяти під контроль і максимально автоматизувати процес модифікації льоноволокна, попередньо представивши його у вигляді складної системи керування, контролю та стабілізації параметрів, прогнозування та планування очікуваної якості МЛВ. Система складається з підсистем, які виконують чітко визначені функції та взаємодіють одна із одною у складі загальної системи.

На нашу думку, поділ складної системи управління на підсистеми дозволить: по-перше, розділити складне завдання на набір більш легких, окреме вирішення яких дозволить скоротити час та підвищити результативність праці; по-друге, дозволить у подальшому довершувати окремі складові процесу, використовувати нові напрацювання й технології, модернізувати систему у відповідності з новими потребами, не змінюючи їхню основну структуру.

На рис. 1 представлено систему автоматизованого управління технологічним процесом модифікації льоноволокна (АСУ ТП МЛВ). Визначимо на АСУ ТП МЛВ місце і роль кожного ключового елемента цієї системи, його функціональні сполучення.

Головна мета АСУ ТП МЛВ – забезпечити виконання поставленої мети (С), тобто на підставі даних про вихідну якість льоноволокна, а також на підставі завдання „одержати на виході процесу модифіковане льоноволокно”, попередньо проаналізувавши можливість виконання такого завдання, сформувати набір керуючих сигналів, забезпечити керування технологічним процесом та забезпечити одержання МЛВ у відповідності до завдання. При цьому система повинна бути максимально стійкою до зовнішніх негативних впливів, бути максимально надійною, стабільною та простою у використанні.

На рис. 1 система АСУ ТП МЛВ представлена у вигляді блоків-підсистем, зв’язок між якими показаний у вигляді стрілок, які вказують напрям впливів та сигналів, функціонально пов’язаних з певними параметрами.

Рис. 1. Структура АСУ ТП МЛВ

де C – константа, яка являє собою інформацію про завдання та вихідні данні процесу; С’ – константа, яка являє собою інформацію у вигляді вихідних даних С, відкоригованих людиною-

оператором на підставі інформації Р; К – контроль людиною-оператором через електронний термінал за процесом одержання МЛВ, а

також за роботою АСУ ТП МЛВ; І – інформаційний вплив, ініційоване людиною-оператором введення у підсистему планування

нових інструкцій та алгоритмів обробки інформації; g (t) – змінна, яка являє собою перетворену первинну інформацію про заплановані параметри

управління С’ з урахуванням коригуючої інформації А; u (t) – змінна, яка являє собою інформацію у вигляді набору керуючих сигналів, функціонально

пов’язаних з g (t) та відкоригованих із урахуванням інформації x (t); r (t) – змінна, яка являє собою перетворені у набір керуючих технологічним процесом сигналів, які

одержані на підставі інформації u (t); x (t) – змінна, яка являє собою набір сигналів про критичні параметри якості ТП та готового



продукту, яка функціонально залежить як від керуючих на ТП впливів так і від негативних впливів зовнішнього середовища f (t);

f (t) – змінна, яка являє собою негативний вплив зовнішніх факторів, які спотворюють параметри ТП та порушують заданий технологічний режим;

f’ (t) – змінна, функціонально пов’язана із змінною f (t), яка являє собою інформацію про силу дії на ТП зовнішніх негативних факторів;

x (t) – змінна, яка являє собою інформацію про параметри якості ТП та готової продукції і яка використовується як підстава для виробки коригуючих сигналів у підсистемі управління;

A – константа, яка являє собою інформацію аналітичного характеру про загальний стан ТП, на підставі якої можливе зупинення усіх процесів, якщо почався випуск невідповідного (бракованого) продукту;

Р – константа, яка являє собою інформацію у вигляді набору даних про характеристики стану процесу, що відбувається, даних про якість готового продукту, яка планується, за результатами оброблених за раніше заданими алгоритмами параметрів;

Для того, аби зрозуміти як повинна працювати вся система у цілому, розглянемо її з точки зору взаємодії підсистем. Об’єктом управління є технологічний процес модифікації льону, який об’єднує в собі біологічний процес підготовки лляної сировини та керований механічний процес подальшої обробки сировини. Один процес одержання МЛВ об’єднує в собі різні за характерами процеси, які окремо досить добре вивчені та в певній мірі керовані. Проте у сукупності ці процеси потребують не тільки керування, а й контролю, з коригуванням параметрів у разі потреби.

Разом із керуючим впливом, тобто механічним впливом підсистеми регулювання r (t), на об’єкт керування впливають непередбачувані і некеровані чинники зовнішнього середовища f′ (t). Тому, необхідно одержувати оперативну інформацію про процес формування якісних характеристик модифікованого льоноволокна. З цією метою у структуру, що складається з об’єкту керування та підсистеми регулювання включено зворотній зв’язок, який через підсистему обробки результатів та формування керуючих впливів на підставі набору вихідних параметрів x (t) формує сигнал про відхилення параметрів від заданих Δx (t) та передає цей сигнал у вигляді команди, або набору команд у підсистему управління.

Підсистема управління оперує із заздалегідь закладеним алгоритмом з інформацією, що поступила із інтерактивної підсистеми планування й прийняття рішень g (t), та інформацією Δx (t). На підставі одержаної інформації шляхом її математичної обробки формується сигнал у вигляді команд u (t), функціонально пов’язаний із запланованими параметрами технологічного процесу та з урахуванням відхилень технологічного процесу від запланованого режиму. Цей сигнал подається до підсистеми регулювання процесом, яка керує процесом та на підставі відкоригованого сигналу управління стабілізує задані параметри модифікованого льоноволокна. У такий спосіб процес одержання модифікованого льоноволокна стабільної якості автоматично стабілізується.

Оскільки підсистема управління на даному етапі є головною, вона повинна сама себе контролювати, оцінювати вплив зовнішнього середовища на саму себе та не дозволяти цьому впливу спотворювати керуючий сигнал u (t).

Підсистема управління є підлеглою для підсистеми планування та прийняття рішень. Підсистема планування та прийняття рішень об’єднує у собі функції обчислювальної машини та електронної міні бібліотеки, яка зберігає необхідну базу інформації щодо керування процесом. Ця підсистема приймає інформаційну базу І у вигляді математичних моделей та алгоритмів обчислення, табличних даних та певних умов, правил та обмежень. Відкритість цієї підсистеми дозволяє вносити нові алгоритми розрахунку та коректувати існуючі. У такий спосіб підсистему можливо модернізувати враховуючи новітні розробки у галузі. Також на цю підсистему покладено функції логічного контролю за виконанням поставленої мети, а саме: на підставі вихідної інформації про параметри об’єкта x (t), яка для зручності обробки модифікована у підсистемі аналізу стану об’єкта у зручний для обробки сигнал А, оцінює якість виконання поставленої мети. У разі невиконання поставленої мети – процес має бути призупинений. На підставі сигналу А підсистема планування й прийняття рішень подає сигнал на припинення усіх процесів та переводить АСУ ТП МЛВ у режим очікування, при чому підсистема прогнозування тимчасово вимикається. Після аналізу та усунення факторів, які стали причиною зупинки процесу, запуск процесу відбувається шляхом подавання оператором команди К у Блок корегування мети. На підставі команди К та даних С заново формується сигнал С′, який подається до підсистеми планування й прийняття рішень, яка у свою чергу ініціює запуск АСУ ТП МЛВ.

У відповідності із поставленим раніше перед АСУ ТП МЛВ завданням (С) „одержати на виході процесу модифіковане льоноволокно МЛВ”, вихідні дані за допомогою відповідного терміналу (ЕОМ) вносяться у автоматизовану систему керування процесом оператором через ЕОМ, яка на рис. 1 має позначення „Блок коригування мети”. Блок коригування мети, підсистема планування й прийняття рішення та частково підсистема управління фізично можуть бути об’єднані однією ЕОМ, але на логічній схемі вони представлені окремо.

Вважаємо, що система АСУ ТП МЛВ має бути підпорядкована спеціалісту, який відповідає за якість готового продукту, й тому повинна тісно співпрацювати з людиною, надаючи можливість втручатися у процес управління, та надаючи усю критично важливу інформацію про процес.



Для того, щоб оператор міг слідкувати та у разі потреби втручатися у процес управління АСУ ТП МЛВ, окремо передбачена підсистема прогнозування, яка на підставі параметрів x (t), оцінки зовнішніх чинників f′ (t), та алгоритмів обробки одержаної інформації формує звіт Р, у якому має подаватися інформація про вихідні параметри об’єкта регулювання, очікувана якість одержуваного виробу та пропозиції (у разі потреби) щодо корегування поставленої мети. Ця інформація поступає на дисплей ЕОМ та обробляється оператором.

Оскільки одержання модифікованого льоноволокна гарантованої якості доволі складний процес, який потребує урахування великої кількості як передбачуваних так і непередбачуваних факторів, ми переконані у доцільності розбиття даної складної задачі на набір менш складних, окреме розв’язання яких полегшить роботу із досягнення головної мети.

Висновки. На основі запропонованого фізико-хіміко-механічного способу модифікації лляного волокна з використанням емульсування композиційними хімічними препаратами та диференціації процесу чесання розроблено науково обґрунтовану технологію отримання модифікованих волокон функціонального призначення.

З метою подальшого промислового застосування даної технології було поставлено та вирішено та вирішено завдання з розробки загальної схеми АСУ ТП МЛВ. Подальшу працю над впровадженням АСУ ТП МЛВ планується розповсюдити на організацію кожного з елементів цієї системи та вирішення локальних проблем, які будуть виникати під час організації.


1. Кузьміна Т.О. Якість і стандартизація модифікованих лляних волокон: [монографія] / Кузьміна

Т.О., Чурсіна Л.А., Тіхосова Г.А. – Херсон: Олді-плюс, 2009. – 416 с. 2. Живетин В.В. Лен и его комплексное использование: [учеб. пособ.] / Живетин В.В., Гинзбург

Л.Н., Ольшанская О.М. – М.: Информ-знание, 2002. – 400 с. 3. Живетин В.В. Лен на рубеже XX и XXI веков: [учеб. пособ.] / Живетин В.В., Гинзбург Л.Н. – М.:

ИПО «Полигран», 1998. – 184 с. 4. Валько М.І. Наукові основи технологічних процесів одержання модифікованого лляного волокна:

автореф. дис.... доктора техн. наук: 05.18.03 "Первинна обробка та зберігання продуктів рослинництва"/ Валько Микола Іванович. – Херсон, 2002. – 36 с.

5. Чешкова А.В. Получение изделий с вложением биокотонизированного льноволокна / Мельников Б.Н., Гордеев В.Е., Стрельцов В.С., Колосков А.В // Текстильная промьішленность. – 1998. – 3. – С. 32– 33.

6. Van Sumer C.F., Sharma H.S.S. Analysis of fine flax fibres prodused by enzymatic retting // Aspect of Applied Biology. – 1991. – 29. – Р. 15– 20.

7. Пат. 18253 Україна, МПК D 01 G 1/00. Спосіб отримання модифікованого лляного волокна / Кузьміна Т.О., Бабіч С.С., Чурсіна Л.А.; заявник патентовласник Херсонський національний технічний університет. – 2006 01414; заявл. 13.02.2006; опубл. 15.11.2006, Бюл. 11.

8. Кузьміна Т.О. Дослідження розволокнення короткого лляного волокна у процесі модифікації / Т.О. Кузьміна // Східно-Європейський журнал передових технологій. – 2006. – 2/3 (20). – С. 11– 14.


Рецензент: д.т.н. Тіхосова Г.А.

УДК 677.021.017.86 І.С. ГАЛИК, Б.Д. СЕМАК

Львівська комерційна академія

БІОСТІЙКІСТЬ ТЕКСТИЛЮ: ПРОБЛЕМИ ТА РІШЕННЯ

Розглянуто проблеми формування асортименту та властивостей текстильних матеріалів різного

цільового призначення, модифікованих біоцидними препаратами. Дана порівняльна характеристика біостійкості білизняних і одягових целюлозних тканин, модифікованих традиційними біоцидами, кремнійорганічними та фторорганічними препаратами.

The problems of forming assortment and properties of textile materials of the different target purpose are considered, modified microbialresistant preparations. Comparative description of biostability of linen and clothing fabrics is given, modified traditional microbialresistant, kremniyorganic and ftororganic microbialresistant preparations.

Ключові слова: біоцидні препарати, поверхнева модифікація, асортимент і властивості, гігієнічність, біостійкість, екологічна безпечність.

Вступ Як відомо, формування заданої біостійкості текстильних матеріалів і виробів одягового,

інтер’єрного та технічного призначення вимагає цілеспрямованих і скоординованих зусиль фахівців різного профілю – біологів, хіміків, технологів, екологів, матеріалознавців, товарознавців, економістів, стандартизаторів і інших. В даній роботі ми обмежимось тільки постановкою і сучасною товарознавчою



трактовкою тільки тих питань, що стосуються пошуку ефективних шляхів захисту текстильних матеріалів і виробів від мікробіологічної деструкції та її об’єктивної оцінки. Необхідність вирішення цього багатопланового завдання обумовлено низкою причин, а саме [1– 4]:

- недооцінкою ролі мікробіологічних чинників у формуванні термінів експлуатації багатьох видів текстильних матеріалів і виробів, і в першу чергу тих, експлуатація яких відбувається при підвищеній температурі і вологості навколишнього середовища, контакті з ґрунтом та іншими атмосферними впливами;

- потребою пошуку та впровадження в практику текстильного виробництва більш ефективних обробних біоцидних препаратів, які б гарантували отримання не тільки високих, стабільних і довговічних ефектів підвищення біостійкості текстильних матеріалів (особливо целюлозомістких і кератиномістких), але й не погіршували інших властивостей цих матеріалів і виробів (механічних, фізичних, естетичних);

- доцільністю обґрунтування та стандартизації нормативів та методів оцінки стійкості до дії мікробіологічної деструкції текстильних матеріалів і виробів різних способів виробництва, волокнистого складу та призначення;

- відсутністю належної координації між галузевими та академічними науково-дослідними установами, які займаються вирішенням завдань біозахисту сировини, матеріалів і виробів.

Як свідчить аналіз літературних даних і результати наших досліджень [2, 3, 5], найбільш перспективним і виправданим виявилось використання для біозахисту текстильних целюлозомістких текстильних матеріалів тих видів обробних препаратів, які не тільки суттєво гальмують процес їх мікробіологічної деструкції, але й одночасно надають їм комплекс інших корисних властивостей – підвищують гігієнічність, екологічну безпечність і забезпечують встановлені терміни експлуатації. Особливо це стосується білизняних бавовняних і лляних матеріалів і виробів санітарно-гігієнічного та медико-профілактичного призначення, які широко використовуються в медичних установах, фармацевтичній і харчовій промисловості, а також у сферах ресторанного та готельного господарства.

Мета роботи – порівняльна характеристика біостійкості бавовняних білизняних і платтяно-сорочкових тканин, модифікованих різними обробними препаратами, забезпечення оптимізації їх асортименту і властивостей, а також підвищення конкурентоспроможності та розширення сфери застосування.

Викладення основного матеріалу і його авторська інтерпретація Як відомо, для надання необхідної біостійкості текстильним целюлозомістким матеріалам і виробам

можуть використовуватись як традиційні біоцидні препарати, так і поліфункціональні кремнійорганічні, фторорганічні, формальдегідні препарати для малозминального оброблення, а також деякі марки синтетичних і деякі види рослинних барвників, лікарських та інших препаратів [2,3,6]. Вибір рецептурно-технологічних режимів поверхневої модифікації текстильних матеріалів і виробів біоцидними препаратами залежить від багатьох чинників, а саме [2, 3, 7]:

- фізіологічного, родового та видового складу наявних на текстильних матеріалах мікроорганізмів;

- конкретного цільового призначення і волокнистого складу текстильного матеріалу, а також реальних умов його експлуатації;

- особливостей хімічної будови і властивостей самих обробних біоцидних препаратів; - способів оброблення текстильних матеріалів біоцидними препаратами (просочування,

набивання та інші). При цьому, як свідчить вітчизняна та зарубіжна практика, ефективність поверхневої модифікації

біоцидними препаратами текстильних матеріалів і виробів може бути забезпечена тільки в результаті скоординованої цілеспрямованої роботи фахівців різного профілю – біологів, хіміків, технологів, товарознавців, економістів та інших. При цьому важливу роль у вирішенні цього багатопланового завдання, на нашу думку, повинна відіграти галузева та вузівська наука. В цьому плані зусилля фахівців наукових установ сфери хімічної, легкої та текстильної промисловості, а також сфери торгівлі слід націлити на вирішення наступних завдань [1– 3];

- розроблення і цілеспрямований синтез біоцидних препаратів із заданими властивостями для модифікації текстильних матеріалів конкретного цільового призначення;

- вивчення механізму фіксації компонентів біоцидних препаратів з компонентами волокнистої основи текстильних матеріалів;

- дослідження стійкості біоцидних препаратів на текстильних матеріалах і виробах до дії різних експлуатаційних чинників (світлопогоди, мокрих обробок, підвищеної температури та інших);

- створення і впровадження в практику текстильного виробництва нових поліфункціональних обробних препаратів, які забезпечують досягнення на текстильному матеріалі одночасно декількох ефектів (біовогнезахисні, біомасловодостійкі та інші);

- вивчення особливостей мікробіологічної деструкції окремими фізіологічними групами мікроорганізмів (бактеріями, грибами) текстильних матеріалів із натуральних, штучних і синтетичних волокон і обґрунтування на цій основі засобів їх найбільш ефективного захисту від біодеструкції;

- виявлення видового складу тих бактерій і грибів, які найбільш інтенсивно руйнують окремі види волокон (бавовну, льон, вовну, шовк, віскозне, капронове, лавсанове та інші) і обґрунтування вибору найбільш ефективних біоцидних препаратів для їх захисту;



- розроблення міжгалузевого стандарту «Біоциди: асортимент, властивості, сфери застосування, вимоги до якості, номенклатура показників якості модифікованих цими препаратами текстильних матеріалів і виробів, критерії і методи оцінки якості цих матеріалів»;

- розширення асортименту синтетичних барвників текстильного призначення з фунгіцидними властивостями для фарбування матеріалів різного волокнистого складу та призначення;

- обґрунтування доцільності використання поліфункціональних кремнійорганічних і фторорганічних препаратів для надання наметовим, тентовим і пакувальним текстильним матеріалам біостійкості, гідрофобності та вогнетривкості;

- обґрунтування вибору поліфункціональних обробних препаратів для поверхневої модифікації текстильних матеріалів і виробів, які використовують в умовах тропічного клімату;

- створення банку даних про асортимент, властивості і сферу використання біоцидних препаратів для захисту неметалічних поверхностей від біодеструкції;

- створення каталогу найбільш характерних видів біодеструкції текстильної сировини, матеріалів і виробів;

- створення наукових засад оцінювання біодеструкції і біозахисту текстильних матеріалів і виробів одягового, інтер’єрного та технічного призначення;

- узагальнення світового досвіду вивчення біодеструкції текстильних матеріалів і виробів і способів їх ефективного захисту від дії волокноруйнуюючих видів мікроорганізмів.

Зупинимось на більш детальній характеристиці товарознавчих досліджень піднятої проблеми. Необхідність комплексної товарознавчої оцінки оптимальності структури асортименту,

властивостей і рівня якості поверхнево модифікованих біоцидними препаратами текстильних целюлозомістких (бавовняних, лляних і змішаних видів сировини) текстильних матеріалів і виробів обумовлена низкою причин. Назвемо основні з них [3, 7– 9]:

- відсутністю в матеріалознавчих, товарознавчих, медичних і інших періодичних і монографічних виданнях повної і достовірної кваліфікованої інформації про асортимент, властивості та сфери найбільш ефективного застосування названої групи матеріалів і виробів;

- потребою формулювання, обґрунтування та стандартизації вимог споживачів до даної групи товарів та номенклатури показників їх якості;

- необхідністю обґрунтування і стандартизації нормативних значень та довговічності ефектів біостійкості, досягнутих в результаті поверхневої модифікації біоцидними препаратами текстильних матеріалів і виробів різних способів виробництва, призначення та волокнистого складу;

- обґрунтованістю вибору об’єктивних критеріїв і методів оцінки якості поверхнево модифікованих біоцидними препаратами текстильних матеріалів і виробів різного цільового призначення;

- необхідністю розроблення та стандартизації науково обґрунтованої системи класифікації та кодування поверхнево модифікованих біоцидними препаратами текстильних матеріалів і виробів різних способів виробництва, призначення та волокнистого складу, що дозволить використовувати сучасні комп’ютерні технології для управління асортиментом цих товарів у сфері їх виробництва та торгівлі;

- потребою обґрунтування вибору критеріїв оцінки гігієнічності та екологічної безпечності даної групи матеріалів і виробів, враховуючи різноманітність та специфіку сфери їх використання та умов експлуатації (постільна і натільна білизна, білизняні та одягові матеріали та вироби санітарно-гігієнічного призначення, перев’язочні матеріали та вироби і т.п.).

Сучасної товарознавчої трактовки, аналізу та більш детального розгляду вимагають асортимент і властивості целюлозомістких текстильних матеріалів і виробів санітарно-медичного призначення, модифікованих біоцидними препаратами в поєднанні з різноманітними за призначенням лікарськими препаратами [9, 10]. На ринок повинні поступати тільки ті модифіковані біоцидними лікувальними препаратами текстильні матеріали та вироби, які характеризуються високими та стабільними лікувальними властивостями та пройшли широку клінічну апробацію, а виробництво яких економічно, технологічно і екологічно є вигідним.

Як відомо, в практиці текстильного виробництва використовуються різноманітні способи оброблення текстильних матеріалів лікарськими препаратами. Назвемо основні з них [9, 10]. Це просочування матеріалів розчинами чи дисперсіями лікарських біоцидних препаратів; введення лікарських препаратів в апрети, що використовуються для заключного оброблення текстильних матеріалів; нанесення лікарських препаратів в процесі вибивання цих матеріалів, а також їх фіксація за рахунок утворення хімічних зв’язків між лікарським препаратом і волокном. При цьому в кожному випадку ставиться мета – не тільки надати текстильному матеріалу бажаний лікувальний ефект, але й продовжити термін дії цього ефекту.

Шляхом використання названих способів модифікації текстильних матеріалів лікарськими біоцидними препаратами в останні роки створено достатньо широкий асортимент різноманітних матеріалів і виробів санітарно-медичного призначення. Найбільш поширеними серед них виявились: бавовняні і лляні перев’язочні матеріали для ран і опіків, постільна і натільна білизна з антимікробними властивостями для лікувальних установ, хірургічний одяг, нитки для хірургічних швів, лікувальні серветки та інші вироби.

Враховуючи різноманітність асортименту та сфер застосування поверхнево модифікованих біоцидними препаратами текстильних матеріалів і виробів, назріла потреба у формулюванні, обґрунтуванні та стандартизації вимог до цих матеріалів, оптимальності структури їх видового асортименту, вибору



найбільш ефективних способів їх виробництва та раціонального використання в різних сферах. Для прикладу розглянемо деякі результати проведених нами досліджень біостійкості бавовняних

білизняних і одягових тканин різного цільового призначення, поверхнево модифікованих як традиційними біоцидними препаратами, так і їх поєднанням з деякими кремнійорганічними обробними препаратами [3– 5]. Результати цих досліджень наведені в табл. 1– 5.

Таблиця 1

Вплив виду оброблення на біостійкість бязі Коефіцієнт біостійкості (К, %) після контакту

з ґрунтовими мікроорганізмами, дні ре-цеп-ту

Назва препаратів

Концентрація препарату у ванні, г/л 3 5 10

Водо-поглинан-ня, %

1 Дистильована вода

– 56,8 28,4 11,7 30,8

2 Катамін АБ 10 95,8 81,6 40,3 22,0 3 Метацид 20 91,3 42,4 28,3 20,5 4 АБП-40 20 96,5 90,3 75,4 22,4 5 Хромолан 70 60,9 15,5 12,9 15,2 6 ГКР-10 30 71,4 16,9 14,3 15,3 7 АМСР 30 67,7 30,8 13,0 20,8 8 КЕ-119-215 30 31,7 30,5 18,1 9,5 9 Катамін АБ

КЕ-119-215 10 30

89,3 87,2 46,5 12,9

10 Метацид КЕ-119-215

20 30

64,0 52,9 34,7 12,0

11 АБП-40 КЕ-119-215

40 30

85,8 82,3 79,7 10,3

Як видно з аналізу даних табл. 1, в результаті поверхневої модифікації деякими біоцидними та

силіконовими препаратами, а також їх поєднання на поширеній бавовняній білизняній і сорочково-платтяній тканині (бязі) залежно від її цільового призначення можна отримати достатньо високий до дії целюлозоруйнуючих мікроорганізмів ефект біостійкості. При цьому кращим серед обраних традиційних біоцидних препаратів виявився препарат АБП-40, а серед силіконових – препарати АМСР і ГКР. Виправданим виявились також поєднання біоцидного препарату катаміну АБ в поєднанні з КЕ 119-215 (рец.9) і препарату АБП-40 в поєднанні з КЕ-119-215 (рец.11). Правда, кремнійорганічні препарати ГКР-10 і АМСР на відміну від біоцидних препаратів катаміну АБ, метациду та АБП-40 гарантують отримання тільки короткочасної (3 дні) стійкості тканини до дії целюлозоруйнуючих мікроорганізмів, які містяться в чорноземі. Таким чином, використовувати названі силіконові препарати доцільно тільки в поєднанні з відзначеними біоцидними препаратами.

Окрім вивчення впливу досліджуваних типів біоцидних і силіконових препаратів на зміну стійкості бавовняних тканин до дії целюлозоруйнуючих мікроорганізмів (табл. 1), нами було вивчено також їх вплив на гальмування розвитку деяких найбільш поширених видів патогенних мікроорганізмів. При цьому при виборі тест-культур патогенних мікроорганізмів ми обрали саме ті мікроорганізми (стафілококи, кишкову палочку та грибок Сабуро), які є найбільш поширеними і небезпечними для здоров’я людини [5]. Саме ці патогенні мікроорганізми, як правило, викликають захворювання шкіри людини (особливо на ногах), появу неприємного запаху білизни, шкарпеткових виробів і взуття та ін.).

Таблиця 2

Біостійкість бязі, модифікованої біоцидними та силіконовими препаратами, до дії патогенних мікроорганізмів Зона затримки росту патогенних мікроорганізмів від краю зразка, мм

рецепту (табл. 1)

Назва препарату Стафілокок Кишкова паличка

Дріжджовий грибок сабуро

2 Катамін АБ 10 0,5 1,0 3 Метацид 3-4 3-4 0-0,5 4 АБП-40 0 0 0-0,5

9 Катамін АБ КЕ-119-215

8-10 1,0 2-3

10 Метацид КЕ-119-215

5-7 3 0,5

11 АБП-40 КЕ-119-215

2 0,5 0,5



Як видно з аналізу даних табл. 2, в результаті просочувань бязі досліджуваними біоцидними препаратами і їх поєднання з деякими силіконовими препаратами (табл. 1) суттєво гальмується розвиток на цій тканині досліджуваних тест-культур патогенних мікроорганізмів. При цьому найбільш високий ефект біостійкості досягається після оброблення бязі композицією, яка містить катамін АБ і емульсію КЕ-119-215 (рец.9). Виявлено також, що обрані типи препаратів вибірково гальмують ріст окремих видів патогенних мікроорганізмів. Так, найбільш чутливим до дії обробних препаратів виявився стафілокок. Встановлена також пряма залежність між коефіцієнтом стійкості бязі до дії комплексу ґрунтових мікроорганізмів (табл. 1) і зміною зони гальмування росту патогенних грибків, яка досягається при поверхневій модифікації тканини обраними типами біоцидних препаратів і їх композиціями з силіконами (табл. 2).

Окрім модифікації катаміном АБ, метацидом і АБП-40 і їх поєднанням з емульсією КЕ-119-215 досліджувана бязь була модифікована і іншими типами традиційних біоцидних препаратів – оксихінолятом міді, саліциланілідом і містоксом LSL. При цьому досягнуті цими препаратами ефект біостійкості бязі порівнювався з ефектами, досягнутими на цій тканині поширеними силіконовими препаратами – ГКР-94 і ГКР-10 [3]. Отримані в результаті цих досліджень дані дозволяють зробити наступні узагальнюючі висновки [5]:

- всі обрані типи біоцидних і силіконових препаратів не тільки значно знижують загальну кількість наявних на бязі мікроорганізмів, але й вибірково суттєво пригнічують розвиток окремих фізіологічних груп цих мікроорганізмів, що дозволяє цілеспрямовано використовувати окремі препарати для надання цій тканині бажаного ефекту біостійкості залежно від конкретних умов експлуатації виготовлених з неї виробів;

- серед обраних біоцидних препаратів найбільш високий антимікробний ефект на бязі досягнуто після її модифікації містоксом LSL, а серед силіконових препаратів – препаратами ГКР-94 і ГКР-10;

- перевагою модифікації бязі ГКР-94 і ГКР-10 у порівнянні з містоксом LSL, оксихінолятом міді та саліциланілідом є те, що використання силіконових препаратів не пов’язане з погіршенням механічних властивостей бязі, а також можливістю надання їй одночасно з біостійкістю інших бажаних деколи ефектів (гідрофобності, формостійкості та інших).

Для розкриття механізму взаємодії різних типів біоцидних препаратів з наявними на вовняних тканинах мікроорганізмами різних фізіологічних груп і видів і обґрунтування на цій основі прогнозів біостійкості цих тканин і виготовлених з них виробів в різних умовах їх експлуатації представляється доцільним детальніше розглянути специфіку взаємодії окремих біоцидних препаратів з окремими видами мікроорганізмів [3, 4].

Механізм руйнування бавовняної тканини (бязі) целюлозоруйнуючими мікроорганізмами до і після поверхневої модифікації цієї тканини деякими типами кремнійорганічних і фторорганічних препаратів (табл. 3) нами було проведено на прикладі найбільш поширених тест-культур цих мікроорганізмів – мікроскопічного гриба Trichoderma lignorum і бактерії роду Cytophaga. Біоцидну активність обраних препаратів оцінювали за їх здатністю гальмувати ріст тест-об’єктів на поверхні агаризованих середовищ у чашках Петрі [4].

Таблиця 3

Характеристика обробних препаратів Обробний препарат Номери

рецептів марка склад Концентрація препарату в просочувальній ванні, г/л

1 Дистильована вода 2 КЕ-50-17

Na2CO3 50-відсоткова толуольна емульсія смоли МБ-1 Вуглекислий натрій

20 5

3 КЕ-50-17 Na2CO3

50-відсоткова безтолуольна емульсія смоли МБ-1 Вуглекислий натрій

20 5

4 КЕ-50-17 50-відсоткова безтолуольна емульсія смоли МБ-1

20

5 ФВ-2/180 50-відсоткова емульсія препарату ФВ-2/180

30

6 ФВ-16 50-відсоткова емульсія препарату ФВ-16

30

7 ПІНЗ 35-відсоткова толуольна емульсія поліізононілсіл-сесквіазану

10

Співставлення інтенсивності гальмування росту колоній обраних тест-культур досліджуваними

препаратами показало, що найбільш високим біозахисним ефектом характеризується толуольна емульсія смоли МБ-1 (рец. 2). До неї наближається толуольна емульсія ПІНЗу (рец.7). При цьому зі збільшенням тривалості росту колоній ефективність бактерицидної дії досліджуваних препаратів суттєво зростає, хоча до різних типів препаратів не виявлено пропорційного росту їх бактерицидності залежно від тривалості розвитку колоній [4].



Про ефективність поверхневої модифікації досліджуваної тканини обраними препаратами свідчать також дані про ступінь її руйнування відзначеними мікроорганізмами (табл. 4). Встановлено також, що досліджувані препарати вибірково сповільнюють руйнування бязі грибом Trichoderma lignorum та бактеріями роду Cytophaga. При цьому кращий антимікробний ефект на тканині також досягається після її оброблення толуольними емульсіями МБ-1 і ПІНЗа.

Таблиця 4

Вплив оброблення на стійкість бавовняної тканини до дії гриба Trichoderma lignorum і бактерій роду Cytophaga

Номери рецептів

Зменшення маси тканини (%) після 15-и денного впливу гриба Trichoderma lignorum

Зменшення маси тканини (%) після 30-и денного впливу бактерій ряду Cytophaga

1 65,75 37,90 2 7,50 8,25 3 21,50 18,50 4 24,80 16,35 5 18,95 13,15 6 11,15 12,00 7 9,00 10,50 При розкритті механізму взаємодії обраних біоцидних силіконових і фторвмісних препаратів (табл.

3) з окремими фізіологічними групами целюлозоруйнуючих мікроорганізмів нами було вивчено, як окремі види кремнійорганічних і фторорганічних препаратів впливають на зміну співвідношення родового складу целюлозоруйнуючих грибів (табл. 5).

Таблиця 5

Вплив поверхневої модифікації бавовняної тканини кремнійорганічними і фторовмісними препаратами на зміну співвідношення на ній родового складу грибів

Вміст грибів на тканині (у % від загальної кількості)

Номери рецептів

Загальна кількість

грибів (тис. /1 г абсолютно

сухої тканини)

Muc

or

Asp

er-

gilli

us

Tri

cho-

derm

a

Pen

icil-

lium

Fus

a-ri

um

Cla

do-

spor

ium

Alt

er-n

aria

Rhi

zopu

s

Інші роди

1 67,50 10,00 7,85 50,15 12,00 18,90 14,40 - - 6,70 2 5,85 42,80 3,00 7,50 - 17,50 11,00 10,75 5,80 1,65 3 17,32 - 37,50 - 11,50 9,80 18,75 14,35 8,10 - 4 21,17 8,15 6,35 24,50 7,45 8,10 - 40,00 4,25 3,20 5 9,15 - 8,00 5,70 41,75 - 19,00 3,00 22,10 0,45 6 8,24 26,10 7,15 10,00 18,25 - 30,50 - 6,00 2,00 7 7,19 12,50 - 15,50 7,00 37,20 6,85 - 18,00 2,95

Як видно з аналізу даних табл. 5, в результаті поверхневої модифікації бавовняної тканини (бязі)

обраними кремнійорганічними та фторорганічними поліфункціональними препаратами в кожному окремому випадку відбуваються суттєві зміни не тільки в загальній чисельності целюлозоруйнуючих грибів на цій тканині, але й змінюється співвідношення між їх окремими родами. Так, наприклад, якщо на не модифікованій бязі (вихідній) домінували гриби родів: Trichoderma – 50,2 %; Fusarium – 18,9 %; Cladosporium – 14,4 % і Penicillium – 12,0 %, то після поверхневої модифікації цієї бязі 50-відсотковою толуольною емульсією смоли МБ1 (рец.2) домінуюче місце займали гриби родів: Mucor – 42,8 %; Fusarium – 17,5 %; Cladosporium – 11,0; Alternaria – 10,8 %. Не менш різноманітним виявилось співвідношення родів целюлозоруйнуючих грибів на цій тканині і після їх оброблення за іншими рецептами (табл. 3). При цьому слід відзначити, що на деяких варіантах модифікованої бязі були виявлені гриби тих родів, яких не було виявлено в не модифікованій бязі. Так, після оброблення за рец.4 на бязі було виявлено 40,0 % грибів роду Alternaria, а після оброблення за рец.5 – 22,1 % грибів роду Rhizopus, яких зовсім не було в не модифікованій бязі. Наведені дані переконливо свідчать про складність взаємодії досліджуваних обробних препаратів з целюлозою бязі.

Окрім зміни в співвідношенні родового складу целюлозоруйнуючих грибів, поверхнева модифікація бязі досліджуваними препаратами (табл. 3) веде і до інших змін в розвитку наявних на ній грибів. Так, на модифікованій за рец. 2– 7 бязі спостерігається більш сповільнений ріст колоній грибів без їх активного спороношення і обкутування окремих волокон міцелієм. Причому вказані гриби знаходяться тільки на поверхні волокон, не проникаючи в їх канал (гриб при своєму розвитку ніби впирається в бар’єр). Однак, зі збільшенням періоду росту колоній (15 днів) в результаті тимчасової адаптації грибів їм все-таки вдається частково проникнути через верхній шар бавовняного волокна. Однак, активність їх дії незначна (помітних слідів руйнування волокон не виявлено). Окрім цього, на не апретованій бязі, на відміну від апретованої,



появляється різкий гнилісний запах, що також свідчить про активне її розкладання. Таким чином, механізм взаємодії целюлозоруйнуючих грибів з модифікованими

кремнійорганічними та фторорганічними препаратами бавовняної тканини дуже складний і залежить від багатьох чинників – родового і видового складу названих грибів, хімічного та компонентного складу обробних препаратів, особливостей технологічного режиму самої обробки тканини та інших.

Завершуючи розгляд піднятих в даній роботі питань, враховуючи вагомість і значимість мікробіологічної деструкції багатьох видів текстильних матеріалів і виробів у формуванні їх зносостійкості та термінів експлуатації, а також аналізуючи результати досліджень цієї багатогранної міжгалузевої проблеми, ми вважаємо доцільним об’єднати зусилля фахівців різного профілю для подальшого розвитку її біологічних, хімічних, товарознавчих, матеріалознавчих, екологічних, технологічних, маркетингових і інших аспектів. Стосовно невирішених завдань в галузі текстильного товарознавства і матеріалознавства, то нам варто звернути першочергову увагу на вирішення наступних завдань:

- подальше вдосконалення асортименту існуючих і розроблення нових високоякісних обробних препаратів для надання біостійкості текстильним матеріалам різного призначення, волокнистого складу та способів виробництва;

- суттєве розширення асортименту поліфункціональних обробних препаратів, здатних одночасно гарантувати отримання на текстильних матеріалах декількох високих і стабільних ефектів (біостійкості, атмосферостійкості, температуростійкості, вогнетривкості та інших);

- створення нового перспективного асортименту модифікованих біоцидними препаратами текстильних матеріалів і виробів спеціального призначення (санітарно-гігієнічного, агро- та геотекстильного, для експлуатації в умовах тропічного та субтропічного клімату та в інших екстремальних умовах їх експлуатації.

При цьому необхідно, щоб при вирішенні будь-якого з названих блоків питань сировинні, технологічні, асортиментні та фінансові можливості того чи іншого підприємства чи галузі текстильного виробництва органічно поєднувались з існуючими потребами і можливостями споживачів цієї продукції, а також враховували кон’юнктуру вітчизняного та зарубіжного ринків цих товарів.

Висновки 1. Обґрунтована доцільність подальшого вдосконалення системи стандартизації, товарознавчої

оцінки оптимальності структури асортименту та властивостей целюлозомістких текстильних матеріалів, модифікованих біоцидними та силіконовими препаратами. Показана можливість використання деяких видів кремнійорганічних і фторорганічних обробних препаратів для поліфункціональної біоцидної обробки цих матеріалів.

2. Показана можливість і доцільність використання показників зниження чисельності патогенних і целюлозоруйнуючих мікроорганізмів на целюлозних текстильних матеріалах в результаті їх поверхневої модифікації біоцидними препаратами для об’єктивної оцінки екологічної безпечності цих матеріалів і виготовлених з них виробів. Особливо актуальним це питання слід вважати для матеріалів і виробів білизняного та санітарно-медичного призначення, які безпосередньо контактують із шкірою людини.

3. Представляється доцільним розширення асортименту та підвищення якості текстильних матеріалів і виробів з поліфункціональним (біостійким і атмосферостійким) обробленням. Це стосується передусім матеріалів і виробів, які експлуатуються в субтропічних і тропічних кліматичних умовах і є найбільш чутливими до мікробіологічної і атмосферної деструкції (чохольні, тентові, наметові, пакувальні матеріали і вироби).

4. Встановлено, що терміни експлуатації поверхнево-модифікованими біоцидними (полі-функціональними) препаратами текстильних матеріалів і виробів визначаються не стільки величиною досягнутих вихідних ефектів, скільки їх довговічністю і стійкістю до різноманітних експлуатаційних чинників (дії світлопогоди, підвищеної і пониженої температури, хімічних реагентів та інших).


1. Ильичев В.Д. Экологические основы защиты от биоповреждений / В.Д. Ильичев, Б.В. Бочаров,

М.В. Горленко. – М. : Наука, 1985. – 264 с. 2. Колонтаров И.Я. Придание текстильным материалам биоцидных свойств и устойчивости к

микроорганизмам / И.Я. Колонтаров, В.Л. Ливерант. – Душанбе : Дониш, 1981. – 202 с. 3. Галик І.С. Екологічна безпека та біостійкість текстильних матеріалів : [монографія] / І.С. Галик,

О.Б. Концевич, Б.Д. Семак. – Львів : Видавництво Львівської комерційної академії, 2006. – 232 с. 4. Галик І.С. Механізм взаємодії мікроорганізмів з модифікованими текстильними матеріалами / І.С.

Галик, О.Б. Концевич, В.Д. Семак // Вестник Херсонского государственного технического университета. – 2004. – 2 (20). – С. 79– 83.

5. Галик І.С. Гігієнічна обробка білизняних бавовняних тканин силіконами / І.С. Галик, О.Б. Концевич, Б.Д. Семак // Вестник Херсонского государственного технического университета. – 2004. – 2 (20). – С. 84–91.

6. Дацко О.І. Дослідження біоцидних властивостей тканин, пофарбованих екстрактом лушпиння



цибулі ріпчастої / О.І. Дацко, І.С. Галик, Р.В. Куцик // Вісник Львівської комерційної академії. – Серія товарознавча. – Випуск 9. – 2008. – С. 126–134.

7. Подгаевская Т.А. Перспективные способы антисептирования текстильных материалов в СССР и за рубежом: обзор / Т.А. Подгаевская, А.Б. Сквиренко, Л.И. Киркина. – М. : ЦНИИТЭИЛегпром, 1977. – 38 с.

8. Макарова Н.А. Текстиль против микробов / Н.А. Макарова, Б.А. Бузов, В.Ю. Мишаков // Текстильная промышленность. – 2003. – 6. – С. 20–21.

9. Олтаржевская Н.Д. Текстиль и медицина. Что нового? / Н.Д. Олтаржевская // Текстильная промышленность. – 2002. – 7. – С. 30–32.

10. Олтаржевская Н.Д. Использование технологии отделки текстильных материалов для получения изделий медицинского назначения / Н.Д. Олтаржевская // Текстильная химия. – 1997. – 1 (10). – С. 10.


Рецензент: д.т.н. Н.І.Доманцевич

УДК 677.027.2 М.Л. КУЛИГИН

Херсонский национальный технический университет

В.А. ЕВДОКИМОВА Херсонский государственный университет

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ РАСШЛИХТОВКИ

ХЛОПЧАТОБУМАЖНЫХ ТЕКСТИЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ В статье приведены результаты разработки технологии расшлихтовки хлопчатобумажных тканей на

основе применения химической и физикохимической интенсификации. Показана возможность использования одностадийной технологии подготовки расшлихтовки для крашения тканей в темные тона.

The results of development of technology of desizing of cottonade on the basis of application of chemical and physical and chemical intensification have been presented in the article. Possibility of the use of onephased technology of desizing preparation for fabric dyeing in dark tones has been shown in the article.

Ключевые слова: расшлихтовка, интенсификация, подготовка, хлопок, текстильные материалы. Постановка проблемы. Подготовка текстильных материалов из природных целлюлозных волокон

включает комплекс операций, часть из которых носят характер чисто механического или физического воздействия на материал, но большинство операций основано на химическом и физико-химическом воздействии на волокно. К механическим операциям относятся: опаливание, стрижка, обработка на наждачной машине, к физико-химическим и химическим – расшлихтовка, отварка, беление, мерсеризация. Назначение операции расшлихтовки заключается в удалении шлихты, которая наносится на нити основы перед процессом ткачества. Из текстильно-вспомогательного вещества, на стадии ткачества, в отделочном производстве шлихта превращается в технологическое загрязнение, препятствующее последующим процессам крашения и печати. Поэтому необходимо полностью или частично удалить шлихту из текстильного материала. В настоящее время на отечественных текстильных предприятиях для сокращения себестоимости обработки стадию расшлихтовки либо вообще исключают, либо совмещают с другими операциями подготовки, не контролируя остаточного содержания крахмала на ткани. Потому, представляет интерес исследовать процесс расшлихтовки, так как отсутствие или некачественное проведение расшлихтовки в значительной степени предопределяет плохую подготовку и последующее неудовлетворительное качество колорирования тканей, несмотря на соблюдение остальных технологических параметров.

Анализ последних публикаций и достижений. Построение технологии расшлихтовки тканей зависит от типа шлихты, нанесенной на нити основы. Основным шлихтующим препаратом на украинских предприятиях до сих пор остается крахмал и его производные из за их низкой стоимости, доля которых составляет 70– 80 % от общего количества потребляемых шлихтующих материалов. Остальное приходится на долю синтетических продуктов – КМЦ, ПВС, акрилатов, сополимеров поливинилацетата, полиэфиров и др., которая повышается сравнительно медленно [1]. Существует так же и технология «холодного» шлихтования сополимерами винилового спирта хлопчатобумажной пряжи [2]. Перспективным является направление использования смесей крахмалов с ПВС [3]. Полиакриловые препараты, благодаря высоким адгезионным свойствам, приобретают все большее значение в шлихтовании натуральных и химических волокон [4, 5]. С экономической точки зрения обоснованным решением является использование шлихты на основе смеси различных препаратов. Наиболее универсальным для смешивания является акриловое связующее, совместимое с крахмалами, простыми эфирами крахмалов, ПВС, КМЦ, сополимерами поливинилацетата, полиэфирами и с веществами, регулирующими вязкость [6, 7]. Положительную оценку в практике шлихтования пряжи получили лигносульфонаты [8]. Несмотря на распространение синтетических шлихтовальных материалов, крахмал и его производные занимают доминирующее положение для шлихтования хлопчатобумажной пряжи [9].



Наибольшие трудности возникают при расшлихтовке тканей от крахмала, так как для полного его удаления крахмал необходимо перевести в водорастворимую форму путем деполимеризации до низкомолекулярных сахаров (глюкозы, мальтозы) или их олигомеров. Деполимеризация крахмала, который является смесью двух полисахаридов линейной амилозы и разветвленного амилопектина, основана на разрушении α-глюко-зидной (в отличие от β-глюкозидной в целлюлозе) связи. Гидролиз α-глюкозидной связи может осуществляться бактериальным, химическим и ферментативным способами [10]. В настоящее время получили распространение два основных способа расшлихтовки: ферментативная (энзиматическая) и окислительная.

Анализ работ в области расшлихтовки текстильных материалов показывает, что процесс подготовки является одной из важнейших операций во всем цикле получения готовых изделий. Потому необходимо грамотно с технологической, экологической и экономической сторон рассматривать эту стадию подготовки.

Формулирование цели статьи. Целью настоящей работы являлась разработка эффективной технологии расшлихтовки натуральных тканей, определение ее технологического места – либо осуществлять отдельной стадией перед крашением в темные тона, либо совмещать с процессом беления, при этом, создавая условия для полного удаления шлихты и примесей хлопкового волокна.

Изложение основного материала. Исследованию подвергалась бязь суровая арт. 9В0121 производства ОАО «Херсонский ХБК» с содержанием крахмала 3,3 % от массы волокна. Разработаны технологические процессы расшлихтовки на основе применения ферментов, ПАВ нового поколения и анолита, полученного при пропускании тока через водопроводную воду.

Хлопок – это биополимер с большим количеством примесей различной природы, потому необходимо для полной деградации их использовать не отдельный фермент, а ферментативный комплекс, с известной активностью и при этом необходим строгий контроль процесса: температуры, концентрации, времени выдержки. Выбор ферментов диктовался следующими требованиями: препарат должен производиться в промышленном масштабе, быть нетоксичным, стабильным при хранении и эксплуатации и каталитически активным. В данной работе исследовался фермент биотекс ПН – это комплексный фермент, в состав которого входит α-амилаза, гидролизующая 1,4 глюкозидные связи в молекуле крахмала, ПАВ и стабилизатор. α-амилаза в основном активна в слабокислой среде 4,5– 6,5, термостабильна – не выше 700С. В результате исследования разработана технология ферментативной расшлихтовки хлопчатобумажной ткани, которая может осуществляться по плюсовочно-накатному способу. Найдены оптимальные параметры процесса: концентрация биопрепарата, температура пропиточного раствора, время выдержки ткани в рулоне. Основные показатели качества ткани, расшлихтованной ферментом, представлены в табл. 1.

Таблица 1

Энзимная расшлихтовка

Фермент Концентрация,

г/л Температура обработки, 0С

Время вылеживания,

мин

Капиллярность, мм/ч

Степень удаления

крахмала, %

Степень удаления восков, %

Биотекс ПН

1 50 60 152 55,2 35,5

Поверхностно активные вещества (ПАВ) широко используются в процессах беления, крашения,

печатания и заключительной отделки. В последнее время все больший интерес представляют ПАВ нового поколения, обладающие эффективным сольватационно-экстракционным действием, что позволяет их использовать и на стадии расшлихтовки. В данной работе исследованы композиции ПАВ: савенол NWP, циклимид (30 %) + синтанол ДС-10 (70 %), твин 80 (30 %) + синтанол ДС-10 (70 %), сульфосид 61- производства Ивхимпром. В результате исследования разработана технология расшлихтовки хлопчатобумажной ткани на основе сульфосида 61 (табл. 2).

Таблица 2

Расшлихтовка ПАВ

ПАВ Концентрация,

г/л

Температура обработки,

0С

Время вылеживания,

мин

Капиллярность, мм/ч

Степень удаления крахмала,

%

Степень удаления восков,

% Сульфосид 1 80 60 145 48,5 48,6

В данной работе представляло интерес проведение исследования в области не только химической,

но и физико-химической интенсификации процесса расшлихтовки хлопчатобумажных тканей на основе метода электрохимической активации воды (ЭХА). ЭХА – это аномальное изменение реакционной и каталитической способности водных растворов, подвергнутых униполярной обработке – анодной или катодной. В результате обработки получаются не концентрированные химические вещества, а активированные растворы, т.е. низкоминерализованные жидкости в метастабильном состоянии, проявляющие в период релаксации повышенную химическую активность [11].



В ходе предварительных исследований возможности использования электроактивированных растворов в процессах подготовки предлагается следующая технология расшлихтовки ткани на основе анолита:

1. Получение анолита с рН=1,32, RedOx потенциалом = 1012 мВ, электропроводностью > 3999 мкСм/cм и минерализацией > 2000 ррm (в лабораторных условиях периодическим способом, в производственных условиях получение электроактивированных растворов целесообразно проводить непрерывно, с помощью проточных электрохимических модульных реакторов);

2. Пропитка ткани анолитом, накатка в рулон, укрытие пленкой и выдержка 15 мин. 3. Промывка горячей и холодной водой. Разработанные технологии расшлихтовки целлюлозных материалов на основе энзимов,

поверхностно – активных веществ и электроактивированной воды, представлены в табл. 3.

Таблица 3

Предлагаемые технологии расшлихтовки целлюлозных материалов

Энзимная расшлихтовка Расшлихтовка с помощью ПАВ Расшлихтовка с помощью

анолита Пропитка раствором биотекса ПН С=1 г/л Т=500С О=100– 120 % Вылеживание 60 мин Промывка, сушка Капиллярность 152 мм/ч (на воздухе) Капиллярность 102 мм/ч (конвективная сушка) Степень удаления крахмала 55,2 % Степень удаления восков 35,5 % Минерализация 63 ppm

Пропитка раствором сульфосида -61 С=1 г/л Т=800С О=100– 120 % Вылеживание 60 мин Промывка, сушка Капиллярность 150 мм/ч (на воздухе) Капиллярность 125 мм/ч (конвективная сушка) Степень удаления крахмала 48,5 % Степень удаления восков 48, 6 % Минерализация 46 ppm

Пропитка раствором анолита рН = 1,32; RedOx потенциал = 1012 мВ; Т =25 0С; О=100– 120 % Вылеживание 15 мин Промывка, сушка Капиллярность 100 мм/ч (на воздухе) Капиллярность 76 мм/ч (конвективная сушка) Степень удаления крахмала 46,1 % Степень удаления восков 42,6 % Минерализация 29 ppm

Для оценки морфологических изменений волокна на микроскопе снимались микрофотографии

поверхности расшлихтованной ткани – рис. 1.

Рис. 1. Морфологические изменения расшлихтованной ткани

Анализ изображения рис. 1 свидетельствует о том, что при расшлихтовке наблюдается изменение

тонкого поверхностного слоя волокна без значительных его структурных изменений. С целью определения влияния операции расшлихтовки на гигроскопические свойства ткани и



степень удаления крахмала исследовались различные варианты одностадийной подготовки, включающей только операцию холодного пероксидного отбеливания и двухстадийной подготовки – расшлихтовка и последующее холодное беление. Результаты исследования, представленные в табл. 4, свидетельствуют о том, что предварительная расшлихтовка способствует повышению степени удаления крахмальной шлихты, однако, капиллярность тканей не удовлетворяет требованиям стандарта.

Таблица 4

Основные показатели качества ткани, подготовленной по одно- и двухстадийной технологии Показатели качества подготовленной ткани

Способы подготовки Белизна, % Капиллярность, мм/ч

Степень удаления крахмала, %

Одностадийная подготовка: Беление с Na2SiO3 82 20 48,48 Беление с органическим стабилизатором

82 60 53,03

Двухстадийная подготовка: Ферментативная расшлихтовка с последующим белением Беление с Na2SiO3 82 75 58,79 Беление с органическим стабилизатором

82 65 61,8

Расшлихтовка на основе ПАВ с последующим белением Беление с Na2SiO3 82 108 58,79 Беление с органическим стабилизатором

82 88 62,42

Расшлихтовка на анолите с последующим белением Беление с Na2SiO3 78 78 45,5 Беление с органическим стабилизатором

79 80 51,52

Эффективность одно и двухстадийного способов подготовки оценивали по качественным

показателям тканей при последующем крашении. Крашение осуществляли активными красителями фирмы "Клариант" по периодическому способу, при температуре 60 оС. Колористические показатели и устойчивость окраски расшлихтованной ткани при одностадийной подготовке (только расшлихтовка) приведены в табл. 5 и табл. 6

Образцы, которые были только расшлихтованы, отличаются высокими показатели интенсивности окраски, причем хорошие результаты получены в случае использования анолита (табл. 5, 6).

Таблица 5

Колористические показатели и устойчивость окраски расшлихтованной ткани при одностадийной подготовке, крашение активным красителем Clariant синий CL-2

Устойчивость окраски, балы Вид подготовки k/s, ед.

к стирке 1 к сухому трению к мокрому трению Энзимная 48,53 5/5/4 5 5 С использованием ПАВ

32,19 5/5/4 5 5

С использованием анолита

40,52 5/5/4 5 5

Таблица 6

Колористические показатели и устойчивость окраски расшлихтованной ткани при одностадийной подготовке, крашение активным красителем Clariant желтый CL- 2R

Устойчивость окраски, балы Вид подготовки k/s, ед.

к стирке 1 к сухому трению к мокрому трению Энзимная 15,53 5/5/4 5 5 С использованием ПАВ

12,03 5/5/4 5 5

С использованием анолита

14,49 5/5/4 5 5

Выводы. Разработана эффективная технология расшлихтовки хлопчатобумажных тканей. В ходе

исследований установлено, что если ткань выпускается в отбеленной виде или под крашение в светлые тона достаточно ограничиться одностадийным низкотемпературным пероксидным белением, если ткань



необходимо окрасить в темные тона достаточно ограничиться процессом расшлихтовки.

Литература 1. ЦНИИ и ТЭИЛП. Направления в шлихтовании, способствующие повышению скоростей в

ткачестве // Текстильная промышленность (зарубежный опыт). – 1985. – 35. – С. 12– 25. 2. Пат. 2017877 Российская Федерация, МКИ D 06 M 15/11. Способ получения шлихты для

хлопчатобумажных нитей / Беренштейн Е.И., Ахмедов Ф.А., Авакаян Э.Б., Ходжаева М.А.; заявитель и патентообладатель Научно-исследовательский институт химии и технологии хлопковой целлюлозы. – 5015199; заявл. 07.08.91; опубл. 15.08.94, Бюл. 15.

3. Шлихта для целлюлозной и хлопкополиэфирной пряжи / Н.В. Проворова, Л.К. Дымокова. – 4724491/-05; заявл. 31.07.89; опубл. 23.01.92.

4. Ганзюк Л.И. Новые препараты в технологии шлихтования / Ганзюк Л.И. – К. : Техника, 1991. – 168 с.

5. Шлихта для пряжи из натуральных волокон / Ганзюк Л.И., Евланова Е.М., Франко Л.И., Бусова Н.А // Текстильная промышленность. – 1990. – 5. – С. 54– 55.

6. Применение композиций на основе термопластичных полимеров для шлихтования пряжи / Г.В. Васильева, Н.И. Зуева, Л.А. Гарцева, В.К. Васильев // Технология текстильной промышленности. – 1988. – 3. – С. 58– 61.

7. Разработка и оптимизация способа холодного шлихтования пряжи / О.Е. Белокурова, Т.П. Щеглова, М.А. Кириллова, Ф.Ю. Телегин // Технология текстильной промышленности. – 1999. – 2. – С. 65– 69.

8. Быкова И.В. Улучшение режима шлихтования хлопчатобумажных основ / И.В. Быкова, В.А. Куринова, И.В. Смирнова // Текстильная промышленность. – 1976. – 10.

9. Мельников Б.Н. Физико-химические основы процесса отделочного производства / Мельников Б.Н., Захарова Т.Л., Кириллова М.Н. – М. : Легкая и пищевая промышленность, 1982. – 280 с.

10. Бахир В.М. Электрохимическая активация: теория и практика / В.М. Бахир // Первый международный симпозиум: Электрохимическая активация в медицине, сельском хозяйстве, промышленности. – М., 1997. – С. 15– 21.


Рецензент: д.т.н. Г.С. Сарібеков

УДК 677.047.6 І. СЛЕПЧУК, І.М. КУЛІШ, Г.С. САРІБЕКОВ

Херсонський національний технічний університет

ДОСЛІДЖЕННЯ ФІЗИКО-ХІМІЧНИХ ВЛАСТИВОСТЕЙ СУМІШЕЙ ПОЛІМЕРІВ ДЛЯ РОЗРОБКИ КОМПОЗИЦІЙНИХ ПОЛІМЕРНИХ СКЛАДІВ У ПРОЦЕСАХ

ОПОРЯДЖЕННЯ ТЕКСТИЛЬНИХ МАТЕРІАЛІВ Термопластичні акрилові покриття були отримані шляхом змішування водорозчинних акрилових

дисперсій, що володіють різними фізикохімічними властивостями. Результати дослідження ступеня твердіння полімерних композицій, отриманих при різних температурах, визначали – за методом екстракції; ступінь зшивання полімерів за зольгель методом. Визначено, що значення механічної міцності і гігроскопічні властивостей плівок можуть бути значно поліпшені шляхом розробки сумішей.

Thermoplastic acrylic coatings were obtained by blending of watersoluble acrylic dispersions possessing various physical and chemical properties. Results of the study of curing degree of polymer compositions obtained under different temperatures were determined by the extraction method, the degree of crosslinking of polymers by solgel method. It is determined that the value of mechanical strength and hygroscopic properties of films can be significantly improved through the development of blends.

Ключові слова: суміші акрилових полімерів, ступінь твердіння, ступінь зшивання. Вступ. Водні дисперсії акрилових полімерів мають важливе практичне значення в технології

опорядження текстильних матеріалів завдяки поєднанню цінних властивостей акрилатів та відповідності сучасним екологічним вимогам. Однак, плівки, утворенні з водних дисперсій, у порівнянні з плівками, утвореними з полімерів на основі розчинників, їх фізичні властивості, включаючи міцність, стійкість до дії води, мають, гірші показники, що обумовлено наявністю в їх структурі поверхнево-активних речовин. Враховуючи ці обставини до складу полімерних композицій вводять додатково інші компоненти, а зокрема зшиваючі агенти, що погіршує безпеку текстильної продукції, як в процесі її виготовлення, так і в процесі експлуатації готових виробів.

Постановка проблеми. Одним з найбільш економічних способів створення полімерних композицій, в тому числі, для процесів опорядження текстильних матеріалів, є механічне змішування полімерів різної природи з метою надання комплексу необхідних властивостей композиту, якими не володіє



жоден з окремо взятих компонентів. При цьому необов'язково, щоб полімери, що входять до композиції, були термодинамічно сумісні, тобто утворювали однофазну структуру. Змішування полімерів, несумісних з термодинамічної точки зору, дозволяє отримувати полімерні матеріали з певними характеристиками за рахунок утворення двофазних або багатофазних структур. Вважається, що саме завдяки специфічному структуроутворенню термодинамічно несумісних полімерів можливо досягнути унікальних властивостей композиційних матеріалів [1].

Для покращення комплексу фізико-механічних властивостей, ущільнення структури плівки та надання необхідних споживчих властивостей використовують суміші полімерів, де кожен забезпечує одну з основних властивостей при формуванні плівки, або їх дія є синергічною, а також зшиваючі агенти, що створюють тривимірну структуру на поверхні текстильного матеріалу.

За умов застосування текстильних матеріалів для дитячого асортименту і асортименту, що безпосередньо контактує зі шкірою людини, діють жорсткі норми щодо наявності вільного формальдегіду на поверхні текстильних матеріалів. З метою дотримання цих вимог з полімерних опоряджувальних композицій виключають предконденсати термореактивних смол, а показники міцності забезпечують за рахунок розробки сумішей полімерів.

Аналіз останніх досліджень та публікацій. Утворювана структура сумішей полімерів визначає комплекс технологічних і експлуатаційних властивостей композиційних складів. Унікальність сумішей полімерів полягає саме в тому, що вони спроможні як зберігати властивості вихідних компонентів у суміші, так і отримувати нові властивості, якими не володіє жоден з вихідних компонентів. Так, наприклад, течія сумішей полімерів може в декілька разів (2–5 разів) перевищити течію найменш в’язкого компоненту, що є результатом формування мікроструктури міжфазних та граничних шарів з більш рихлою упаковкою макромолекул на границі розділу фаз в сумішах термодинамічно несумісних полімерів.

В той же час, з введенням кожного нового компонента властивості суміші можуть змінюватися, причому, як у бік покращення, так і у бік погіршення якості за рахунок різниці таких характеристик вихідних компонентів як, наприклад, коефіцієнти теплового розширення полімерів, модулі пружності та ін., що призводить до підвищення напруженості системи та, як наслідок, погіршення фізико-механічних показників полімерних плівок, мутності, виникнення дефектів, тріщин [2].

Формулювання мети статті. Метою даної роботи було дослідження ефективності суміщення акрилових полімерів шляхом визначення залежності від температури термообробки, ступеня твердіння та зшивання полімерів і їх фізико-хімічними властивостями.

Викладення основного матеріалу В останні роки латексні суміші, фізично суміщені з двох різних полімерів, що мають однорідну

морфологію частинок, отримали розповсюдження. Це спрямовано на зменшення використання в композитах пластифікаторів, які відносяться до летючих органічних сполук.

На утворення та властивості плівки з сумішей латексу впливає багато чинників, такі, як механічні властивості та їх морфологія, сумісність або міжфазна активність між двома змішаними фазами, розмір часток та співвідношення компонентів суміші за розмірами часток, їх масова частка, розподіл і коефіцієнт упаковки дисперсної фази.

Структуроутворення у сумішах термодинамічних несумісних полімерів, що безпосередньо впливає на технологічні та експлуатаційні характеристики системи, проходить на мікро- та макрорівнях. Залежно від співвідношення компонентів, їх в’язкості, молекулярно-масового розподілення та технології змішування на макрорівні формується грубо-, або високодисперсна система, або взаємопроникаюча структура з суміші полімерів.

Наявність функціональних груп у полімерах, що змішуються, може поліпшити змішуваність між двома фазами, отже, і загальні властивості плівки з суміші полімерів, а також в процесах термообробки забезпечити зшивання між макромолекулами.

Структурування макромолекул полімерів, що призводить до втрати їх розчинності в опоряджувальних процесах, відбувається під час термообробки. З метою встановлення оптимальної температури за ступенем зшивання полімерів та їх впливу на фізичні властивості на скляних підложках при різних температурах формували плівки з акрилових полімерів та їх сумішей.

Ступінь структурування досліджуваної полімерної системи визначали за вмістом нерозчинної фракції при екстрагуванні зразків у розчиннику. Сформовану плівку екстрагували ацетоном у апараті Сокслета протягом 24 годин. Після екстрагування плівки висушували до постійної ваги, та розраховували ступінь їх твердіння за формулою [3]:

100(%)0

1 W

WC , (1)

де 0W – початкова маса плівки, г;

1W – маса плівки після екстрагування, г.

Данні, що характеризують ступінь структурування індивідуальних плівок полімерів та їх сумішей при різних температурах, наведені у табл. 1.



Таблиця 1 Вплив теплової обробки на ступінь твердіння полімерних плівок

Ступінь твердіння при температурній обробці, % Полімерні композиції

80 оС 100 оС 120 оС 150 оС 1 Акриловий полімер 79,52 81,60 83,17 80,54 2 Lacrytex 273 56,06 57,71 58,02 55,46 3 Lacrytex 309 68,14 68,54 70,30 68,12 4 Lacrytex 642 0 0 0 0 5 Акриловий полімер/ Lacrytex 273 86,90 88,32 93,32 88,77 6 Акриловий полімер / Lacrytex 309 88,67 93,04 93, 89 91,57 7 Акриловий полімер / Lacrytex 642 89,88 89,40 93,05 86,70

У якості полімеру, що виконує роль матриці, використовували акриловий полімер. Встановлено, що

при додаванні до акрилового полімеру у співвідношенні 4:1 акрилових латексів Lacrytex 273, Lacrytex 309 та Lacrytex 642, ступінь твердіння значно зростає. Як свідчать дані табл. 1, ступінь твердіння сумішей полімерів є вищим на 6–10% у порівнянні з плівкою з індивідуального полімеру. Підвищення температури у всіх випадках збільшує ступінь твердіння та досягає свого максимального значення при 120оС, але при подальшому підвищенні температури цей показник поступово зменшується, як для індивідуальних полімерів так і для їх сумішей.

При встановленій оптимальній температурі обробки проводили кількісну оцінку поперечних зв'язків у процесі формування полімерних плівок за методом рівноважного набухання (золь-гель аналіз). За золь-гель аналізом можна визначити основні параметри сітки полімерів, що визначають ступінь зшивання полімеру, такі, як середня молекулярна маса ланцюга, молекулярна маса зшитого в сітку полімеру, число ланцюгів сітки і число зшитих молекул, а також число і частка активних ланцюгів і ступінь зшивання [4, 5].

Золь-гель аналіз полімерних плівок проводили за стандартною методикою [5] при екстрагуванні ацетоном протягом 18 годин з подальшим екстрагуванням бензолом протягом 16 годин на апараті Сокслета, після чого визначали масу набухлого зразка та сухий залишок досліджуваного зразка полімерів. Результати експерименту наведені в табл. 2.

Таблиця 2

Структурні параметри сітки досліджуваних полімерів

Полімерні композиції Вміст золь-фракції, S

Рівноважний ступінь

набухан-ня, a

Частка сухого

полімеру, Vr

Ступінь зшивання, j

Долю активних ланцюгів,

Vc*105 1 Акриловий полімер 1,60 89,34 1,12 34,80 0,008 2 Lacrytex 273 0 0 0 0 0 3 Lacrytex 309 1,23 95,76 1,04 34,48 0,0110 4 Lacrytex 642 0 0 0 0 0 5 Акриловий полімер/ Lacrytex 273 1,26 88,60 1,13 42,00 0,006 6 Акриловий полімер/ Lacrytex 309 1,28 88,55 1,05 41,49 0,006 7 Акриловий полімер/ Lacrytex 642 1,31 89,32 1,11 40,80 0,008

Дослідивши залежності, наведені в таблиці 2, пришли до висновку, що плівки з окремо взятих

полімерів мають різну стійкість до дії розчинників. Так акриловий полімер, що виконує роль матриці у полімерній системі, має достатньо високу ступінь зшивання 34,8%, Lacrytex 309 – 41,49%, при цьому, плівки з Lacrytex 273 та Lacrytex 642 розчинилися. В той же час, у плівок, сформованих з сумішей полімерів, підвищуються показники ступеня зшивання на 5–7% у порівнянні з індивідуальним полімером.

Проведений розрахунок параметрів сіток полімерів дозволяє прогнозувати підвищення показників якості до фізико-хімічних дій в результаті збільшення ступеня зшивання полімерів у суміші.

Для дослідження гігроскопічності зразки плівок кондиціонували в ексикаторі протягом 24 год. Зважували та поміщали в ексикатор з дистильованою водою на 4 години. Кількість вологи, яку поглинули зразки, визначали масовим методом.

Сформовані структурні відмінності плівок безпосередньо впливають на їх гігроскопічність, як свідчить діаграма на рис. 1. Гігроскопічність зразків знижується з підвищенням температури термічної обробки. Суміші акрилових полімерів, оброблені при тій же температурі, виявляють нижче значення гігроскопічності в порівнянні з індивідуальним полімером. Акрилові полімери здатні до самозшивання, утворюючи хімічні зв'язки між макромолекулами та підвищуючи щільність зшивання полімерної сітки. Отже, зниження гігроскопічності у сумішей полімерів характеризує підвищення щільності упаковки структури, що перешкоджає проникненню води в полімерну матрицю, що буде забезпечувати високі показники якості опорядження до прання [6].



0

5

10

15

20

25

30

35

Акриловий полімер Акриловий полімер/Lacrytex 273

Акриловий полімер/Lacrytex 309


Гігроскопічність,

%

Полімерні композиції80C 90C 100C 150C

Рис. 1. Гігроскопічність плівок, сформованих при різних температурах

Визначення розривного навантаження плівок при розтягненні та відносного подовження при

розриві проводили на машині РМ-30-1, при швидкості 300 мм/хв. Міцність плівок y (мПа) при розриві

оцінювали за формулою:

0A

Fyy , (2)

де yF – максимальне навантаження при випробуванні на розтяг, Н;

0A – початковий поперечний перетин зразка, мм2.

Відносне розривне подовження визначили за формулою:

1000

l

lp , (3)

де – відносне розривне подовження, %;

pl – абсолютне розривне подовження, мм;

0l – початкова довжина, мм.

Результати дослідження фізико-механічних властивостей плівок наведено в табл. 3.

Таблиця 3 Вплив температури на міцність плівок при розриві та відносне подовження при розриві

Міцність при розриві, y , мПа Відносне подовження при розриві, , %

Полімерні композиції 80оС 120оС 100оС 150оС 80оС 120оС 100оС 150оС

1 Акриловий полімер 1,10 1,62 2,18 137 122 108

2 Акриловий полімер/

Lacrytex273 1,28 1,79 2,34 113 110 107


Lacrytex309 4,93 5,27 5,88 101 100 93


Lacrytex642 1,32 1,74 2,20

Жорсткі та ламкі

196 174 170

Жорсткі та ламкі

За результатами дослідження визначено, що міцність при розриві для плівок із полімеру та його

сумішей збільшується з підвищенням температури термічної обробки. Однак, їх відносне розривне подовження зменшується. Найвище значення показника міцності при розриві в порівнянні з плівкою, відлитою з індивідуального полімеру, має зразок 2, міцність якого, в залежності від температури обробки, зростає у 3–4 рази. Найкращі результати отримані при температурі 1200С.

Адгезійну міцність оцінювали за зміною розривного навантаження склеєних смужок тканини, апретованої досліджуваним полімерним плівкоутворюючим складом. Зразки тканини накладали один на одній, просочували полімерним складом, віджимали до приросту 75%, висушували і проводили термообробку при різних температурах, та адгезій ну міцність розраховували за формулою:

h

Py

, (4)

де Р – руйнуюче навантаження, Н; h – площа склейок, м2.



0

100

200

300

400

500

Акриловий полімер Акриловий полімер/Lacrytex 273


Акриловий полімер/Lacrytex 642Ро

зривне

навантаження

, Н/м

Полімерні композиції80С 100С 120С 150С Рис. 2. Розривне навантаження склейок, сформованих при різних температурах

З рис. 2 видно, що вихідні полімери характеризуються високою адгезією до текстильного субстрату.

Адгезійна міцність склейок із сумішей полімерів збільшується при температурі обробки 1200С, а з подальшим її підвищенням суттєво не змінюється.

Висновки. Встановлена ефективність застосування сумішей полімерів у порівнянні з вихідними полімерами. При використанні сумішей такі показники, як ступінь твердіння полімерної плівки, структурні параметри сітки полімерів підвищуються, та дозволяють досягти максимальних значень при температурі теплової обробки 1200С. Сформовані полімерні плівки мають низьку гігроскопічність, та високі фізико-механічні показники, зокрема володіють вищою адгезією до текстильних матеріалів ніж індивідуальні полімери.


1. Boyars, B., Daniels, E.S., Storer, R., Klein, A. The Influence of Latex Blend Composition on

Crosslinking and Mechanical Properties. Journal of Applied PolymerScience 2007, 104, 3774-3779. 2. Geurts, J., Bouman, J., Overbeek, A. New Waterborne Acrylic Binders For Zero VOC paints.

J.Coat.Technol.Res. 2008, 5, (1), 57-63. 3. Wicks, Z.W., Jr.; Jones, F.N.; Pappas, S.P. Organic Coatings: Science and Technology, 2nd ed., John

Wiley & Sons, New York, 1999, p.232. 4. Аверко-Антонович И.Ю. Методы исследования структуры и свойств полимеров : [учеб. пособие]

/ Аверко-Антонович И.Ю., Бикмуллин Р.Т. / КГТУ. – Казань, 2002. – С. 502. 5. Практикум по физике и химии полимеров : учеб. пособие / [Аввакумова Н.И., Бударина Л.А.,

Двигун С.М и др.]. – М. : Химия, 1990. – С. 193–195. 6. Liu X, Fan X-D, Tang M-F, Nie Y, Synthesis and characterization of core-shell acrylate based latex and

study of its reactive blends, Int J Mol Sci, 9, 2008, p. 342–354.

Надійшла 16.9.2012 р. Рецензент: д.т.н. Д.Г. Сарібекова

УДК 675.046

О.А. ОХМАТ, Е.Є. КАСЬЯН, А.А. ГОРБАЧОВ Київський національний університет технологій та дизайну

ВПЛИВ СКЛАДУ БАГАТОШАРОВОГО ПОКРИТТЯ НА ЯКІСТЬ ОЗДОБЛЕННЯ ШЛІФОВАНИХ ШКІР

Стаття присвячена вивченню формування покривної плівки на поверхні шліфованих шкір. В роботі

досліджено вплив складових та їх витрат на комплекс властивостей покриття. Визначено вплив синтетичних барвників на якість покриття та його гідрофобність.

Article is devoted studying of possibility forming of coats on the nap leather. Influence of components and their flow on complex coating. We studied the influence of synthetic dyes on the coating quality and its waterproof properties.

Ключові слова: оздоблювання, аніонні барвники, багатошарове покриття, шліфована шкіра, гідрофобність, якість.

Постановка проблеми у загальному вигляді

Розробка якісного та конкурентоспроможного асортименту натуральних шкір досягається головним чином завдяки процесам оздоблення, зокрема, покривному багатошаровому фарбуванню, від якого залежать не лише зовнішній вигляд, але й експлуатаційні характеристики та комфортність виробів. На сьогодні найбільшим попитом користуються м’які шкіри для верху взуття з природною лицьовою поверхнею, з



досить обмеженою товщиною покриття і натуральною мережівкою. Такі шкіри виробляють з напівфабрикату високої якості, що має мінімальну кількість дефектів. На жаль, кількість сировини без пошкоджень лицьової поверхні обмежена. В більшості випадків лицьову поверхню необхідно шліфувати, оскільки лише одним покривним фарбуванням не завжди можна повністю усунути всі дефекти. Таким чином отримують шкіри з облагородженою лицьовою поверхнею, що дає можливість поліпшити зовнішній вигляд шкір із напівфабрикату, який має дефекти лицьової поверхні, підвищити їх якість і сортність.

Аналіз публікацій В сучасних технологіях оздоблення шкіряного напівфабрикату із широкого спектра

оздоблювальних матеріалів завдяки своїй унікальній будові та комплексу цінних властивостей перевага надається акрило-поліуретановим композиціям. Висока еластичність в широкому діапазоні температур, хороша міцність, висока адгезія до різних волокнистих матеріалів, велика зносо- і світлостійкість, а також хороша плівкоутворювальна здатність дозволяють використовувати їх у ролі плівкоутворювачів для оздоблення шліфованих шкір. Використання в оздоблювальних композиціях поліуретанів особливо цінне тим, що дає змогу підвищити міцність шкіри [1], а комбінація поліуретанів з акриловими плівкоутворювачами дозволяє отримати ефектне еластичне покриття [2], підвищити гідрофобність, зменшити витрати органічних розчинників, покращити паропроникність та водостійкість [3].

Постановка завдання Покриття на шліфованих шкірах формується послідовним нанесенням кількох шарів

оздоблювальних композицій, що наносять поступово в декілька прийомів (проходів). Кількість та склад цих шарів залежать не лише від характеру оздоблюваної поверхні, але й від матеріалів, що використовуються в кожному з шарів покриття. Мета роботи полягає у вивченні впливу складу багатошарового покриття на якість оздоблення та формування покриття на шліфованій шкірі.

Об’єкти та методи дослідження За відсутності лицьової поверхні на шкірах, покривна плівка на них має достатню товщину. Останнє

погіршує гігієнічні властивості шкіри в цілому, особливо це стосується повітро- та паропроникності. Для запобігання цьому в роботі вирішено замінити використання нерозчинних пігментів у покривній фарбі пігментними концентратами. Для їх отримання затирають сухий аніонний барвник необхідного кольору та білий пігментний концентрат, додаючи орбент. Орбент являє собою високодисперсну речовину на основі натуральних глинистих матеріалів, які сорбують барвник, попереджаючи його міграцію в плівці.

Об’єктом дослідження є технологія оздоблення шліфованих шкір з використанням азобарвників. Для проведення досліджень використано акрило-поліуретанові покривні композиції та наступні прямі дис- та триазобарвники фірми „Барва”: аніонний темно-зелений, молекулярна маса 863 г/моль; аніонний червоний MIX, молекулярна маса 992 г/моль; аніонний чорний, молекулярна маса 861 г/моль; аніонний жовтий, молекулярна маса 711 г/моль.

Для оцінки покриття обрано ряд фізичних та фізико-механічних методів, що дають змогу оцінити якість оздоблення [4]. Ступінь гідрофобності визначено за крайовим кутом змочування [5]. Відносна помилка вимірювань обумовлена відповідними нормативами [4].

Виклад основного матеріалу При проведенні експериментальних досліджень для нанесення покривних композицій використано

шліфований напівфабрикат, виготовлений за методикою виробництва хромових шкір для верху взуття ЗАО „ВОЗКО”.

Першою стадією взаємодії композицій покривних фарб з поверхнею напівфабрикату є змочування. Від змочування поверхні залежить глибина проникання покривної фарби в товщу дерми. Для характеристики гідрофобності поверхні визначили усмоктувальну здатність, яка складає 38 хв.

Для проведення дослідження створено 11 дослідних груп, для яких варіювали витрати та колір барвників (табл. 1). Слід зазначити, що в роботі використано не тільки індивідуальні барвники чотирьох кольорів, але і їх суміші. Покриття на дослідні шкіри наноситься щітковим способом; воно включає нанесення 6 шарів з проміжним пресуванням (табл. 2).

Таблиця 1

План-матриця використання азобарвників Витрати барвника, мас. частки, для досліду Шар

покриття Колір

барвника 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 Адгезійний Використовується відповідна по кольору композиція барвників у кількості 0,4

зелений 0,36 0,36 0,12 0,36 0,6 0,15 0,15 червоний 0,36 0,36 0,36 0,12 0,15 0,15 0,6 чорний 0,36 0,3 0,66 0,3 0,03 0,03 0,03 0,03 0,03

Середній

жовтий 0,12 0,12 0,15 0,6 0,15

Колір отриманого покриття

світло

-зелений

рожевий

сірий

зелений

темно

сірий

червоно-

рожевий

оливкови

й

сіро

-зелений

чорно-

зелений

темно

оливкови

йтемний

сіро

-жовтий



Візуальний та органолептичний огляд зразків показує, що дослідні шкіри мають гарний зовнішній вигляд. Комплексний аналіз якості отриманих зразків виявив, що показники покриття дослідних шкір відповідають вимогам Державного стандарту ДСТУ 2726-94 на шкіри для верху взуття із сировини великої рогатої худоби. Результати комплексу фізико-механічних випробувань представлені в таблиці 3.

Для дослідних шкір спостерігається досить високий рівень адгезії, що, на нашу думку, пов’язано з кількома факторами:

1) застосуванням суміші поліуретану з акрилатом, комбінація яких, як відомо, призводить до підвищення адгезії багатошарового покриття;

2) використанням у покривних фарбах замість нерозчинних у воді пігментів звичайних аніонних барвників із великою кількістю активних реакційно здатних груп у своїй структурі, які можуть взаємодіяти з групами колагену дерми;

3) введенням у систему в якості зв’язувального компоненту білкової складової. Слід відмітити, що ця складова є окисленим білком, що привносить з собою велику кількість реакційно здатних гідроксильних груп, які можуть зв’язуватися з позитивно зарядженими групами барвників.

Таблиця 2

Методика оздоблення дослідних шкір

Процес Спосіб

нанесення або обладнання

Температура, оС,витрати

композиції г/м2, кратність обробки

Витрата хімічних матеріалів, мас. частки

Нанесення адгезійного ґрунту

Щітковий 1 прохід,

50– 60 г/м2

Склад ґрунту: Водна воскова емульсія K-wax TSC, 20 % – 5 Поліуретанова аліфатична смола Sarpur 317, 20 % – 15 Поліуретанова аліфатична смола Hidroderm, 20 % – 15 Білок окислений, 40 % – 20 Орбент, 20 % 10 Барвник – відповідно до табл. 1 Лакова емульсія на водній основі Hidrosicla/N – 3 Вода до густини 1,03– 1,035 г/см3

Пресування Гідропрес 80– 100С; 10 МПа

Нанесення покривної фарби

Щітковий 4 проходи, 50– 60 г/м2

Склад фарби: Орбент, 20 % 10 Білий концентрат, 60 % 3,5 Барвник – відповідно до табл. 1 Акриловий полімер Saracryl 588, 40 % 26,5 Акрилова дисперсія Acriderm 202, 40 % 2,5 Воскова емульсія, 20 % 4,3 Воскова емульсія LV 5347, 20 % – 4,3 Розчин поліметилсилоксану Hydrotouch Sil11, 20 % – 5 Вода до густини 1,30– 1,35 г/см3

Пресування Гідропрес 80– 100С; 10 МПа

Нанесення закріплюючого шару

Щітковий 1 прохід,

50– 60 г/м2

Склад: Акриловий полімер Saracryl 588, 40 % 32 Білок окислений, 20 % – 20 Воскова емульсія, 20 % 2,5 Воскова емульсія LV 5347, 20 % – 2,5 Розчин гексаметилентетраміну, 10 % – 2 Сульфат хрому – 5 /варіанти 1– 8 Сульфат цирконію – 5/ варіанти 9– 11 Поліуретан Sarmod W 757, 40 % – 5 Вода до густини 1,045– 1,050 г/см3

Різке зниження показника адгезії до мокрої шкіри, на нашу думку, пов’язано з тим, що перед

вимірюванням адгезії до мокрої шкіри зразки витримують у воді протягом 3-х годин при температурі 60оС, пористість плівки зростає, відбувається часткове вимивання барвників не лише з самого покриття, а й з шарів дерми, до яких воно приєднується. Зв’язки при цьому порушуються і адгезія знижується [6]. Більш різке зменшення даного показника у випадку використання жовтого барвника (варіанти 7– 11), очевидно, пов’язано з природою самого барвника. На відміну від чорного та зеленого барвників, які є класичними триазобарвниками, жовтий належить до сульфодисазобарвників, що вміщують дві сульфогрупи. Такі



барвники є дуже чутливими до дії води, особливо гарячої. Вони дуже швидко розчиняються і при нетривалому обводненні зразків можуть вимиватися з пофарбованого матеріалу. Чутливість до води може бути зменшена, якщо взяти аналогічний барвник без сульфогруп, але тоді забарвлений матеріал не буде стійким до дії світла та всіх механічних впливів.

Таблиця 3

Властивості покриття Адгезія покриття до шкіри, Н/м:

Стійкість покриття: Дослід

сухої мокрої до багаторазового вигину,

вигини до мокрого тертя,

оберти 1 310 93 150 2 350 78 140 3 450 76 140 4 550 73 150 5 580 96 150 6 425 113 110 7 450 70 120 8 600 68 110 9 580 52 100

10 565 17 90 11 620 58

> 20000

100 ГОСТ 939.88

200 70 15000 300

На дослідних шкірах не спостерігається ні міграції барвника на поверхню плівки, ні бронзування

отриманого покриття. Скоріше за все, це пов’язано з кількома факторами: 1) введенням орбенту, який завдяки своїм властивостям сорбує молекули барвника, різко

зменшуючи їх рухливість у покривній фарбі; 2) введенням полідиметилсилоксану у середній шар покриття. Полідиметилсилоксан містить певну

кількість дикарбонових кислот. Суміш дикарбонових кислот вносить з собою реакційно здатні карбоксильні групи, що можуть легко взаємодіяти з аміногрупами барвників та самого білка;

3) використанням окисленого білка, спиртові групи якого зв’язуються з аміногрупами барвника. Висока стійкість до тертя отриманого покриття обумовлюється застосуванням у верхньому шарі

комплексу матеріалів, що сприяють зв’язуванню компонентів між собою та останнього шару в цілому з середнім шаром покриття. Введення солей металів (хрому і цирконію) призводить до їх взаємодії з реагентами композиції, що містять карбоксильні та гідроксильні групи. Сіль хрому взаємодіє з карбоксильними групами, що входять до складу хромових комплексів та з формальдегідом, що утворюється в слабко кислому середовищі з уротропіну. Сіль цирконію може взаємодіяти зі спиртовими та азотовмісними групами компонентів покриття з утворенням водневих або координаційних зв’язків. Окрім цього, наявність гідроксильних груп призводить до утворення великої кількості водневих зв’язків. Наявність у закріплюючому шарі гексаметилентетраміну, який розкладається в слабко кислому середовищі з утворенням формальдегіду, сприяє остаточному зшиванню структури плівки при її пресуванні [7].

Цікавим було і визначення гідрофобності отриманих шкір. Покриття на шкірах повинно мати певний ступінь гідрофобності для захисту від вологи повітря та атмосферних опадів. Використання у верхньому шарі покриття синтетичних барвників з різною молекулярною масою та різним вмістом циклічних сполук повинно привести до різної гідрофобності дослідних шкір. При пошукових дослідженнях було визначено, що крайовий кут змочування готових шкір був більший за 90О (візуальне визначення), а отже поверхня має гідрофобний характер. За допомогою сучасного метода визначення крайового кута змочування, розробленого інститутом хімії високомолекулярних сполук (м. Київ), для всіх дослідних груп було визначено крайовий кут змочування (табл. 4).

Таблиця 4

Показники гідрофобності шкір Дослід 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 Крайовий кут змочування, о

141 131 142 142 146 136 127 127 127 127 130

Отримані результати показують, що гідрофобність шкір зростає зі збільшенням витрат барвників з

більшою молекулярною масою. Очевидно, це пов’язано з великою кількістю ароматичних складових у їх структурних формулах і з довжиною їх ланцюга. Окрім цього, відомо [8], що на підвищення гідрофобності впливає застосування у верхньому шарі воску та солей металів. Взаємодія воску, що містить гідроксильні групи, з солями хрому проходить з утворенням комплексних сполук. При формуванні плівки молекула



воску орієнтована своєю гідрофільною частиною до покриття, а гідрофобною – до повітря (тобто до неполярної фази). Зважаючи на надлишок воску у верхньому шарі, підвищення гідрофобності покриття значно зростає.

Зважаючи на те, що ми маємо багатокомпонентну систему, якість якої багато в чому залежить від пресування, було цікавим визначити, яких властивостей набуде покриття при пресуванні у виробничих умовах із застосуванням не лабораторного, а виробничого технологічного обладнання. Для дослідження вибрано зразки трьох варіантів 1, 6 та 11. В дослідженні варіювали температуру плити (70, 90, 100оС), тиск (100, 150, 200 та 300 атм.) та тривалість пресування (2 та 4 с).

Найкращих результатів (табл. 5) досягнуто для варіанту 6 при використанні для пресування тиску в 100 атм. Збільшення тиску пресування до 200– 300 атм. недоцільно, оскільки це не призводить до покращення властивостей шкіри. Тривалість пресування залежить від температури плити: за температури 70оС тривалість повинна становити 4 с, а за температури 100оС – 2 с.

Таблиця 5

Показник якості шкір Адгезія до шкіри, Н/м Стійкість до тертя, оберти

Дослід сухої мокрої

Стійкість до багаторазового вигину, вигини

сухого мокрого

Повітро-проникність, см3/ (см2 год)

6 310 220 80000 705 240 86,0 6 380 250 65782 775 240 69,8

Висновки

1. Показники досліджуваних шкір в цілому відповідають вимогам Державних стандартів на відповідний вид продукції.

2. Показана можливість заміни пігментів водорозчинними синтетичними азобарвниками без втрати якості покриття. Вказана заміна призводить до покращання адгезії, підвищення стійкості до механічних впливів, поліпшених гігієнічних властивостей шкіри. Низька повітропроникність шкір скоріш за все пов’язана з нанесенням 6 шарів покриття; однак шкіри мають достатньо високу відносну паропроникність, що коливається в межах 110– 125 %. Але з досвіду шкіряників і взуттєвиків відомо, що вплив повітропроникності шкір для вентиляції в середині взуття несуттєвий, бо повітропроникність взуття в основному залежить від конструкції моделі, а комфортність носіння взуття забезпечує саме паропроникність.

3. З урахуванням складових покривної фарби (аніонні барвники, акрилові та поліуретанові плівкоутворювачі, комплексні сполуки хрому, суміш восків), визначено оптимальний склад акрилоуретанових композицій, що забезпечує гідрофобність дослідним шкірам.


1. Шименович Б. С. Новые химические материалы / Б. С. Шименович // Кожевенно-обувная

промышленность. – 1998. – 1. – С. 44– 46. 2. Веридусова В. В. Зависимости термодинамических свойств линейных полиуретанов от их состава

и структуры / В. В. Веридусова, Б. В. Лебедев // Высокомолекулярные соединения. – 2001. – 2. – С. 322– 329.

3. Гурова Н. П. Полиуретаны для отделки кож / Н. П. Гурова, Н. Н. Фирсова, Т. А. Ларкина, К. М. Зурабян // Кожевенно-обувная промышленность. – 1980. – 9. – С. 32– 36.

4. Данилкович А. Г. Практикум з хімії і технології шкіри та хутра: навч. посібник [для студ. вищ. навч. закл.] / А. Г. Данилкович. – К.: Фенікс, 2006. – 240 с.

5. Бабич В. Ф. Исследование межфазного натяжения между компонентами термоплстичных смесей на основе каучука и полифенолов, наполняющих резиновой крошкой / В. Ф. Бабич, Л. Н. Перепелицына, А. Л. Толстов // Каучук и резина. – 2005. – 4. – С. 7– 11.

6. Кошелева О. З. О некоторых факторах, влияющих на адгезию покрытия к коже / О. З. Кошелева, Г. А. Пучкина // Кожевенно-обувная промышленность. – 1998. – 4. – С. 27– 28.

7. Орлова О. Д. Розробка нового асортименту шкір з урахуванням аніонно-катіонного балансу в оздоблювальних композиціях: автореф. дис. на здобуття наук, ступеня канд. техн. наук: 05.19.05 «Технологія шкіри та хутра» / О. Д. Орлова. – К., 2001. – 18, [1] с.

8. Основи створення сучасних технологій виробництва шкіри та хутра / [Горбачов А. А., Кернер С. М., Андреєва О. А., Орлова О. Д.]. – К.: КНУТД, 2007. – 190 с.




УДК 661.185: 648.28 Д.С. МАТВЕЙЦОВА, С.А. КАРВАН, О.А. ПАРАСКА


СУМІШ КАТІОННОЇ ТА АНІОННОЇ ПОВЕРХНЕВО-АКТИВНОЇ РЕЧОВИН:

ДОСЛІДЖЕННЯ КОЛОЇДНО-ХІМІЧНИХ І ТЕХНОЛОГІЧНИХ ВЛАСТИВОСТЕЙ У роботі проведено експериментальне визначення колоїднохімічних властивостей бінарної суміші

поверхневоактивних речовин (ПАР). Досліджено особливості міцелоутворення на межі розподілу розчин/повітря в сумішах ПАР при різних мольних співвідношеннях, вплив на піноутворення, капілярні властивості та мийну здатність синтетичних тканин. Виявлено ефекти як негативного, так і позитивного відхилення від ідеальної поведінки при формуванні змішаних міцел. При дослідженні технологічних властивостей виявлено синергізм відносно окремих складових компонентів.

Experimental determination of the colloid and chemical properties of binary mixture of surfactants has been carried out. The features of the formation of micelles on the the interphase surface solution – air in mixtures of surfactants at different molar concentration have been studied, the influence of the treatment of textile materials by surfactants on foaming, capillary properties and washing ability of synthetic fabrics has been research. The negative and positive effects and the deviation from ideal behaviour at the forming of the mixed micelles have been observed. The condition of synergism in the binary mixtures of surfactants was determined while the fabric being treated.

Ключові слова: поверхнево‐активна речовина, суміш, міцелоутворення, синергізм, піноутворення, капілярність.

Вступ

Вплив сумішей поверхнево-активних речовин (ПАР) на різні фізико-хімічні процеси у бінарних системах, зокрема міцелоутворення, викликає великий інтерес у науковців і їх дослідження є одним із перспективних напрямків в колоїдній хімії [1]. Для регулювання процесів, які відбуваються на межі розділу двох фаз, зазвичай використовують суміші ПАР, які мають різну поверхневу активність. Вивчення поверхневих явищ бінарних сумішей ПАР актуальне як із метою теоретичного обґрунтування, так і в прикладному аспекті, оскільки дозволяє цілеспрямовано підбирати та комбінувати ПАР у сумішах, які знижують міжфазову поверхневу енергію, яка головним чином визначає ефективність практичного використання сумішей різнотипних ПАР у багатьох технологічних процесах (опорядження та фарбування текстильних матеріалів, водоочищення і т.д) [2].

Більшість композицій, пов’язаних із дією ПАР, є складною сумішшю, до складу якої входять два та більше ПАР. Ефективність їх використання залежить від впливу багатьох факторів, включаючи багатофункціональні експлуатаційні властивості (однорідність, в’язкість, прозорість). Компоненти суміші, а особливо ПАР, взаємодіють один з одним, впливаючи на її характеристики, що проявляється в підвищеній поверхневій активності, змочуванні, утворенні піни, мийній здатності та ін.

Постановка завдання дослідження Дослідження свідчать про те, що суміші катіонної та аніонної ПАР являють собою системи, в яких

синергетичні ефекти виражені найбільш яскраво. Присутність ПАР, які мають протилежні заряди, призводить до різкої зміни властивостей суміші у порівнянні з однокомпонентними системами за рахунок сильних електростатичних взаємодій.

Зміна властивостей суміші досить непередбачувана, змішані системи можуть характеризуватись суттєво вищою поверхневою активністю в порівнянні з індивідуальними складовими, при цьому параметр взаємодії для змішаних міцел суттєво нижчий [3]. У інших випадках спостерігаються синергетичні ефекти, які характеризуються високими значеннями параметрів взаємодії [4], або значне негативне відхилення від ідеальності [5]. Мають місце і дані про відсутність синергетичних ефектів при міцелоутворенні [6].

Тому актуальним є дослідження, спрямоване на виявлення практичного застосування суміші з вітчизняних ПАР та виявлення синергетичних та антагонічних ефектів при утворенні піни, капілярності та мийній здатності.

Об’єкти та методи дослідження При проведенні досліджень використовували наступні ПАР: 1. Барвамід 2К (ТУ У 24.1-32257423-118-2005) – це поверхнево-активний компонент катіонного

характеру; цей продукт одержують під час взаємодії β-оксіетилетилендіаміну та вищих жирних кислот (ВЖК) фракції С10-С13 або С16-С20 з подальшою нейтралізацією оцтовою кислотою. Процес одержання продукту складається з двох стадій [7]. Формула Барваміду 2К має наступний вигляд:

HO CH2CH2 CH2 N CH2 NH CH2 CH2 OH

O=C R

CH3COOH

R = C12 - C14 2. Сульфонол НП-3 (ТУ У 24.6-20257936-022: 2006) – це аніонактивна ПАР, натрій

алкилбензосульфонат на основі α-олефінів термічного крекінгу парафінів з вмістом в радикалі 8-12 атомів вуглецю. Формулу наведено нижче:

NaSOHCHC 34612nn



Дослідження проводили на білих зразках тканин з поліамідного та поліефірного волокна розмірами 5 см × 30 см. Частину з них піддали обробці у сумішах ПАР при різних температурах та розведеннях, далі ці зразки використовували для вимірювання капілярних властивостей. Іншу частину піддали обробці забруднювальною сумішшю на основі сажі і олії в уайт-спіриті.

Після обробки зразки тканин віджимали та підсушували при кімнатній температурі, після чого поміщали в сушильну шафу, а потім зразки витримували на повітрі протягом трьох діб. Рівномірно забруднені зразки тканин використовували для визначення ступеня видалення забруднення.

Миття забруднених та обробку чистих зразків проводили при температурах 15, 20, 25 ті 30°C у сумішах ПАР складу Барвамід 2К (компонент А) Сульфонол НП-3 (компонент Б). Мольне співвідношення компонентів А-Б (%) у вихідних розчинах: 0-100, 20-80, 50-50, 80-20, 100-0. З вихідних розчинів готували розведення: 1·10-4, 4·10-4, 1,6·10-3 та 4·10-3 М.

Після миття зразки підсушували при кімнатній температурі, після чого витримували в сушильній шафі протягом 30 хв.

Поверхневий натяг визначали, використовуючи метод максимального тиску в бульбашці [8]. Для кожної суміші ПАР визначали максимальний тиск, при якому відбувається відрив бульбашки повітря, що вдувається в рідину через капіляр. Для визначення піноутворюючої здатності вимірювали висоту стовпа піни та стійкість піни, метод вимірювання та розрахунки проводили за ГОСТ 22567.1-77.

Суть методики визначення капілярності полягає у вимірюванні висоти підйому розчину калій біхромату по основі тканини через певні проміжки часу від 0 до 60 хвилин. Цей показник визначали згідно з методикою та вимогами ГОСТ 29104.11-91.

При дослідженні проведено визначення мийної здатності суміші ПАР оптичним методом, який базується на вимірюванні коефіцієнтів відбиття від вихідних, забруднених та оброблених у досліджуваних розчинах зразках тканин. Для вимірювань коефіцієнтів відбиття використали прилад ФОУ. Оцінку ступеня мийної здатності розчинів сумішей ПАР проводили за різними показниками [9].

Результати дослідження та їх обговорення Дослідження ізотерми поверхневого натягу розчинів індивідуальних ПАР та їх сумішей типові для

розчинів міцелоутворюючих ПАР, тобто зі зростанням концентрації ПАР поверхневий натяг спочатку знижується, а потім приймає постійне значення або слабко падає, що свідчить про досягнення ККМ. Експериментальні дані було оброблено графічним методом та отримано значення ККМ, які занесено у таблицю 1.

Таблиця 1

Величини ККМ (М) досліджених сумішей ПАР у дистильованій воді при різних температурах Температура, °C Мольний вміст Барваміду 2К у

суміші з Сульфонолом НП-3 15 20 25 30 0 8·10-4 9·10-4 1,1·10-3 1,5·10-3

0,2 8,2·10-4 8,5·10-4 1,2·10-3 1,15·10-3 0,3333 8·10-4 8·10-4 1,13·10-3 1,05·10-3

0,5 6,5·10-4 6,8·10-4 7,2·10-4 6,5·10-4 0,6667 5·10-4 5·10-4 5,3·10-4 4·10-4

0,8 3·10-4 4·10-4 3,83·10-4 3,8·10-4 1 3,5·10-4 3,6·10-4 3,8·10-4 4·10-4

Дані таблиці 1 свідчать, що зі

збільшенням температури ККМ індивідуальних ПАР зростає, для сумішей W=20 % та W=33,33 % в інтервалі температур від 15°C до 20°C теж зростає, а при 30°C зменшується. Для решти сумішей ПАР ККМ зі збільшенням температури знижується. Залежно від мольного вмісту Барваміду 2К у суміші ККМ має тенденцію до зниження.

Для загальної оцінки піноутворювальної здатності наводимо графік залежності висоти і стійкості піни від мольної частки Барваміду 2К в суміші з Сульфонолом НП-3 при загальній концентрації ПАР в розчині 0,004 М (рис. 1.).

0,50,550,6

0,650,7

0,75

0,80,850,9

0,951

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2

0

20

40

60

80

100

120

140

Sп H0

Sп20

Sп15

H020

H015

W

Рис. 1. Залежність висоти і стійкості піни від мольної частки Барваміду 2К в суміші: Sп

15, Sп20 – стійкість піни відповідно при 15°C та 20°C; Н0

15, Н0

20 – висота утворення піни відповідно при 15°C та 20°C

Отже, усі досліджені суміші ПАР виявляють антагонічні властивості при дослідженні висоти утворення піни. Найбільший прояв антагонізму у дослідженні стійкості піни спостерігається при мольному вмісті Барваміду 2К 50 % у суміші із Сульфонолом НП-3, що пов’язано з утворенням комплексної солі з



поверхнево-активних іонів, яка погано розчиняється у воді. При цьому зниження температури до 15°C спричиняє посилення явище антагонізму при піноутворенні.

Капілярність текстильних матеріалів з поліефірних і поліамідних волокон визначено до та після обробки розчинами сумішей ПАР. Для прикладу на рис. 2 наведено результати експериментальних досліджень після обробки розчином ПАР загальною концентрацією 0,004 М при мольному вмісті Барваміду 2К 80 % у суміші з Сульфанолом НП-3 для тканини з поліефірних волокон та на рис. 3 – для тканин з поліамідних волокон. Фіксація висоти підйому розчину калій біхромату проводилась на початку дослідження та через такі проміжки часу в хвилинах: 0,5; 1; 2; 3; 5; 10; 20; 30.

0

50

100

150

200

250

0 10 20 30 40 50 60

H, м

м

хв

Нс

Нв

Нн

Рис. 2. Залежність висоти підйому змочуваної речовини по текстильному

матеріалу з поліефірних волокон, попередньо обробленому в суміші ПАР: Н – висота підйому рідини, індекси: Н – необроблений (вихідний) зразок, В – зразок, оброблений у воді, С – зразок, оброблений у суміші ПАР

0

10

20

30

40

50

0 10 20 30 40 50 60

H, м

м

хв

Нс

Нв

Нн

Рис. 3. Залежність висоти підйому змочуваної речовини по текстильному

матеріалу з поліефірних волокон, попередньо обробленому в суміші ПАР: Н – висота підйому рідини, індекси: Н – необроблений (вихідний) зразок, В – зразок, оброблений у воді, С – зразок, оброблений у суміші ПАР

Криві на рисунках 2 та 3 мають характерний вигляд, висота підйому рідини по текстильному

матеріалу, попередньо обробленому сумішшю ПАР наступного мольного складу: 80 % Барвамід 2К та 20 % Сульфонол НП-3, значно вища у порівнянні з вихідним та обробленим у воді зразками, що свідчить про значне підвищення капілярних властивостей.

Судячи із рисунку 3, відрізок інтенсивного водопоглинання тканиною з поліамідного волокна менший у часі, ніж тканиною з поліефірного волокна, що пояснюється їх різною структурою.

Повністю експериментальні дані по визначенні капілярних властивостей для тканини з поліефірного волокна наведено у таблиці 2.

Проаналізувавши таблицю 2, відмітимо синергізм суміші ПАР відносно компонентів. Спостерігається тенденція до збільшення швидкості та висоти підйому рідини зі збільшенням концентрації суміші у розчині. Максимальні значення висоти підйому рідини виявлено при мольному вмісті Барваміду 2К у суміші 20 %.

Згідно з експериментальними значеннями з підвищенням температури попередньої обробки зразків капілярні властивості відносно збільшуються.

Проаналізувавши таблицю 2, відмітимо синергізм суміші ПАР відносно компонентів. Спостерігається тенденція до збільшення швидкості та висоти підйому рідини зі збільшенням концентрації суміші у розчині. Максимальні значення висоти підйому рідини виявлено при мольному вмісті Барваміду 2К у суміші 20 %. Згідно з експериментальними значеннями з підвищенням температури попередньої обробки зразків капілярні властивості відносно збільшуються.



Таблиця 2 Капілярність текстильних матеріалів з поліефірних волокон оброблених розчинами сумішей ПАР при температурі 20°C

Час після контакту зразка зі змочувальною рідиною, с Мольний вміст Барва-міду 2К у суміші, %

Концентрація, М 0 0,5 1 2 5 10 20 30 60

0,0001 0 30 43 58 85 112 140 156 173 0,0004 0 38 51 64 100 137 160 182 205 0,0016 0 43 58 72 107 140 180 200 229

0

0,004 0 40 54 75 112 146 185 205 241 0,0001 0 44 58 76 108 135 167 182 223 0,0004 0 47 60 82 119 154 193 215 253 0,0016 0 48 63 84 120 154 194 216 255

20

0,004 0 50 64 85 121 155 196 214 255 0,0001 0 30 43 61 85 112 147 165 202 0,0004 0 42 56 78 135 161 192 208 238 0,0016 0 41 58 79 103 150 192 214 248

50

0,004 0 39 58 80 115 148 193 213 250 0,0001 0 28 36 51 96 112 131 158 167 0,0004 0 44 59 84 111 144 178 201 238 0,0016 0 34 50 75 130 152 181 203 242

80

0,004 0 44 55 82 111 146 186 208 243 0,0001 0 31 50 61 94 113 140 156 167 0,0004 0 32 48 63 90 121 148 160 170 0,0016 0 36 52 70 100 123 153 163 179

100

0,004 0 34 50 66 96 120 145 160 181 Мийна здатність являється комплексним показником, її визначаємо за ступенем відбивання білизни

забрудненої тканини після прання в мийному розчині. Мийна здатність може бути виражена відношенням білизни (коефіцієнта відбивання) випраної тканини до білизни білої незабрудненої тканини (у відсотках). Мийна здатність залежить від поверхневої активності мийної речовини, її здатності емульгувати жирові та масляні забруднення, жорсткості води, температури, рН середовища та інших параметрів.

При проведенні експерименту використано оптичний метод, який полягає у вимірюванні коефіцієнтів відбиття від забруднених та вихідних зразків. На рисунках 4– 6 наведено оцінку ступеня мийної здатності суміші залежно від концентрації та мольному вмісті Барваміду 2К у суміші (W) за формулою Кубелки-Мунка [9] для тканин з поліефірних та поліамідних волокон.

На рис. 4– 6 чітко відображений синергізм мийної дії суміші по відношенню до індивідуальних компонентів суміші. Найбільше значення ступеня мийної дії для тканини з поліефірного волокна проявляють суміші ПАР з мольним вмістом Барваміду 2К 20 % та 80 %. Мийна дія суміші при вмісті катіонактивного та аніонактивного ПАР 1: 1 знижується з підвищенням концентрації у зв’язку з утворенням малорозчинної комплексної солі, яка має буре забарвлення та частково осідає на тканину. Різниця значень мийної здатності між видами волокон спричинена в основному відмінностями в структури текстильних матеріалів. У порівнянні з поліефірною тканиною, ступінь мийної дії для текстильних матеріалів з поліамідного волокна суттєво вищий.

З підвищенням температури до 25°C (рис. 5а) мийна здатність збільшилась у середньому на 5 %, а максимально – на 25 % у суміші з мольним вмістом Барваміду 2К 80 % та при концентрації 0,0016 М. Спостерігається тенденція до зростання мийної здатності зі збільшенням концентрації суміші ПАР у розчині.

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

0,0001 0,0004 0,0016 0,004

0%

20%

50%

80%

100%

MS 1

, %

C, M

W

0

10

20

30

40

50

60

70

80

0,0001 0,0004 0,0016 0,004

0%

20%

50%

80%

100%

MS 1

, %

C, M

W

а) б) Рис. 4. Оцінка ступеня мийної дії суміші ПАР для тканини

(а) з поліефірного волокна (б) поліамідного волокна при температурі 20°



0

10

20

30

40

50

60

0,0001 0,0004 0,0016 0,004

0%

20%

50%

80%

100%

MS 1

, %

C, M

W

0

10

20

30

40

50

60

70

80

0,0001 0,0004 0,0016 0,004

0%

20%

50%

80%

100%

MS 1

, %

C, M

W

а) б) Рис. 5. Оцінка ступеня мийної дії суміші ПАР для тканини з

(а) з поліефірного волокна (б) поліамідного волокна при температурі 25°C

0

10

20

30

40

50

60

70

0,0001 0,0004 0,0016 0,004

0%

20%

50%

80%

100%

MS 1

, %

C, M

W

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

0,0001 0,0004 0,0016 0,004

0%

20%

50%

80%

100%M

S 1, %

C, M

W

а) б) Рис. 6. Оцінка ступеня мийної дії суміші ПАР для тканини

(а) з поліефірного волокна (б) поліамідного волокна при температурі 30°C На рис. 5,б показане суттєве зростання мийної здатності для суміші ПАР з мольним вмістом

Барваміду 2К 20 % та 80 %, що підтверджує синергізм суміші відносної її складових. З підвищенням температури мийна дія зростає, проте суттєве збільшення мийної здатності спостерігається для тканин з поліефірних волокон.

Висновки Отже, проведені дослідження показали, що при обробці текстильних матеріалів з поліамідних та

поліефірних волокон в дослідженому інтервалі температур та концентрацій спостерігається синергізм суміші ПАР з мольним вмістом Барваміду 2К 20 % та 80 %. З підвищенням концентрації мийна здатність усіх досліджених розчинів підвищується, також відмічена тенденція до підвищення мийної дії зі збільшенням температури.

Дослідження свідчать про синергетичний ефект суміші катіонактивної та аніонактивної ПАР відносно компонентів при дослідженні ККМ, капілярності та мийної дії, а також виявлено антагонізм при піноутворенні. Згідно з результатами досліджень суміш можна використовувати в якості активного компоненту у мийних композиціях для текстильних матеріалів та інших технологічних процесах опорядження. Експеримент проведено в інтервалі температур від 15°C до 30°C, що свідчить про ресурсозберігаючі можливості використання даної суміші.


1. Соболева О. А. Смешанные мицеллы и адсорбционные слои неионогенного поверхностно-

активного вещества с катионным (мономерным и димерным) / О. А. Соболева, М. В. Кривобокова // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 2. Химия. – 2004. – Т. 45. – 5. – C. 344– 349.

2. Шевердяев О. Н. Поверхностно-активные вещества. Свойства, технология, применение, экологически проблемы / Шевердяев О. Н., Белов П. С., Шкитов А. М.; под ред. П. С. Белова. – М.: Изд-во ВЗПИ, 1992. – 171 с.

3. Tomasic V. Adsorption, Association and Precipitation in Hexadecyltrimethylammonium Bromide/Sodium Dodecyl Sulfate Mixtures / V. Tomasic, I. Stefanie, N. Fllipovic-Vincekovic // ColloidPolym. Sei. – 1999. – V. 277. – P. 153– 163.

4. Cui Z. – G. Interfacial and Micellar Properties of Some Anionic/Cationic Binary Surfactant Systems. 1. Surface Properties and Prediction of Surface Tension / Z. – G. Cui, J. P. Canselier // Colloid Polym. Sei. – 2000. – V. 278. – P. 22– 29.

5. Rosen M. J. Molecular Interaction and Synergism in Binary Mixtures of Surfactants in Phenomena in Mixed Surfactant Systems / M. J. Rosen / ACS Symposium Series; American Chemical Society. – Washington: DC, 1986. – P. 144– 162.



6. Haque Md. E. Properties of Mixed Micelles of Binary Surfactant Combinations / Md. E. Haque, A. R. Das, A. K. Rakshit, S. P. Moulik // Langmuir. – 1996. – V. 12. – P. 4084– 4089.

7. Федорів А. С. Одержання катіонних ПАР взаємодією кубового залишку виробництва β-оксіетилетилендіаміду з жирами для застосування їх під час обробки поверхні шкіри та хутра [Електронний ресурс] / А. С. Федорів, Б. Л. Литвин, Р. М. Вишневський, І. Р. Соляник. – Режим доступу: http://ena.lp.edu.ua: 8080/bitstream/ntb/4411/1/44.pdf. – (Дата звернення: 18.07.2012).

8. Лабораторные работы и задачи по коллоидной химии / [под ред. Ю. Г. Фролова, А. С. Гродского]. – М.: Химия, 1986. – 216 с.

9. Федорова А.Ф. Лабораторный практикум по технологии химической чистки и крашения одежды: [учебное пособие для студентов вузов] / А. Ф. Федорова, А. В. Мищенко. – М.: Легкая индустрия, 1977. – 216 с.



УДК 685.34 О.А. МИХАЙЛОВСЬКА, А.В. МОСТОВЮК


ВИЗНАЧЕННЯ ФАКТОРІВ ВПЛИВУ КОНСТРУКЦІЙ ВЗУТТЯ

НА СТОПУ ЛЮДИНИ Визначено напрямки дослідження раціональності конструкцій взуття шляхом соцопитування. Certainly directions of research of rationality of constructions of shoe by the social questioning. Ключові слова: комфортність взуття, зручність взуття, раціональність взуття, конструкція взуття,

соцопитування, респонденти Постановка проблеми Зростання життєвого рівня населення зумовлює високі вимоги до предметів індивідуального вжитку

і особливо до одягу та взуття, що проявляється у збільшенні їх кількості та розширенні асортименту. Проте індивідуальний асортимент взуття неоднаковий для статево-вікових і етнографічних груп

населення. У молоді, які мешкає у великих містах, потреба в широкому асортименті взуття найвища, зокрема, у взутті повсякденному, для активного відпочинку. Крім того, сучасне населення мобільніше в питаннях моди, отже, і моральне зношування одягу та взуття у них відбувається найшвидше. При цьому не залишається поза увагою кожної людини і питання зручності (комфортності) взуття, що визначається значною кількістю факторів, серед яких найвагомішим є конструкція взуття. А тому, визначення основних конструктивних елементів взуття, що визначають його комфортність, є першочерговим при вирішенні проблеми створення комфортного взуття.

Аналіз останніх досліджень і публікацій В результаті аналізу літературних джерел [1, 2, 3] можна зробити висновок, що на сьогоднішній

день питання розробки комфортного взуття є досить важливим і необхідним, оскільки нераціональність (не комфортність) викликає велику кількість деформацій стоп. Також виділено три групи властивостей, які визначають комфортність взуття:

1) фізіологічні, що забезпечують нормальне біомеханічне функціонування стопи; 2) гігієнічні, що впливають на безпеку умов носіння взуття; 3) антропометричні, що характеризують взуття з точки зору його раціональності та зручності. Крім того, було встановлено, що комфортність взуття може оцінюватися на об’єктивному рівні,

тобто за допомогою таких критеріїв як величина тиску взуття на стопу, зміна електричної провідності шкіри стопи, відносна деформація стопи і інші, так і на суб’єктивному рівні, де враховуються бажання і відчуття споживачів.

Формулювання цілі статті З метою створення раціональних конструкцій взуття необхідно визначити напрямки його розробки,

що відповідають комплексу вимог споживачів, що ґрунтуються на їх суб’єктивній оцінці. Виклад основного матеріалу Всю складність конструкції взуття по відношенню до стопи умовно розділяють на три частини,

складові елементи яких виконують різні функції: 1. Опорна частина взуття (підошва, устілка і проміжні елементи). 2. Укріплююча частина (підносок, задник). 3. Закріплююча частина (верх взуття). Даний розподіл досить умовний, адже абсолютно розмежувати функції деяких елементів важко,

оскільки вони виконують функції так би мовити змішаного характеру. Щоб розглянути вплив конструкції взуття на здоров’я людини його можна розділити на деякі

чинники:



- вплив пакету деталей верху при: 1. використанні натуральних, штучних і синтетичних матеріалів; 2. використання різних конструкції взуття (залежно від ступеня закритості стопи); 3. використання задників, підносків; - вплив пакету деталей низу: 1. каблук і його висота; 2. використання різних матеріалів для підошов; 3. використання різних матеріалів для простилки; 4. використання різних матеріалів для устілки; - вплив методу кріплення низу; - вплив методу утримання на нозі: 1. за рахунок конструкції; 2. за допомогою застібки типу "блискавка"; 3. за допомогою шнурівки; 4. за допомогою кнопок; 5. за допомогою вількро (липучки); 6. за допомогою еластичної тасьми. Для отримання суб’єктивної оцінки комфортності конструктивних елементів взуття були проведені

соцопитування населення м. Хмельницького різних вікових груп. За результатами були побудовані діаграми, в яких чітко прослідковується думка населення щодо комфортності тих чи інших конструктивних елементів взуття.

Щодо наявності каблука та його висоти, то для 68 % респондентів зручним є взуття з каблуком. Причому 38 % обирають середній каблук, 26 % обирають високий і 26 % обирають надвисокий, хоча для жіночої групи населення висота каблука для повсякденного взуття прийнята до 40 мм, а для модельного – до 60 мм. Це свідчить про те, що 52 % жінок шкодять своєму здоров’ю, адже як високий так і низький каблук у взутті порушує стійку рівновагу людини, оскільки відбувається зміщення центру ваги тіла людини, і для збереження рівноваги жінка затрачає більше м’язових зусиль, що сприяє розвитку патологічних відхилень в організмі.

88 % респондентів надають перевагу хімічним методам кріплення низу. Такий високий відсоток можна пояснити тим, що в соцопитуванні брали участь лише хмельничани. А для даного регіону в будь-який сезон носіння взуття хімічного кріплення є завжди актуальним.

92 % респондентів обирають взуття, верх якого виготовлений із натуральних матеріалів. Адже вони забезпечують в першу чергу гігієнічність взуття. Для низу статистика має зворотній характер: 98 % обирають синтетичні матеріали, адже вони в 5 разів довше стираються і підходять для різних сезонів носіння. Щодо товщини підошов 42 % респондентів вважають, що саме підошва товщиною 20 мм є найраціональнішою, 32 % – відчувають себе зручно, якщо підошва має товщину 10 мм, а решта 26 % обирають підошви товщиною 15 мм. Очевидно, що чим товща підошва, тим довше вона стирається, а також – тим кращі амортизаційні властивості.

Щодо способу закріплення взуття на стопі та на нозі людини, то для 38 % опитаних зручніше користуватися взуттям на шнурівці, але для 28 % застібка типу "блискавка" є кращою, 20 % задоволені утриманням взуття за рахунок конструкції (без спеціальних конструктивних елементів). Думка більшості підтверджує, що шнурівка є найзручнішим способом утримання взуття на нозі, адже за її рахунок можна змінювати повноту взуття, а відповідно і тиск взуття на стопу.

Рис. 1. Результати опитування респондентів щодо зручності взуття з каблуком і без каблука



Рис. 2. Результати опитування респондентів щодо зручності різної висоти каблука

Рис. 3. Результати опитування респондентів щодо методу кріплення низу взуття

Рис. 4. Результати опитування респондентів щодо зручності використання матеріалів верху

Рис. 5. Результати опитування респондентів щодо вибору матеріалів низу



Рис. 6. Результати опитування респондентів щодо зручності підошов (їх товщини)

Рис. 7. Результати опитування респондентів щодо зручності способу утримання взуття на стопі

Висновки Соцопитування дозволило визначити напрямки розробки конструктивних елементів взуття, що

відповідають комплексу вимог споживачів. Проте, як вид дослідження, соцопитування є суб’єктивним способом визначення комфортності взуття, оскільки на думку респондентів впливала значна кількість саме суб’єктивних факторів: їх настрій, стомленість, час опитування (сезон), час доби, місце проживання, характер роботи (сидяча, стояча). Тому для більшої об’єктивності у визначенні раціональних конструкцій взуття необхідно провести дослідження об’єктивними методами.


1. Лыба В.П. Теория и практика проектирования комфортной обуви: дис.... доктора техн. наук:

05.19.06 / Лыба Владимир Петрович. – М., 1996. – 314. 2. Фукин В.А. О комплексе свойств, определяющих комфортность обуви / В.А. Фукин, Д.О. Сак-

кулина, В.В. Костылева // Кожев. – обув. Пром-сть – 1994, 1– 2. – С. 37– 38. 3. Александров С.П. Автоматическое профилирование поверхности стелечного узла / С.П.

Александров, О.В. Паршина // Кожев. – обув. Пром-сть. – 1998. – 8. – С. 12– 16.

Надійшла 12.9.2012 р. Рецензент: д.т.н. Параска Г.Б.



УДК 685.34.02 Г.Є. ЛОБАНОВА, В.М. ЦИМБАЛЮК, Ю.В. ПУХАЛЬСЬКА


СУЧАСНІ МАТЕРІАЛИ ДЛЯ ВКЛАДНИХ УСТІЛОК:

ЕРГОНОМІЧНІ ТА ЕКОЛОГІЧНІ АСПЕКТИ Проведені дослідження фізикомеханічних та гігієнічних показників, здійснено біотестування різних видів

устілкових матеріалів. Conducted researches of physicomechanical and hygienic of indicators made biotesting of different kinds of

material for insoles Ключові слова: вкладна устілка, фiзико‐мeханiчнi та гігієнічні властивості, комфортність, екологічна

безпечність

Постановка проблеми Основною функцією вкладних устілок є поліпшення внутрішнього вигляду взуття та гігієнічних

властивостей. Оскільки вкладна устілка знаходиться в безпосередньому контакті зі стопою, то вона виконує ще ряд важливих функцій, зокрема, створює комфортне відчуття у внутрішньовзуттєвому просторі.

Вкладні устілки виготовляють із натуральних шкір, а також з нетканих матеріалів з покриттям, тканин та інших шкіроподібних матеріалів [1]. Ці деталі повинні захищати стопу від натирання швами, цвяхами та ін., а їх матеріал – забезпечувати паропроникність, особливо в напрямку від підошви до устілки [2].

При розробці та виготовленні вкладних устілок робиться акцент на дослідженні ергономічних та гігієнічних властивостей устілкових матеріалів, але не приділяється увага їх екологічній безпечності.

Останнім часом науковці все більше уваги приділяють вирішенню проблеми заміни натуральних шкір їх штучними аналогами. Надзвичайно широке використання у виготовленні взуття модифікованих природних та штучних і синтетичних речовин, матеріалів, напівфабрикатів тощо поряд із цілою низкою безсумнівних переваг часто має значну кількість недоліків. Серед них одним із найсуттєвіших є екологічна безпека взуття – проблема, яка уже поширилась за межі внутрішніх проблем індустріально високорозвинених держав і набула статусу глобальної [3].

Екологічність взуття як виробу повинна бути забезпечена при його виготовленні за рахунок моніторингу екологічності кожної операції виготовлення і усіх складників, що беруть участь у цьому процесі (устілки, підкладкові і проміжні матеріали, нитки, клеї, декоративні елементи та фурнітура, опоряджувальні, маркувальні та пакувальні матеріали). Створення екологічно безпечного взуття не повинно погіршувати екологічний стан довкілля і виробничого підприємства.

Попередніми дослідами встановлено, що одним із обраних найвагоміших показників для споживачів є природність матеріалу [4]. Але натуральний матеріал, наприклад, натуральна шкіра не завжди є екологічно безпечним. Тому в якості об’єкта для дослідження для оцінки фізико-механічних та екологічних властивостей обрано різні устілкові матеріали, що пропонуються як виробникам взуття, так і споживачам у вигляді готових деталей.

Аналіз останніх досліджень і публікацій Одними з основних показників при оцiнцi комфортного та якісного взуття є фiзико-мeханiчнi

властивості матeрiалiв. Нeобхiдно, щоб матeрiали, з яких виготовляється взуття, захищали стопу вiд зовнiшнiх впливів, забeзпeчували зручність i гiгiєнiчнiсть взуття, були б зносостійкими, збeрiгали початкову форму взуття i дозволяли надійно скріплювати дeталi. При цьому взуття повинно мати красивий вигляд i бути доступним, що також значною мірою залежить вiд матeрiалiв, з яких воно виготовляється [5].

До взуттєвих матeрiалiв ставляться як виробничі, так i споживчі вимоги. Виробничі (тeхнологiчнi) вимоги – це вимоги до їх мiцностi на розрив, тeрмостiйкостi, рiвномiрної товщини за площею, iзотропностi фiзико-мeханiчних властивостей тощо. Споживчі вимоги до взуттєвих матeрiалiв – це вимоги до їх мiцностi, гiгiєнiчностi, eластичностi, надiйностi, довговiчностi, рeмонтопридатностi, бeзпeчностi та інше [6].

Створення загального мiкроклiмату всeрeдинi взуття, тобто сeрeдовища з визначною тeмпeратурою i вологістю біля повeрхнi стопи, нeобхiдно для нормального функціонування стопи i всього організму людини. Такий мiкроклiмат створюється шляхом підбору вiдповiдних матeрiалiв i конструкції взуття.

До найвагоміших показників гігієнічності при оцiнцi комфортності взуття відносяться: вологоємність, тeплозахиснi властивості, жорсткість i маса взуття. Застосування при виготовлeннi вкладних устілок високоeластичних матeрiалiв пористих структур знижує масу i жорсткість при згині вкладних устілок, збільшує площу контакту стопи з опорною повeрхнeю. Проте, багатократна дія зовнішньої сили, поту i тeмпeратури призводить до безповоротних змін початкових властивостей, що негативно впливає на властивості цих виробів.

При виготовлeннi вкладних устілок застосовують традицiйнi для виробів легкої промисловості матeрiали: м’яку шкіру, м’яку штучну шкіру, тeкстильнi полотна, високомолeкулярнi полiмeрнi матeрiали монолітних i пористих структур, пробку та iншi. З появою i застосуванням для виготовлення взуття замiнникiв шкіри гостро постало питання забeзпeчeння нормальних умов для функціонування стопи, оскільки синтeтичнi та штучні шкіри мають посередні гiгiєнiчнi властивості. Крім того ці матеріали повинні



бути хiмiчно стабільними. Формулювання цілі статті

Огляд літературних джерел за темою дозволяє конкретизувати мету роботи, яка полягає у дослідженні фізико-механічних та гігієнічних показників матеріалів вкладних устілок та оцінці бiологiчної бeзпeки їх застосування споживачами у повсякденному взутті.

Виклад основного матеріалу Для проведення дослідження були відібрані готові вкладні устілки та матеріали для них різних

виробників, доступні для продажу широкому колу споживачів: 1 – із шкіри підкладкової свинячої (ТОВ “ЕМІ-Україна ЛТД”, Україна); 2 – із шкіри підкладкової перфорованої (ЗАТ “Чинбар”, Україна); 3 – устілка, складовими частинами матеріалу якої є мікрофібра, активоване вугілля, латекс

(“Salton”, Іспанія); 4 – устілка Kaps ACTIFRESH, основою якої є латексна піна з антибактеріальним просочуванням,

м’яка поглинаюча латексна піна та віскозне покриття (Польща); 5 – устілка з бамбукової соломки (“JUNSHUANG”, Китай); 6 – із шкіри підкладкової натуральної (“Finzu”, Китай); 7 – тришаровий синтетичний матеріал для вкладної устілки (Китай). Дослідження фізико-механічних властивостей устілкових матеріалів проводились за наступними

показниками: товщина матeрiалу, щільність, межа мiцностi при розтязi, абсолютне видовження при розриві, вiдноснe видовження при розриві. Результати дослідження представлені в таблиці 1.

Таблиця 1

Фізико-механічні властивості матеріалів для вкладної устілки Матеріал (країна-виробник)

Найменування показників,

одиниці виміру

Шкіра підкладкова свиняча

(Україна)

Шкіра підкладкова перфорована

(Україна)

Вкладна устілка

мікрофібра (Іспанія)

Устілка Kaps ACTIFRESH

(Польща)

Вкладна устілка з бамбукової соломки (Китай)

Шкіра підкладкова натуральна

(Китай)

Тришаровийсинтетичнийматеріал для вкладної устілки (Китай)

Варіант матеріалу

1 2 3 4 5 6 7

Товщина матeрiалу, мм, не більше

0,54 1,49 3,29 3,2 2,63 0,91 2,59

Щільність г/см³, не більше

1,11 0,53 0,34 0,30 0,42 0,86 0,16

Межа мiцностi при розтязi, МПа, не менше

13,4 5,4 3,2 2,7 – 18,5 0,75

Абсолютне видовження при розриві, мм

15,5 33 30,5 14,5 – 14 20,5

Відносне видовження при розриві, %

30 66 29 30 – 29 41

Наведена характеристика фізико-механічних показників свідчить про великі розбіжності в

отриманих значеннях, оскільки відібрані устілки виготовлені з дуже різних за походженням, способом виробництва та походженням матеріалів.

Натуральні матеріали вкладних устілок, такі як свиняча підкладкова шкіра, перфорована підкладкова шкіра та натуральна шкіра китайського виробництва мають показники межі міцності при розриві значно вищі, ніж інші матеріали. Дещо нижчим є значення показника межа міцності при розриві для перфорованої підкладкової шкіри, що цілком зрозуміло, оскільки отвори в даному випадку виступають концентраторами напружень.

З даних таблиці 1 видно, що синтетичні матеріали значно поступаються натуральним за показником межа міцності. Навіть за розривним навантаженням, тобто без врахування значної товщини цих матеріалів, вони виявились менш міцними. Сучасні матеріали, основу яких склали латекс та мікрофібра, мають приблизно однакові значення по усіх показниках. Такий результат пов’язаний із тим, що обидва матеріали спінені, мають велику товщину, але як показали дослідження, низьку стійкість до механічних випробовувань.

Найнижчі показники фізико-механічних властивостей має синтетичний тришаровий матеріал. В процесі експлуатації взуття він не забезпечить необхідні вимоги, пред’явлені до нього.

Матеріал вкладної устілки під номером 5 (бамбукова соломка), натуральний, природній матеріал, механічним дослідженням не піддавався, оскільки завдяки своїй структурі та походженню він виконує



основне призначення – забезпечення комфортності мікроклімату внутрішньовзуттєвого простору та екологічної безпеки.

Досліди з біотестування матеріалів для вкладних устілок проводили з використанням як тест-об’єктів різних видів ряски, що зустрічаються на території України: ряска трійчаста (Lemna trisulca) та Вольфія безкоренева (Wolffіa arrhiza). Критеріями оцінки вибрали зміну забарвлення пластинок ряски: пожовтіння, побуріння, втрата інтенсивності забарвлення.

Водні витяжки із взуттєвих матеріалів готували за методикою [7]. Розчини різної концентрації отримали шляхом послідовного розбавлення вихідних витяжок. На основі експериментальних даних встановили середню летальну концентрацію токсичності речовин ЛК 50-96, що містяться у водних витяжках за 96 годин. Для розрахунку середньої летальної концентрації відсоток загиблої ряски виразили в умовних одиницях пробітах, а концентрацію водних витяжок з досліджуваних матеріалів – у десяткових логарифмах.

Результати досліджень з біотестування наводяться в таблиці 2.

Таблиця 2 Результати біотестування водних витяжок на тест-об’єкті ряска

Кількість загиблої ряски, %, за Вид матеріалу

Концентрація, мг/дм³ 24 години 48 годин 72 години 96 годин

1 2 3 4 5 6 0,008·10³ 0 0 0 10±0,9 0,08·10³ 0 0 10±02 20±0,6 0,8·10³ 10±0,4 20±0,3 25±0,7 30±1,2 2·10³ 15±0,3 25±0,6 30±0,5 35±1,1

Шкіра підкладкова свиняча (Україна)

4·10³ 15±0,6 35±0,4 45±0,5 50±0,3 0,006·10³ 0 0 10±0,4 10±0,6 0,06·10³ 0 5±0,2 15±0,2 20±1,3 0,6·10³ 5±0,7 10±0,3 20±0,2 30±0,8 1,5·10³ 15±0,6 20±0,5 25±0,4 40±0,6

Шкіра підкладкова перфорована (Україна)

3·10³ 20±0,4 20±0,2 50±0,8 60±1,2 0,01·10³ 0 10±1,1 20±0,8 40±0,9 0,1·10³ 10±0,2 10±0,2 20±1,3 50±0,9 1·10³ 20±0,2 35±0,9 50±0,8 60±1,2

2,5·10³ 40±0,6 50±1,2 100±0 100±0

Вкладна устілка мікрофібра (Іспанія)

5·10³ 40±0,8 50±0,2 100±0 100±0 0,004·10³ 0 0 10±0,5 10±0,4 0,04·10³ 5±0,5 10±0,3 15±0,2 20±0,6 0,4·10³ 10±0,4 15±0,4 30±0,7 50±1,1 1·10³ 25±0,7 25±0,7 50±1,6 70±1,2

Устілка Kaps ACTIFRESH (Польща)

2·10³ 30±0,4 35±0,4 50±0,6 75±0,8 0,008·10³ 0 0 0 0 0,08·10³ 0 0 0 5±0,9 0,8·10³ 0 0 5±0,2 10±0,4 2·10³ 0 5±0,8 10±0,5 20±0,2

Вкладна устілка з бамбукової соломки (Китай)

4·10³ 5±0,2 10±0,4 20±0,5 40±0,7 0,01·10³ 0 0 10±0,4 10±0,8 0,1·10³ 0 10±0,6 15±0,3 20±1,2 1·10³ 5±0,2 10±0,2 15±0,8 25±0,7

2,5·10³ 10±0,2 15±0,4 25±0,2 35±0,9

Шкіра підкладкова натуральна (Китай)

5·10³ 10±0,4 25±0,2 40±0,7 50±1,1 0,0056·10³ 0 0 0 5±0,8 0,056·10³ 0 0 10±0,4 20±0,2 0,56·10³ 0 10±0,3 15±0,2 30±0,9 1,4·10³ 10±0,3 25±0,8 35±0,4 40±0,5

Тришаровий синтетичний матеріал для вкладної устілки (Китай) 2,8·10³ 10±0,4 25±0,6 40±0,5 45±1,1

Аналіз результатів досліджень показав, що ряска дійсно є дуже чутливим тест-об’єктом, оскільки

при високих концентраціях вона реагувала вже протягом перших 24 годин. При найнижчій концентрації протягом перших 24 годин цей тест-об’єкт не дав реакції в жодному випадку.

Для порівняння токсичності усіх досліджуваних матеріалів розглянемо залежність кількості загиблої ряски (%) при найвищій концентрації їх водних витяжок після 96 годин спостереження.

З наведених даних тестування видно, що найбільш токсичним матеріалом для вкладної устілки є синтетичний матеріал з мікрофібровою структурою (Іспанія). Водна витяжка з цього матеріалу виявляє гостру токсичність вже на другу добу досліджень. Летальна концентрація ЛК50-96 водної витяжки



становить 0,047·10³ мг/дм³, а через 48 годин тестування спостерігався некроз усіх тест-об’єктів. Наступним матеріалом за рівнем

токсичності є латексний матеріал Kaps ACTIFRESH з групи синтетичних матеріалів. Кількість загиблих тест-об’єктів за 96 год перевищила 70 %.

При найнижчій концентрації водної витяжки з шкіри підкладкової свинячої (Україна) та шкіри підкладкової натуральної (Китай), окремі пластинки ряски локально знебарвились та пожовтіли лише на четверту добу тестування. При найвищій концентрації, відсоток загиблої ряски за 96 год досягнув рівня майже 50 %.

Перфорована натуральна шкіра (Україна) є більш токсичним матеріалом, ніж підкладкова свиняча шкіра, оскільки за 96 годин тестування загинуло майже 60 % тест-об’єктів.

Найменш токсичним є матеріал для вкладної устілки з бамбукової соломки (Китай). Тест-реакція на водну витяжку із бамбукової

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Кіль

кість загибл

их

тест

-об'єктів,

%

1 2 3 4 5 6 7

Вид матеріалу Рис. Кількість загиблої ряски (%) при найвищій концентрації водної витяжки матеріалів за 96 год тестування: 1 – шкіра підкладкова свиняча (Україна); 2 – шкіра підкладкова перфорована (Україна);

3 – вкладна устілка мікрофібра (Іспанія); 4 – устілка Kaps ACTIFRESH (Польща); 5 – вкладна устілка з бамбукової соломки

(Китай); 6 – шкіра підкладкова натуральна (Китай); 7 – тришаровий синтетичний матеріал для вкладної устілки (Китай)

соломки для вкладної устілки не виявив гострої токсичності. Для цього матеріалу ЛК50– 96 не встановлена, в зв’язку з тим, що при найвищій концентрації за весь термін тестування загибель тест-об’єкту дафнія не досягла 50 %. Це пов’язано з тим, що матеріал є природного походження і компонентом, на який прореагувала ряска вочевидь є або фарба, або волокниста основа для скріплення матеріалу.

Також одним з найменш токсичних виявився тришаровий синтетичний матеріал для вкладної устілки (Китай). У водній витяжці при найвищій концентрації 2,8·10³мг/дм3 через 96 годин спостерігалось лише часткове знебарвлення ряски.

Таким чином, здійснені дослідження з біотестування матеріалів для вкладних устілок наглядно продемонстрували, що найбільшою токсичністю характеризуються водні витяжки із матеріалу мікрофібра, а найменшою – матеріали для вкладної устілки з бамбукової соломки та тришаровий синтетичний матеріал для вкладної устілки (Китай). Це дозволяє успішно і безпечно використовувати їх при виготовленні взуття.

Висновки В результаті проведених досліджень фізико-механічних показників матеріалів для вкладних устілок,

встановлено, що натуральні шкіри різних виробників за показниками міцності перевершують нормативні значення для підкладкових шкір, а синтетичні матеріали, незалежно від особливостей структури та виготовлення, їм поступаються.

Проведене біотестування різних видів устілкових матеріалів природного та синтетичного походження виявило ступінь їх токсичності. Отримані результати дозволяють обґрунтовано зробити висновки, які матеріали не варто застосовувати виробникам та споживачам взуття з метою збереження здоров’я людини та забезпечення екологічної безпеки довкілля.


1. Устілки взуттєві вкладні. Загальні технічні умови: РСТ УССР 1515-84. – К.: Госплан УССР, 1984.

– 8 с. – Республіканські стандарти. 2. Ченцова К.И. Стопа и рациональная обувь / Ченцова К.И. – М.: «Легкая индустрия», 1974. –

216 С. 3. Шкарупа В.Ф. Основи екології та безпеки товарів народного споживання: [навчальний посібник

для вузів] / Шкарупа В.Ф. – К.: КНТЕУ, 2002. – 315 с. 4. Лобанова Г.Є. Дослідження впливу конструкторсько-технологічних особливостей взуття на

психологічну оцінку його комфортності / Г.Є. Лобанова В.М. Цимбалюк, Ю.В. Пухальська // Вісник ХНУ, 3, 2012. – С.249-254.

5. Зурабян К.М. Материаловедение изделий из кожи / Зурабян К.М., Краснов Б.Я., Бернштейн М.М. – М.: Легпромбытиздат. – 1988. – 416 с.

6. Савина З.Г. Товароведение обуви / Савина З.Г. – М.: Экономика, 1984. – 248 с. 7. Мандзюк І. А. Лобанова Г.Є. Дослідження з біотестування взуттєвих матеріалів / І.А. Мандзюк,

Г.Є. Лобанова // Вісник Хмельницького національного університету. Технічні науки. – 2005. – 6. – Т. 2. – С. 212– 217.





УДК 675.046 О.В. КОВТУНЕНКО, В.П. ПЛАВАН

Киевский национальный университет технологий и дизайна

Т.В. ТРАВИНСКАЯ Институт химии высокомолекулярных соединений НАН Украины

ТЕРМИЧЕСКОЕ ПОВЕДЕНИЕ МОДИФИЦИРОВАННЫХ

ПЛЕНКООБРАЗОВАТЕЛЕЙ ДЛЯ КОЖИ В статье изложены экспериментальные данные изменения термостабильности анионактивного

полиуретанового пленкообразователя для кожи при модификации его природными материалами. Это связано с протеканием целого ряда химических реакций между органической и неорганической частями системы с формированием новой структуры.

The article describes the experimental data of the changes in the thermal stability of the anionic polyurethane film former for the leather during its modification with natural materials. This is due to the occurrence of a series of chemical reactions between organic and inorganic parts of the system with the new structure formation.

Ключевые слова: кожа, отделка, пленкообразователь, анионактивный полиуретан, коллагенсодержащий продукт, Na‐монтмориллонит, термостабильность.

Вступление

Известно большое количество модифицированных композиций, применяющихся для отделки кож, которые позволяют получать покрытия с высокими технологическими и потребительскими характеристиками. Свойства отделочных покрытий на коже зависят, в первую очередь, от свойств использованных пленкообразователей, применяемых в покрывном крашении кож [1].

Современные ресурсосберегающие технологии производства и отделки кож предусматривают использование натуральных полимеров животного и растительного происхождения [2]. Кроме доступности и безопасности они, как правило, поддаются биологическому разложению, которое существенно уменьшает затраты на утилизацию и переработку отходов. Смешивание синтетических полимеров с натуральными является одним из самых простых и эффективных методов модификации их свойств [3].

Постановка проблемы в общем виде Использование в композициях для покрывного крашения кож коллагенсодержащих продуктов (КП)

позволяет значительно увеличить адгезию покрытия к сухой и мокрой коже, стойкость к многократному изгибу и сухому трению, термомеханическую стойкость, не ухудшая при этом его жесткость [4]. Однако, свойства композиционных полимерных материалов определяются не только выбором их составляющих, но и природой взаимодействия между ними в процессе получения.

Полимерные материалы, модифицированные наноразмерными частицами слоистых силикатов, обладают рядом существенных преимуществ. При введении в полимерную матрицу Na-монтмориллонита (Na+ -ММТ) происходит увеличение модуля упругости, прочности, повышение термической стабильности, снижение паропроницаемости материала [5, 6].

Интересным в этом плане является получение новых пленкообразователей путем модификации дисперсий полиуретановых аниономеров (АПУ) в водном растворе коллагенсодержащим продуктом с применением гидрофильной натриевой формы (Na+-ММР) для формирования композитов из водных дисперсий, использующихся в покрывном крашении кож. Совмещение ценных свойств таких материалов является важной практической задачей.

Анализ последних исследований Полиуретановые иономеры, полученные методом эмульсионной полимеризации, отличаются рядом

свойств от материалов, полученных в блоке и в растворе, что связано с конфирмационными особенностями макромолекул, иной молекулярной массой и наличием ионных центров в цепи макромолекулы. Способность АПУ спонтанно диспергироваться с образованием стойких водных дисперсий является их принципиальным преимуществом по сравнению с традиционными полиуретанами (ПУ) в органических растворителях. Кроме того, введение ионных групп в структуру гидрофобного ПУ приводит к существенному изменению свойств последнего (температуры стеклования, физико-механических показателей, степени гидрофильности) [7]. Еще одним немаловажным преимуществом АПУ является их низкая вязкость наряду с высокой молекулярной массой и нетоксичность, что значительно расширяет области их применения [8].

Ввиду того, что АПУ получают в виде водных дисперсий, то чаще всего их совмещают с природными полимерами путем смешения их водных растворов [9– 12]. Недостатком получения таких смесей является использование пластификаторов, увеличивающих время приготовления растворов, при этом материал становится еще более гидрофильным и нестабильным во времени.

Изучение свойств эмульсионных пленок полученных смешением на стадии синтеза представляет как научный, так и практический интерес.

Исходя их химического строения и способа получения модифицированных АПУ, очевидно, что структура и свойства таких полимерных материалов определяются соотношением и степенью



совместимости компонентов, распределением внутри- и межмолекулярных связей в цепи полимера. Постановка задания

В процессе нанесения и формирования покрытия компоненты покрывной краски, в частности, растворитель и пленкообразователь, в большей или меньшей степени диффундируют внутрь дермы. Глубина их проникновения зависит от состояния лицевой поверхности кожаного полуфабриката и от свойств покрывной композиции.

В результате такой диффузии полимерный пленкообразователь должен оказывать определенное влияние на полуфабрикат и, так или иначе, образовывать в структуре дермы определенные связи. При наличии в составе полимера реакционноспособных групп, как у модифицированного АПУ, и присутствия значительного количества активных центров в структуре дермы, как коллагеновых, так и привнесенных обрабатываемыми материалами, взаимодействие между ними должно привести к изменению свойств кожаного полуфабриката и готовой кожи. Такое предположительное взаимодействие соответствующим образом будет влиять и на термостойкость лицевого слоя кожи и покрывной пленки.

Поэтому главной целью данной работы является изучение влияния модифицированного АПУ на физические и химические превращения поверхности кожи и ее термическую стойкость путем исследования процессов термодеструкции желатиновых пленок, модифицированных анионактивным полиуретаном.

Объекты и методы исследования Динамический TGA анализ пленок выполняли с использованием прибора компании NETZSCH-

Gerätebau GmbH TG 209 F1 Libra® с программным обеспечением Proteus® Software, работающим под Windows®. Исследования проводили при скорости подъема температуры 20 град/мин до 700оС в атмосфере азота и воздуха с выделением газообразных продуктов деструкции. Вес образцов составлял 500 мг.

В качестве объектов исследования использовали пленки хромированного желатина (образец 1*), исходного анионактивного полиуретана (АПУ) (образец 2), АПУ модифицированного коллагенсодержащим продуктом (образцы 3, 3"), АПУ модифицированного коллагенсодержащим продуктом и монтмориллонитом (Na+-ММР) гидрофильной натриевой формы (образцы 4, 4"), а также пленки хромированного желатина, обработанные модифицированным АПУ (образец 5) (табл. 1).

Как модель кожи использовали 5-процентный раствор хромированного желатина. Пленки получали из 5-процентного раствора пищевого желатина, обработанного на протяжении 3 часов солями хрома ІІІ в количестве 12 % от массы сухого белка при температуре 20±2оС. Дисперсию иономерного полиуретана вводили в раствор дубленого желатина в количестве 20 % от его сухой массы при температуре 20±2оС. Пленки толщиной 100 мкм отливали на тефлоновых кюветах, после чего высушивали их при комнатной температуре 72 часа, а потом при t=60оС до постоянной массы.

Стойкость образцов к термоокислительной деструкции определяли по температурным и термогравиметрическим характеристикам [13], полученным в ходе динамического термогравиметрического анализа.

Таблица 1

Композиционные составы исследованных образцов Состав образцов

образца Модификатор

Примечание

1* Хромированный желатин (ХЖ)

- - в атмосфере воздуха

2 Анионактивный полиуретан (АПУ)

- - в атмосфере воздуха


Коллагенсодержащий продукт (КП)

- в атмосфере воздуха

3" Анионактивный полиуретан (АПУ)


- в атмосфере азота


Коллагенс одержащий продукт (КП)

Натриевая форма монтмориллонита (Na+-ММР)

в атмосфере воздуха

4" Анионактивный полиуретан (АПУ)


Натриевая форма монтмориллонита (Na+-ММР)

в атмосфере азота

5 Хромированный желатин (ХЖ)

Анионактивный полиуретан (АПУ) модифицированный коллагенсодержащим продуктом (КП)

в атмосфере воздуха

По результатам полученных экспериментальных данных прxоводили комплексный анализ

исследованных образцов, а именно: определение массы/температуры; температуры начала и конца потери массы по TG-кривой (экстраполяцией); автоматическое определение стадий изменения массы; изменение массы (∆m) в %; температурный максимум 1-й и 2-й производной термогравиметрической кривой; определение массового остатка.



Для хорошо разделенных стадий деструкции и стадий, которые лишь частично перекрываются, рассчитывали энергии активации с использованием интегрального метода Бройдо [14] путем линеаризации зависимости – lnln [Wo/Wo – W] от 100/Т для каждой конкретной стадии.

(- lnln [Wo/Wo – W])=E (1000/T) + A, где [Wo/ Wo – W] – мгновенная концентрация деструктирующего реагента; Т – соответствующая ей

температура, К; Е – энергия активации процесса, кДж/моль; А – константа, связанная с предэкспонциональным множителем Аррениусовской зависимости процесса.

Изложение основного материала Как известно, окислительная деструкция отличается малой избирательностью, что объясняется ее

свободнорадикальным механизмом и выражается в том, что при окислении кислородсодержащих полимеров наряду с валентными связями макромолекулярной цепи затрагиваются еще и функциональные группы и связи С–Н. Чем выше молекулярная масса полимера, тем в большей степени он подвергается окислительной деструкции, интенсивность реакции которой возрастает под влиянием повышенной температуры, способствующей активации кислорода и увеличению скорости его диффузии внутрь полимера.

Процесс термической деструкции полимеров представляет собой совокупность гомогенных и гетерогенных химических реакций и фазовых превращений, сопровождающихся обычно поглощением тепла и понижением молекулярной массы за счет выделения летучих продуктов разложения. Реакция термодеструкции ускоряется веществами, легко распадающимися на свободные радикалы. Характерная особенность этого типа деструкции состоит в том, что она приводит не только к снижению степени полимеризации и изменению структуры макромолекулы, но также к деполимеризации.

Из термограмм исходного АПУ (кривая 2), хромированного желатина (ХЖ) (кривая 1*) (имитирует продубленную кожу) и продуктов их модификации (кривые 3, 3", 4, 4",5) (рис. 1, 2), были определены температуры начала разложения образцов, потеря массы (∆m) на момент достижения температуры максимальной скорости разложения (Тmax), величина коксового остатка, максимальная скорость разложения и эффективная энергия активации (табл. 2 и 3). Как видно из табл. 3, и рис. 1, 2 падение веса всех образцов проходит в несколько стадий разной интенсивности, которые отображают ход химических и физических преобразований пленкообразователя при нагревании в атмосфере воздуха (рис. 2а) и в атмосфере азота (рис. 2б). Количество стадий разложения, соотношения их интенсивностей и температурный интервал стадий зависят от модификатора.

Характер кривых TG имеет сходство для всех пленок, за исключением образца 1* хромированного желатина (рис. 1в). Термодеструкция ХЖ заканчивается при 794оС и представляет собой многостадийный процесс превращений: сначала коллагената хрома, а после 400оС – хромового комплекса с окончательным окислением промежуточных продуктов до оксида хрома. Как видим, термодеструкцию пленок ХЖ можно разделить на четыре основных стадии (рис. 1в, табл. 3). Если сравнивать прохождение термических преобразований ХЖ с нативным белком (плавление, переход в вязкотекучее состояние) и термодеструкцию с соответствующими максимумами при температурах 130, 230 и 270оС [15], можно проследить некоторое смещение пиков DTG ХЖ (рис. 2а) в сторону повышения температуры деструкции, благодаря структурирующему эффекту дубильных соединений хрома.

1. Анализируя данные DTG и результаты их обработки (табл. 2, 3, образец 1*), можно отметить, что низкотемпературная I стадия распада ХЖ (69– 129оС) объясняется испарением механически и адсорбционно связанной воды в процессе нагревания. При этом образец теряет около 9,4 % массы при пике 85оС. На этом этапе возможна перегруппировка хромовых комплексов и удаление молекул воды из внутренней координационной сферы комплекса с образованием дополнительных связей между белком и дубителем. Это предположение подтверждается значительной Еакт – 74 кДж/моль. В области температур 130– 260оС (рис. 2, кривая 1*) не наблюдается значительного падения массы образца, что указывает на протекание физических процессов плавления аморфных, а затем и кристаллических зон желатина и его переход в вязкотекучее состояние.

Таблица 2

Результаты термоокислительной деструкции об-разца

Tstart разложен. оС

Tfin процесса, оС

Т max.с. разл., оС

Макс. скор. разл., dm/dt, (мг/мин)

Потеря массы, %, при Т max.с. разл.

Коксовый остаток, %

1* 244 794 317 0,8 20,1 12,08 2 185 640 416 1,7 29,9 0,03 3 264 700 349 1,34 25,2 0,49 3" 279 700 432 3,0 41,3 3,79 4 308 700 408 2,27 18,2 9,96 4" 315 700 432 2,53 32,9 13,45 5 294 700 497 1,17 16,9 4,4

Примечание: номера образцов соответствуют обозначениям в табл. 1

Третья стадия процесса характеризуется интенсивным распадом в области температур (244– 354оС),



значительной потерей массы (до 20,1 %) с максимальной скоростью падения массы 0,8 мг/мин при 317оС. Эта стадия связана с термическими превращениями полипептидной цепи, разрушением координационных и электровалентных связей основного сульфата хрома с белком, началом интенсивных термоокислительных процессов с поглощением тепла и выделением газообразных продуктов. На это указывает наибольшая Еакт – 80 кДж/моль. Незначительная энергия разрыва связей (31 кДж/моль), на четвертой стадии процесса (462– 477оС), с потерей около 1,7 % массы, позволяет предположить, что на этой стадии проходит термодеструкция полимерной цепи с переходом хромового комплекса в более простое соединение, например сульфат хрома.

Заключительная стадия термоокислительной деструкции с широким пиком (656– 744оС) протекает со значительной Еакт (71 кДж/моль) и потерей массы 3,25 %. Это может свидетельствовать об окончательном превращении промежуточных соединений хрома в окисел хрома с соответствующим газовыделением, а также разрушением и полным сгоранием углеродного каркаса. Коксовый остаток образца составляет 12 %.

2. В исходном АПУ (рис. 2а, образец 2, табл. 3,2) почти отсутствует влага и поэтому на I стадии процесса потеря массы составляет всего около 0,88 % при более низкой температуре дегидратации (62– 110оС). Из литературных данных [16] известно, что наиболее слабой в полиуретанах является полиуретановая связь, а значит термическая деструкция в интервале температур второй стадии процесса (185– 230оС) с потерей массы в 3 % начинается с распада связи C– N в уретановой группе – NH– CO– O– с выделением СО2, и небольшой энергией разрыва связей – 65 кДж/моль.

Таблица 3

Постадийная энергия активации и потеря массы образцами при деструкции Температурный интервал (ΔТ),oC/

потеря массы Δm, % при Tmax.с. по стадиям Еакт (кДж/моль)

І ІI ІII ІY Y І ІI ІII ІY Y

1* 69– 129/ 85; 9,36

– 244– 354/ 317; 20,1

462– 477/ 470; 1,74

656– 744/ 666; 3,25

74 – 80 31 71

2 62– 110/ 71; 0,88

185– 230/

208; 3,0

260– 287/ 272; 5,95

403– 430/ 416; 29,9

576– 608/ 598; 3,25

56 65 108 220 97

3 62-114/ 84; 0,97

237 – 272/

264; 5,3

332– 367/ 349; 25,2

414– 447/ 432; 14,8

492– 559/ 492; 10,1

72 132 183 31 91

3" 62– 147/ 92; 0,74

279 – 344/

327; 15,8 –

410 – 452/ 432; 41,5

– 70 117 – 269 –

4 73– 120/ 95; 0,98

– 308– 355/ 340; 20,9

400– 425/ 408; 18,2

480– 495/ 488; 9,3

69 – 147 193 213

4" 72– 122/ 95; 0,71

– 315– 382/ 367; 20,3

415– 455/ 432; 32,9

– 61 – 119 221 –

5 79– 119/ 99; 2,36

– 294– 354/ 332; 23,3

414– 449/ 434; 9,82

484– 507/ 497; 16,9

69 – 101 68 330

Примечание: номера образцов соответствуют обозначениям в табл. 1 Третья стадия деструктивного процесса с пиком 272оС отображает образование фрагментов

молекул (выделение газов) и означает рекомбинацию валентных связей или образование новых, более термостойких соединений. Процесс деструкции идет с потерей массы 5,95 % и энергией активации 108 кДж/моль.

Максимальная скорость потери массы 1,7 мг/мин исходного АПУ на кривой DTG наблюдается на четвертой стадии процесса деструкции при температуре 416оС, что составляет 29,9 % от массы образца. Энергия разрыва связей этой стадии самая высокая и составляет 220 кДж/моль. Можно предположить, что на этой стадии деструкции происходит разрушение структуры АПУ, сопровождающееся окислительными процессами с получением промежуточных продуктов и выделением газовой фазы [17].

Процессы, происходящие на последней стадии термодеструкции, с пиком 598оС и незначительной потерей массы 3,25 %, связаны с термоокислительным разрушением углеродного каркаса. Эффективная энергия активации составляет 97 кДж/моль.

3. Как видно из табл. 2 и 3, а также рис. 2а, термостойкость образцов 3 и 4 повышается благодаря присутствию в системе полимочевины (кривая 3, стадия II, III) и продукта взаимодействия органической и неорганической составляющих с получением уретаноподобных структур типа Sі– О...H– С, Sі– О– С, R– COO– Na– Si (кривая 4, стадия III, IV). Уменьшение массы образцов на I стадии происходит за счет потери кристаллизационной воды.

Введение КП в композиции оказывает некоторое термостабилизирующее действие на второй стадии деструкции, смещая температуру пика полимера на 56оС в область высших температур в сравнении с исходным АПУ (рис. 2а, кривая 3, табл. 3).



0

20

40

60

80

100

0 200 400 600 800

Т,оС

m

3 3"

0

20

40

60

80

100

0 200 400 600 800

Т,оС

4 4"

0

20

40

60

80

100

0 200 400 600 800

Т,оС

1* 3 5

а) б) в) Рис. 1. Термогравиметрические кривые АПУ (номера кривых соответствуют номерам в таблице 1)

Температура начала разложения в атмосфере воздуха модифицированых коллагенсодержащим

продуктом образцов на 79оС выше в сравнении с чистым АПУ (табл. 2). При этом они больше теряют в массе, что вместе с заметно растущей (почти в два раза) энергией активации второй и третьей стадии разложения подтверждает факт химической модификации анионактивного полиуретана коллагеновым продуктом. Учитывая высокую химическую активность КП, можно предположить, что, как и коллаген, продукт его гидролиза может вступать в реакцию с полиуретановым иономером, образуя все возможные виды связей: от вандерваальсовых до ковалентных.

4. Модифицированный монтмориллонитом полимер начинает разлагаться при температуре на 120оС выше, чем органический аналог АПУ. Его коксовый остаток составляет около 10 %, в то время как исходный АПУ сгорает почти полностью. Для образца 4 модифицированного Na+-ММР на третьей стадии в интервале температур 308– 355 оС происходит, вероятнее всего, разрыв скелета молекулы по – Si – О – C – связи, энергия когезии которой ниже, чем – С – C – и – Si – Si – с образованием силоксановых структур. Одновременно протекают окислительные процессы разложения углеводородных продуктов деструкции, сопровождающиеся большими экзотермическими эффектами и наибольшей скоростью деструкции (2,27мг/мин). Две последующие стадии в интервалах 400– 425 оС и 480– 495 оС характеризуются меньшей скоростью деструкции и повышенными значениями эффективной энергии активации. Сложность процесса термодеструкции может быть результатом того, что добавка слоистого силиката играет роль инициатора коксообразования вследствие оказываемых барьерных эффектов на летучие продукты, образующихся в результате термической деструкции, а также и других явлений, связанных с изменением энтропии цепей макромолекул приповерхностного слоя нанокомпозитов.

Очевидно, в данном случае проявляются структурные особенности наполненного полимера: с одной стороны разрыхления полимерной структуры, которая способствует увеличению диффузии кислорода в полимер и активации окисления модифицированных АПУ, а с другой – усиленного каталитического влияния поверхности оксида на границе полимер – Na+-ММР. Можно полагать, что введение неорганических фрагментов в структуру АПУ сопровождается изменением характера и скорости процессов термодеструкции, обусловленных рядом причин, основной из которых является изменение энергии диссоциации связей вследствие дополнительных взаимодействий (ванндерваальсовых, водородных и др.) с продуктами термодеструкции.

5. Кривые DTG снятые в атмосфере азота (рис. 2б, табл. 1, 2, 3, образец 3") отличаются от кривых снятых на воздухе. Количество стадий процесса уменьшается с пяти до трех, а это означает, что окислительные процессы оказывают значительное влияние на деструкцию модифицированных АПУ. При этом вторая стадия разложения образца 3"сдвигается в область более высоких температур в среднем на 50 оС (табл. 3), а энергия разрыва связей этой стадии уменьшается на 15 кДж/моль. Также сдвигается пик максимальной скорости разложения со значительным повышением эффективной энергии активации на этой стадии.

6. TG-кривые (рис. 1б), DTG кривые (рис. 2б) и данные табл. 2 и 3 для кремнийорганического образца 4" в атмосфере азота и 4 на воздухе, имеют сходный характер. Начало термодеструкции в азоте сдвигается в область более высоких температур всего на 7 оС по сравнению с термоокислительной деструкцией этого образца. Пик максимальной скорости разложения образца сдвигается в более высокотемпературный режим с увеличением количества коксового остатка (табл. 2).

Таким образом, показано, что при модификации анионактивного полиуретанового пленкообразователя для кожи природными материалами его термостабильность повышается. Это связано с протеканием целого ряда химических реакций между органической и неорганической частями системы с формированием новой структуры.



0 200 400 600 800

Т,оС

dm/d

t2 3 4

0 200 400 600 800Т,оС

1* 3 5

0 200 400 600 800Т,оС

4 4"

0 200 400 600 800

Т,оС

3 3"

а) б) Рис. 2. DTG кривые образцов АПУ: а) в атмосфере воздуха; б) в атмосфере азота (номера кривых соответствуют номерам

образцов в табл. 1) 7. Свойства модифицированных желатиновых пленок совмещают индивидуальные свойства

отдельных компонентов композиции, и по характеру кривые DTG (рис. 1в, рис. 2а, кривая 5) совмещают свойства как ХЖ, так и АПУ.

Первая стадия образца 5, охватывает интервал (79– 119оС), в котором проявляется пик с максимумом 99оС, что на 15оС выше, чем в образце 3 и Еакт – 69 кДж/моль. Схожесть показателей можно объяснить процессом дегидратации композиционных пленок при нагревании. Желатиновые пленки по своей природе более гидрофильные в сравнении с полиуретановыми, однако, дисперсия анионактивного полиуретана, модифицированная КП привносит в систему ионные центры солевых групп третичного атома азота, которые и выравнивают их гидрофильности, вследствие силы обменных хромовых комплексов с ионными центрами АПУ.

Вторая стадия (130–270оС) термоокислительной деструкции модифицированных желатиновых пленок, как и для ХЖ, объясняется процессом плавления. Начало деструкции третьей стадии (294– 354оС) смещено вправо на 50оС и протекает почти с такой же потерей массы, что и ХЖ. Учитывая большую потерю массы (23,3 %) и увеличенную Еакт – 101 кДж/моль для образца 5 (табл. 3) в сравнении с хромированным желатином, можно допустить расширение зоны кристалличности в модифицированных композициях в результате взаимодействия активных центров хромированного желатина и ионных центров анионного полиуретана. Возможно, эта стадия деструкции характеризует процессы полиморфных превращений монотропного характера, в результате которых образуется стойкая кристаллическая структура. Достаточно высокая Еакт термического распада для образца 5 свидетельствует о разрушении на этой стадии намного более крепкой структуры, чем хромированный желатин.

Разрушение полиуретановой составляющей образца 5 происходит при температуре (414– 449оС), близкой к образцу 3, с уменьшением потери массы почти в 2 раза (табл. 3), и увеличением эффективной энергии активации в 2 раза. Следовательно, термодеструкция полиуретановой составляющей проходит медленнее, с большими энергетическими затратами, что подтверждает факт химической модификации белковой составляющей анионным полиуретаном. Можно допустить, что в процессе модификации проходит перераспределение части координационных и электровалентных связей COO– Cr– OOC белка, образовывая подобные связи COO– Cr– OOC полиуретана со свободными активными центрами, создавая таким образом условия для формирования более термостойкой кристаллической структуры модифицированного образца 5.

Максимальная скорость разложения полиуретановой составляющей 1,17 мг/мин. В сравнении с образцом 3, для модифицированной желатиновой композиции пик максимальной скорости деструкции смещен на 148оС в область высоких температур (рис. 3). Как и в образце 3, в модифицированной желатиновой пленке на этой стадии проходит деструкция полимерной цепи и интенсивное окисление промежуточных продуктов. Высшее (330 кДж/моль) значение Еакт в сравнении с модифицированным АПУ свидетельствуют о некоторой внутренней пластификации полимера белком, в результате чего появляется подвижность частично сегментированных полимерных цепей и формируется более пористая структура [18]. Также, на этой стадии возможно взаимодействие соединений хрома, которые высвободились после распада полипептидных цепей, с активными группами анионактивного полимера, в результате чего и происходит постепенное смещение пика на кривых TG и DTG (кривая 5).

Очевидно, что термодеструкция модифицированных желатиновых пленок по характеру кривых и, согласно анализа вычисленных показателей, больше подобна термодеструкции АПУ, что указывает на существенное влияние последних на хромированные желатиновые пленки при их физико-химическом и химическом взаимодействии.

Выводы Термические исследования модифицированных АПУ показали их высокую термостойкость,

проявляющуюся в высокой температуре начала термоокислительной деструкции, незначительной потере массы при этом и значительной энергии активации термодеструкционного процесса.

При добавлении анионоактивных полиуретанов к хромированному желатину термодеструкция последнего происходит медленнее, со значительно большими энергетическими затратами, что говорит о



химической модификации пленок хромированного желатина анионактивным полиуретаном. Таким образом, показано, что при модификации анионактивного полиуретанового

пленкообразователя для кожи природными материалами его термостабильность повышается. Это связано с протеканием целого ряда химических реакций между органической и неорганической частями системы с формированием новой структуры.

Сравнительный анализ термических характеристик исследованных исходных и модифицированных композиций подтверждает данные спектральных исследований [19], которые обнаруживают образование дополнительных связей между активными группами полиуретана, белка и хромового дубителя, что, в свою очередь, допускает возникновение такого же взаимодействия при покрывном крашении кож анионактивным полиуретаном.


1. Отделка кож / [И. П. Страхов, А. А. Головтеева, Д. А. Куциди, Л. Б. Санкин]; под ред. И. П.

Страхова. – М.: Легкая и пищевая пром-сть, 1983. – 360 с. 2. Пат. 2160784 Россия, МПК7 С 14 С 11/00, 13/00. Способ отделки кожи для одежды / Кунц М. И.,

Шлык Г. Г., Кривошеева Н. А. и др.; заявл. 27.03.2000; опубл. 20.12.2000, Бюл. 35. 3. Ковтуненко О. В. Compositions based on acrylate copolymer and collagen-comprising product / О. В.

Ковтуненко, Т. В. Травинська // IV Українсько-Польська наукова конференція: тези доп. – Дніпропетровськ: КДХТУ, 2006. – С. 94.

4. Пат. 69894 А Україна, МПК7 С14 С11/00. Склад для оздоблювання натуральної шкіри / Ковтуненко О. В., Журавський В. А., Касьян Е. Є., Горбачов А. А.; заявник та патентовласник Київський національний університет технологій та дизайну. – 20031211521; заявл. 12.12.03; опубл. 15.09.04, Бюл. 9.

5. Jiawen Xiong. Reinforcement of polyurethane composites with an organically modi.ed montmorillonite / Jiawen Xiong, Zhen Zheng, Hongmei Jiang [et al.] // Composites: Part A. – 2007. – 38, No 1. – P. 132– 137.

6. Хачатрян А. В. Использование кремнийорганических препаратов при обработке натуральних кож / А. В. Хачатрян, С. М. Маркарян // Кожевенно-обувная промышленность. – 2008. – 4. – С. 19– 20.

7. Capek I. Nature and properties of ionomer assemblies. II. / Ignác Capek // Advances in Colloid and Interface Science. – 2005. – 118. – Р. 73– 112.

8. Delpech M. Waterborne anionic polyurethanes and poly (urethane-urea)s: influence of the chain extender on mechanical and adhesive properties / M. Delpech, F. Coutinho // Polymer Testing. – 2000. – 19. – Р. 939– 952.

9. Cao X. Preparation and properties of plasticized starch modified with poly (ε-caprolactone) based waterborne polyurethane / X. Cao, P. R. Chang, M. A. Huneault // Carbohydrate Polymers. – 2008. – 71. – Р. 119– 125.

10. Lu Y. Preparation and properties of starch thermoplastics modified with waterborne polyurethane from renewable resources / Y. Lu, L. Tighzert, P. Dole [et al.] // Polymer. – 2005. – 46. – Р. 9863– 9870.

11. Wang Y. Rheological behavior of waterborne polyurethane/starch aqueous dispersions during cure / Y. Wang, A. Lue, L. Zhang // Polymer. – 2009. – 50. – Р. 5474– 5481.

12. Cao X. Structure– properties relationship of starch/waterborne polyurethane composites / X. Cao, L. Zhang, J. Huang [et al.] // Journal of Applied Polymer science. – 2003. – 90. – Р. 3325– 3332.

13. Рабек Я. Экпериментальные методи в химии полимеров / Рабек Я. – М.: Мир, 1983. – Т. 2. – 479 с. 14. Broido A. A simple sensitive graphical method of treating thermogravimetry analyse data / A. Broido //

J. Polym. Sci. – Part A. – 1969. – Vol.7. – 2. – P.1761 – 1773. 15. Михайлов А. Н. Коллаген кожного покрова и основы его переработки / А. Н. Михайлов. – М.:

Легкая индустрия, 1971. – 528 с. 16. Дорофеева И. Б. Физико-химия полиуретанов / И. Б. Дорофеева, В. А. Кособуцкий, О. Г.

Тараканов. – К., 1981. – – С. 76– 78. 17. Shufen L. Studies on the thermal behavior of polyurethanes / L. Shufen, J. Zhi, Y. Kaijun // Polymer

Plastics Technology and Engineering. – 2006. – 45. – Р. 95– 108. 18. Райт П. Полиуретановые эластомеры / П. Райт, А. Камминг. – Л.: Химия, 1973. – 304 с. 19. Ковтуненко О. В. ІЧ-спектральні дослідження поліуретанових іономерів в оздобленні шкіри / О.

В. Ковтуненко, Е. Є. Касьян, С. М. Остапюк // Вісник КНУТД. – 2010. – 4. – С. 302– 307.

Надійшла 28.9.2012 р. Рецензент: д.т.н. Параска Г.Б.



УДК 677.862.52 Д.Г. САРИБЕКОВА

Херсонский национальный технический университет

ИССЛЕДОВАНИЕ ФТОРОРГАНИЧЕСКИХ ПРЕПАРАТОВ ФИРМЫ «ROTTA»

ДЛЯ ПРИДАНИЯ КОМПЛЕКСА КИСЛОТОЗАЩИТНЫХ СВОЙСТВ ЦЕЛЛЮЛОЗНЫМ ТЕКСТИЛЬНЫМ МАТЕРИАЛАМ

У статті наведені результати ефективності використання фторорганічних препаратів фірми “Rotta”

(Німеччина) для надання целюлозним текстильним матеріалам комплексу кислотозахисних властивостей: ефекту кислотонепроникності, стійкого до багаторазових мильносодових обробок, і кислототривкості по відношенню до 20 % та 50 % сірчаної кислоти.

The results of fluoroorganic usage effectiveness are included in article, product of company ’’Rotta’’ (Germany) for imparting to cellulose textile materials acidresistant properties: acidimpermeability effect resistant to multiple soupsoda treatments, and acidresistance to 20 % and 50 % sulfuric acid.

Ключові слова: кислотозахисна обробка, кислотонепроникність, кислотостійкість, целюлозний текстильний матеріал.

Введение

Защитные свойства текстильных материалов при контакте с агрессивными жидкостями (например, с растворами кислот) оцениваются двумя показателями: химической устойчивостью и степенью проницаемости по отношению к определенному объему агрессивной среды. Оба этих показателя важны для эксплуатационной характеристики тканей. Кроме того, большое значение для практического использования текстильных изделий с защитными свойствами имеет устойчивость сообщаемой отделки к стиркам и химическим чисткам. Так как специальная одежда по мере эксплуатации подвергается загрязнению, то снятие загрязнений путем стирки или химической чистки неизбежно приводит к изменению защитного эффекта, в большинстве случаев уменьшая его. Устойчивость той или иной отделки ткани к чистке является существенным показателем эксплуатационных свойств тканей и изделий из них.

Анализ предыдущих исследований и постановка проблемы Анализ патентной и периодической литературы, посвященной процессам придания

кислотозащитных свойств текстильным материалам, позволяет отметить, что не существует отдельного класса препаратов, предназначенных для кислотозащитной отделки, и для этой цели используются отдельные гидрофобизаторы [1]. Для кислотозащитной отделки тканей специального назначения предлагаются, в основном, фторсодержащие соединения с различными наполнителями, например стиролом или N-метилолметакриламидом [2]. Однако, несмотря на многообразие фторорганических препаратов, используемых для специальных видов отделки, сведений об их использовании для кислотозащитной отделки в литературе имеется недостаточно, они противоречивы и не обобщены.

Цели исследования Целью работы являлось исследование фторорганических отделочных препаратов фирмы “Rotta” для

придания комплекса кислотозащитных свойств целлюлозным текстильным материалам. Объекты и методы исследований

В настоящее время фирма «Rottа» (Германия) поставляет на украинский рынок новые гидрофобизирующие фторорганические препараты под торговым названием Диполит 450 и Диполит 481. В работе исследовано влияние концентрации указанных препаратов на кислотоотталкивающий эффект и его устойчивость в процессе эксплуатации. Концентрация отделочных препаратов в пропиточной ванне варьировалась в пределах от 5 до 50 г/л. В работе использовалась хлопчатобумажная ткань производства ЧШК: арт. 5014, ткацкое переплетение – основная саржа 3/1 (раппорт переплетения по основе и утку – 4).

Отделка хлопчатобумажной ткани фторсодержащими составами включала операции: пропитка на двухвальной плюсовке с двойным погружением и двойным отжимом до остаточной влажности 80 %, сушка при температуре 120 0С, термофиксация при температуре 150 0С 5 мин. Кислотозащитные свойства ткани определяли по отношению к 20 % и 50 % серной кислоте. Критерием оценки кислотозащитных свойств являлся показатель кислотонепроницаемости. Согласно ГОСТ 11209 – 85 [3] ткань считается кислотозащитной, если капли, нанесенные на ткань, остаются на поверхности, не впитываясь в нее, в течение 6 часов.

Необходимо отметить, что имеющиеся в литературе данные об устойчивости отделки текстильных материалов на основе фторорганических препаратов к стирке весьма противоречивы. Поскольку большая часть информации указывает на неустойчивость сообщаемого эффекта к мыльно-содовым обработкам, как основной недостаток защитной отделки, поэтому в настоящей работе особое внимание было уделено изучению кинетики устойчивости полученного эффекта к стиркам в зависимости от технологических параметров отделки. Мыльно-содовую обработку образцов проводили по ГОСТ 12.4.049– 78 [4].

Результаты исследований и их обсуждение В табл. 1 представлены результаты влияния концентрации фторорганических препаратов фирмы

«Rottа» на кислотонепроницаемые свойства хлопчатобумажной ткани арт. 5014 при воздействии 50 %



серной кислоты.

Таблица 1 Влияние концентрации фторорганических препаратов фирмы «Rottа» на кислотонепроницаемые

свойства хлопчатобумажной ткани арт. 5014 при воздействии 50 % серной кислоты Диполит 481 Концентрация препарата, г/л

5 8 10 13 15 20 25 30 50

Конц. препарата в пересчете на абсолютно сухое вещество

1,6 2,6 3,2 4,2 4,8 6,4 8,0 9,6 16,0

Устойчивость эффекта к стиркам, количество стирок

0 0 1– 3 3– 4 6– 7 9– 10 9– 10 10 10+

Диполит 450 Концентрация препарата, г/л 10 20 30 50 Конц. препарата в пересчете на абсолютно сухое вещество 2,2 4,4 6,6 11 Устойчивость эффекта к стиркам, количество стирок 0 5 – 6 10 10+

Анализ данных, представленных в табл. 1, свидетельствует, что исследуемые препараты

обеспечивают кислотонепроницаемые свойства хлопчатобумажной ткани. Можно отметить, что устойчивость эффекта к стиркам находится в прямой зависимости от концентрации фторорганических веществ в пропиточных составах. Использование Диполита 481 в концентрации менее 10 г/л не обеспечивает получение эффекта, устойчивого к стиркам. Увеличение концентрации до 20 г/л позволило получить кислотозащитный эффект, устойчивый к 10 стиркам. Однако, используя визуальный метод оценки, можно отметить, что абсолютно идеально капли 50 % серной кислоты находятся на поверхности ткани на образцах, подвергнутых до 7-и циклов мыльно-содовых обработок; капли имеют выпуклую форму, не растекаются, прозрачные. На изнаночной стороне не наблюдается изменений окраски в местах нанесения капель. После многократных стирок (8 – 10 циклов) капли продолжают оставаться на поверхности материала, не проникая в глубину, однако их форма менее выпуклая, за время экспозиции (6 часов) теряют форму, приобретают слабо видимую окраску текстильного материала, на лицевой и изнаночной сторонах появляются ореолы, особенно заметные на изнаночной стороне.

При использовании Диполита 450 придание кислотозащитного эффекта, устойчивого к 10 мыльно-содовым обработкам, достигается при концентрации 30 г/л. Необходимость увеличения концентрации Диполита 450 по сравнению с Диполитом 481 для получения аналогичного эффекта, по-видимому, объясняется меньшей концентрацией сухого вещества в отделочном препарате (Диполит 450 – 22 %, Диполит 481 – 32 %).

В результате проведенных исследований можно сделать вывод, что использование препаратов Диполит 450 и Диполит 481 при оптимальных концентрациях обеспечивает получение эффекта кислотонепроницаемости, устойчивого к многократным мыльно-содовым обработкам. Таким образом, обработка фторсодержащими веществами фирмы «Rottа» приводит к образованию в процессе термофиксации на поверхности ткани прочно связанной с целлюлозой волокна кислотозащитной пленки, эффективно защищающей поверхность ткани при воздействии серной кислоты 50 % концентрации.

Визуальная оценка текстильных материалов после 6 часов экспозиции свидетельствует о придании текстильному материалу так называемого «перл-эффекта». Поэтому нами рекомендовано в качестве сравнительного эталона использовать фотографии образцов ткани, обработанных препаратом Диполит 450 (30 г/л) или Диполит 481 (20 г/л), с нанесенными каплями серной кислоты после многократных мыльно-содовых обработок и 6 часов экспозиции.

Поскольку утверждать о достижении абсолютной величины кислотонепроницаемости целлюлозосодержащего текстильного материала не представляется возможным, то следует отметить, что ткань, обработанная препаратами марки Диполит (Германия, «Rottа»), приобретает максимально возможную защиту поверхности при жидкостно-капельном способе воздействия агрессивных водных растворов.

Придание целлюлозосодержащему текстильному материалу комплекса кислотозащитных свойств представляет довольно сложную задачу, что связано, в первую очередь, с невысокой устойчивостью целлюлозы к воздействию кислот.

Как показывает практика, большинство исследований направлено на придание кислотонепроницаемости, и не уделяется должного внимания процессу придания тканям кислотостойкости. В научно-технической литературе отсутствуют данные о влиянии природы препаратов для заключительной отделки на кислотостойкость текстильных материалов различного волокнистого состава.

Кислотостойкость определяется снижением величины разрывной нагрузки ткани по основе и утку после воздействия раствора серной кислоты заданной концентрации. В соответствии с ГОСТ 16166 – 80 [5] снижение разрывной нагрузки ткани после обработки в серной кислоте не должно превышать 15 %.



В научно-технической литературе сформировалось мнение о том, что фторсодержащие соединения являются универсальными отделочными препаратами для получения комплекса всех видов специальной заключительной отделки (кислото-, олео-, гидрофобной, грязеотталкивающей). Однако при этом недостаточно сведений о длительном воздействии кислоты на внутреннюю поверхность волокна, обработанного фторсодержащими аппретами. В связи с этим необходимо было исследовать влияние фторсодержащих препаратов на придание кислотостойкости хлопчатобумажной ткани при воздействии 20 % и 50 % серной кислоты.

Для изучения закономерности изменения физико-механических показателей и характера деструкции целлюлозы под действием кислоты исследован процесс изменения кислотостойкости тканей, обработанных фторорганическими препаратами марки Диполит («Rotta», Германия), которые, как было показано выше, обеспечивают высокий показатель кислотонепроницаемости и его устойчивость к многократным мыльно-содовым обработкам. Кислотостойкость отделанных тканей определялась по отношению к 20 % и 50 % серной кислоте. Ткань выдерживалась в кислоте в течение 1 часа.

Полученные экспериментальные данные были оценены с помощью методики статистической обработки, которая предусматривает математическое ожидание истинного значения исследуемого показателя при значении критерия Стьюдента, соответствующего доверительной вероятности 95 %.

Данные, характеризующие снижение разрывной нагрузки обработанной хлопчатобумажной ткани по основе и утку после воздействия растворов кислоты, приведены в табл. 2.

Таблица 2

Снижение разрывной нагрузки хлопчатобумажной ткани арт. 5014 после отделки и воздействия растворов серной кислоты

Снижение разрывной нагрузки, % после воздействия после

аппретирования 20 % H2SO4 50 % H2SO4 Препарат и концентрация, г/л

основа уток основа уток основа уток Необработанная ткань – – 16,6 22,4 27,6 33,1 Диполит 481, 20 3,5 4,1 9,0 17,7 26,2 25,4 Диполит 450, 30 7,3 8,4 4,1 14,0 10,4 21,2

Анализ данных, приведенных в табл. 2, свидетельствует о том, что величина снижения прочности

хлопчатобумажной ткани, обработанной фторсодержащим аппретом, после воздействия 50 % серной кислоты по основе и утку находится в диапазоне 20 – 26 %. Это значительно превышает допустимый показатель, предусмотренный ГОСТом (не более 15 %). Снижение разрывной нагрузки после воздействия 20 % H2SO4 также достаточно значительное и составляет по основе 4– 9 %, а по утку – 14– 18 %.

Таким образом, можно отметить, что при использовании исследуемых фторорганических препаратов, обеспечивающих получение эффекта кислотонепроницаемости, устойчивого к многократным мыльно-содовым обработкам, кислотостойкости текстильного материала по отношению к 20 % и 50 % серной кислоте достигнуть не удается.

Выводы Таким образом, обобщая вышеизложенное, можно сделать главный вывод, что фторорганические

препараты, обеспечивая максимальное снижение поверхностного натяжения ткани за счет создания на поверхности текстильного материала пленки, что является обязательным условием для обеспечения кислотонепроницаемости (т.е. защита внешней поверхности от воздействия кислоты), недостаточно или совершенно не обеспечивают должную защиту внутреннего объема волокна (при продолжительном внешнем и внутреннем – объемно-жидкостном – воздействии растворов кислоты), что приводит к значительному снижению прочности волокон.

В соответствии с вышеприведенными результатами дальнейшие исследования должны быть направлены на совершенствование показателей качества кислотозащитной отделки составами на основе фторорганических веществ, а также на разработку отделочных композиций, обеспечивающих придание целлюлозосодержащим текстильным материалам комплекса кислотозащитных свойств (кислотонепроницаемости и кислотостойкости).


1. Кричевский Г.Е. Химическая технология текстильных материалов: [учеб. для вузов]: в 3 т. /

Кричевский Г.Е. – М., 2001. – Т. 3 – 298 с. 2. Сарибекова Д.Г. Специальные виды заключительной отделки текстильных материалов. Придание

тканям кислотозащитных свойств / Д.Г. Сарибекова // Проблемы легкой и текстильной промышленности Украины – 2002. – 6. – С. 61– 66.

3. Ткани хлопчатобумажные и смешанные для спецодежды. Технические условия: ГОСТ 11209 – 85. – [Действует с 1986-07-01]. – М.: Из-во стандартов, 1985. – 14 с.

4. Ткани хлопчатобумажные и смешанные для спецодежды. Метод определения устойчивости к



стирке: ГОСТ 12.4.049 – 78. – [Действует с 1979-07-01]. – М.: Из-во стандартов, 1988. – 27 с. 5. Ткани полушерстяные для кислотозащитной спецодежды. Технические условия: ГОСТ 16166 –

80. – [Действует с 1982-01-01]. – М.: Из-во стандартов, 1980. – 7 с.

Надійшла 21.9.2012 р. Статтю представляє: д.т.н. Сарибекова Д.Г.

УДК 677.84

Л.А. НЕСТЕРОВА Херсонский национальный технический университет

ИЗУЧЕНИЕ МЕТОДОМ ИК-СПЕКТРОСКОПИИ МЕХАНИЗМА

ДЕЙСТВИЯ ОРГАНИЧЕСКИХ ИНТЕНСИФИКАТОРОВ НА ПРОЦЕСС КРАШЕНИЯ АКТИВНЫМИ КРАСИТЕЛЯМИ

В статті наведено результати досліджень методом ІЧспектроскопії структурної взаємодії органічних

інтенсифікаторів з целюлозою. Показано, що використання досліджуваних інтенсифікаторів у процесі фарбування бавовняних текстильних матеріалів активними барвниками сприяє зміцненню кристалічної структури волокна і підсиленню взаємодії барвника з целюлозою.

In the article the results of the researches by the IRspectroscopy of the structural interaction of organic intensifiers with cellulose are given. It is shown that the use of the intensifiers in the investigated of the cotton textile dyeing with reactive dyes promotes the crystal structure of the fiber and increases the interaction of a dye with cellulose.

Ключові слова: активні барвники, ІЧ‐спектроскопія, органічні інтенсифікатори. В последнее время в связи с ростом требований к качеству производимой продукции наблюдается

тенденция создания экономичных и ресурсосберегающих технологий, позволяющих получать конкурентоспособную продукцию.

Анализ последних исследований и публикаций Анализ существующих способов интенсификации процесса крашения хлопчатобумажных

текстильных материалов активными красителями свидетельствует о том, что наиболее перспективной является химическая интенсификация [1– 5], которая подразумевает применение новых, более эффективных текстильно-вспомогательных веществ, а также специфических химических приемов, не требуя при этом дополнительных энергозатрат и сложного технологического оборудования.

В ранее проведенной работе [6] установлено, что введение в красильный состав интенсификаторов С2 и К1 приводит к увеличению количества сорбированного волокном красителя, сокращает время половинного крашения.

Формулировка целей исследования Целью исследования являлось изучение характера взаимодействия органических интенсификаторов

с макромолекулой целлюлозы с применением современного аппаратного метода – инфракрасной спектроскопии, что позволит определить механизм интенсифицирующего действия исследуемых соединений.

Изложение основного материала Исследование проводилось на ИК-Фурье спектрометре с помощью приставки НПВО с алмазным

кристаллом. Предмет исследования – хлопчатобумажная ткань арт. 3В1 – 157 – 4КД, окрашенная активными

красителями Drimarene Orange CL-3R и Drimarene Navy Blue – CLR в присутствии интенсификаторов С2 (0,25 г/л) и К1 (1 г/л).

Крашение проводилось периодическим способом по технологии, рекомендуемой производителем, с введением органических интенсификаторов одновременно с электролитом.

Результаты ИК-спектроскопических исследований хлопчатобумажного текстильного материала окрашенного активными красителями Drimarene Orange CL-3R и Drimarene Navy Blue – CLR представлено на рис. 1 и 2.

Спектр образца (рис. 1) характеризуется присутствием интенсивной полосы при 3290 см-1, характерной для валентных колебаний ОН групп, связанных водородной связью. Полоса при ν = 2897 см-1 характерна для валентных С-Н колебаний. Окрашивание не затрагивает С-Н связи (интенсивность полосы при 2890 см-1 остаётся без изменений), тогда как интенсивность О-Н колебаний заметно снижается. Особенно это заметно для ряда полос деформационных колебаний при 1150-1000 см-1. Таким образом, не вызывает сомнения, что краситель взаимодействует с основой по ОН-группам последней.



Рис. 1. ИК-спектры образцов хлопчатобумажной ткани: 1 – неокрашенной;

2 – окрашенной активным красителем Drimarene Orange CL-3R


2 – окрашенной активным красителем Drimarene Navy Blue – CLR Характерной особенностью (рис. 2) является увеличение интенсивности спектра окрашенного

образца исключительно в области 662-436 см-1, что свидетельствует о возрастании кристалличности целлюлозы. Интенсивность остальных полос остаётся без изменений, хотя в области валентных колебаний гидроксильных групп наблюдается небольшое изменение формы контура огибающей. Рост интенсивности полосы при 1601см-1 отвечает увеличению содержания в окрашенном образце кристаллизационной воды.

Влияние интенсификатора класса спиртов С2 на ИК-спектры хлопчатобумажной ткани окрашенной активными красителями Drimarene Orange CL-3R и Drimarene Navy Blue – CLR представлено на рис. 3, 4.

Согласно полученных данных (рис. 3), окрашивание осуществляется за счёт взаимодействия красителя с гидроксильными группами целлюлозы, при этом присутствие интенсификатора (С2) усиливает это взаимодействие (количество связанных красителем ОН-групп резко увеличивается, что приводит к снижению интенсивности валентных и деформационных О-Н колебаний). Это отчётливо заметно при сравнении рис. 1 и 3, при этом С-Н связи, как и в случае образца окрашенного без применения интенсификатора, остаются незатронутыми. Обращает на себя внимание тот факт, что в обоих случаях (образец, окрашенный без введения и с введением итенсификатора) наблюдается резкое уменьшение интенсивности полос в области 660-400 см-1, то есть наблюдается изменение структуры волокна.




2 – окрашенной активным красителем Drimarene Orange CL-3R с введением С2


2 – окрашенной активным красителем Drimarene Navy Blue – CLR с введением С2


2 – окрашенной активным красителем Drimarene Orange CL-3R с введением К1 Присутствие С2 в качестве интенсификатора (рис. 4) приводит к росту интенсивности полос



валентных (3274 см-1) и деформационных (1158, 1026 см-1 и др.) колебаний гидроксильных групп, при этом возрастает также взаимодействие между кристаллическими структурами целлюлозы.

На рис. 5, 6 представлено влияние интенсификатора класса карбоновых кислот (К1) на процесс крашения активными красителями Drimarene Orange CL – 3R и Drimarene Navy Blue – CLR.

Присутствие К1 приводит к существенному снижению интенсивности всего спектра образца (рис. 5), что свидетельствует не только о взаимодействии красителя с ОН-группами целлюлозы, но также и об изменении поверхностной структуры ткани. Кроме того, следует особо отметить, что наблюдается изменение формы контура полосы (огибающей ν (О-Н) = 3275 см-1), что является следствием некоторой избирательности взаимодействия красителя с различными гидроксильными группами целлюлозы.


2 – окрашенной активным красителем Drimarene Navy Blue – CLR с введением К1 При крашении активным красителем Drimarene Navy Blue – CLR в присутствии К1 (рис. 6)

наблюдается изменение интенсивности полосы валентных колебаний гидроксильных групп (полоса при 3275 см-1), что говорит о вступлении части гидроксильных групп в реакцию; одновременно уменьшаются по интенсивности полосы деформационных колебаний гидроксильных групп (1158 см-1, 1026 см-1 и др.); также уменьшаются полосы, ответственные за взаимодействие между кристаллическими структурами полимера (526-434 см-1), вероятно, в результате снижения кристалличности целлюлозы (полоса при 901 см-1).

Выводы Таким образом, можно сделать вывод, что использование исследуемых интенсификаторов в

процессе крашения активными красителями хлопчатобумажных текстильных материалов, способствует укреплению кристаллической структуры волокна и усилению взаимодействия красителя с целлюлозой.


1. Коляганова О.В. Тенденции в красильно-отделочной технологии текстильных материалов / О.В.

Коляганова, Е.В. Дербишер, В.Д. Васильева, В.Е. Дербишер // Современные наукоемкие технологии. – 2007. – 10. – С. 32– 33.

2. Мельников Б.Н. Теория и практика интенсификации процессов крашения / Б.Н. Мельников, П.В. Морыганов. – М.: Лёгкая индустрия, 1969. – 272 с.

3. Островская А.В. Исследование влияния гидротропных агентов на реакционную способность активных красителей / А.В. Островская // Проблемы легкой и текстильной промышленности Украины. – 2011. – 1 (17). – С. 65– 68.

4. Хвала А. Текстильные вспомогательные вещества: [справ. пос.]: в 2 ч. / А. Хвала, В. Ангер. – М.: Легпромбытиздат, 1991. – Ч. 1 – 432 с.

5. Владимирцева Е.Л. Использование ТВВ для улучшения колористических характеристик окрасок прямыми красителями / Е.Л. Владимирцева, Л.В. Шарнина // Технология текстильной промышленности. – 2006. – 4 (292). – С. 42– 46.

6. Нестерова Л.А. Исследование влияния органических интенсификаторов на процесс крашения текстильных материалов / Л.А. Нестерова, Л.Н. Кондратюк, Г.С. Сарибеков // Проблемы легкой и текстильной промышленности Украины. – 2011. – 2 (18). – С. 42– 45.

7. Беллами Л. Инфракрасные спектры сложных молекул / Беллами Л. – М.: Издательство зарубежной литературы, 1963. – 591 с.

Надійшла 21.9.2012 р. Рецензент: д.т.н. Сарибеков Г.С.



РАДІОТЕХНІКА, ЕЛЕКТРОНІКА ТА ТЕЛЕКОМУНІКАЦІЇ

УДК 004.2

А.С. ЛЯПАНДРА Тернопільський національний економічний університет

ЗМЕНШЕННЯ ЧАСОВИХ ЗАТРИМОК ПЛІС

У РЕКОНФІГУРОВАНИХ КОМП’ЮТЕРНИХ СИСТЕМАХ В статті показано актуальність задачі підвищення продуктивності реконфігурованих комп’ютерних

систем (РКС) шляхом зменшення часових затримок ПЛІС. На основі аналізу процесу проектування виявлено необхідність підвищення ефективності проектування РКС на рівні концептуального проектування при виборі апаратних засобів та врахуванні взаєморозташування критичних до часу структурних блоків ПЛІС та швидкості обміну інформацією ресурсів комунікаційної матриці. Показана можливість використання апаратних ресурсів підвищення часових характеристик сигналів ПЛІС серії Spartan6.

The article shows the urgency of the task productivity reconfigurable computer systems (RCS) by reducing time delays of FPGA. On the basis of the design process revealed the need to improve the design of RCS at the conceptual design of the choice of hardware and taking into account the relative positions critical to the time of building blocks FPGAs and speed of information exchange resources of the communication matrix. The possibility of the use of hardware resources improve time characteristics of signals FPGA series Spartan6.

Ключові слова: продуктивність, реконфігуровані комп’ютерні системи, часові затримки, ПЛІС, концептуальне проектування, комунікаційна матриця.

Постановка задачі

Зважаючи на широке застосування результатів складного математичного моделювання в діяльності людини, існує необхідність у підвищенні продуктивності комп’ютерних систем (КС). Підвищення частоти роботи процесора не призводить до пропорційного зменшення тривалості розв’язання задач, оскільки реальна продуктивність багатопроцесорних обчислювальних систем становить 5– 10 % від пікової [1]. Причиною такої незначної частини реальної продуктивності КС є невідповідність між архітектурою КС та інформаційною структурою задачі, яку розв’язують на даній КС [2]. Поява нової елементної бази – програмованих логічних інтегральних схем (ПЛІС) уможливила створення комп’ютерних систем з архітектурою, яку реконфігурують відповідно до структури задачі – реконфігурованих комп’ютерних систем (РКС). Зменшення вартості ПЛІС та збільшення логічних комірок створює передумови до широкого впровадження таких систем, а тому задача аналізу апаратних засобів з метою зменшення часових затримок ПЛІС реконфігурованих комп’ютерних систем є актуальною.

Проектування реконфігурованих комп’ютерних систем Проектування РКС полягає в проведенні комплексу робіт з метою отримання технічної

документації на всю або певну частину КС, що дає можливість реалізувати нову або модернізувати існуючу з заданими властивостями і функціонуванням у визначених умовах. Для цього проводять певні проектні процедури, такі як синтез функціональної схеми КС, моделювання, верифікація, трасування та ін. Послідовність проектних процедур утворює рівень проектування. Залежно від складності системи застосовують каскадний, поетапний або спіралеподібний маршрут проектування. Оскільки КС є складними системами, то необхідно застосувати спіралеподібний маршрут проектування. Для нього характерними є наявність декількох рівнів, кроків та ітерацій, з верифікацією та оптимізацією отриманих результатів на кожному етапі та з можливістю повернення назад і переглядом попередніх рішень [3].

Пропонується застосувати низхідне проектування у якому об’єктом проектування є КС та їх блоки на високому рівні абстракції, тобто корінь дерева, а тому характеристики специфікації системи відомі вже на початкових етапах проектування. Мінімальною інформацією, яку необхідно вказати у технічному завданні є функції КС або їх блоків, ієрархічний поділ на блоки. Проводять оптимізацію отриманих примітивів нижчого рівня за заданими у технічному завданні критеріями. Рух вниз завершується проектуванням примітивів найнижчого рівня (листя) проекту. Кінцевим результатом спадного проектування є структурне або схемне представлення проекту. На сьогоднішній час намітилася тенденція до застосування низхідного руху при проектуванні КС у зв’язку з чим найбільший час проектування КС припадає на системний рівень, а основну роботу виконують інженери-системотехніки [3].

Застосування низхідного проектування дає можливість створити специфікації проекту із заданими функціональними вимогами, що зменшує ймовірність отримання непрацездатної КС; отримати на системному рівні ефективні тести для верифікації та атестації проекту, тест-вектори для контролю спроектованих КС.

Недоліком низхідного проектування є можливість отримання необхідності застосування нестандартних компонент КС, що може бути причиною збільшення загальної вартості проекту. Проте внаслідок застосування сучасної елементної бази вплив цього недоліку нівелюється. Тому все більшого застосування при проектуванні КС набувають замовні мікросхеми та ПЛІС, що характеризується єдиним поглядом в області розроблення маршрутів проектування КС внаслідок широкого застосування ПЛІС при



проектуванні замовних мікросхем на етапі прототипування з одного боку, та перехід реалізації вдалих проектів від застосування ПЛІС до замовних мікросхем – з іншого.

Спочатку проектування КС проводиться на концептуальному рівні, на якому визначають загальну архітектуру та структуру КС або її блоків, алгоритми їх функціонування. На початковому етапі розробляють систему технічних завдань, згідно з якими створюють технічний проект з описом алгоритмів функціонування всіх компонент КС [3].

Складність КС ставить вимогу щодо її проектування у тісній співпраці декількома групами проектантів. Тому для коректної передачі відомостей між цими групами застосовують специфікації проекту – віртуальні моделі системи. Тому при формалізації процесу проектування обчислювальних пристроїв та систем на базі ПЛІС застосовують математичні описи функціональних, динамічних та структурних моделей. Кожна з цих моделей описує відповідну частину КС [4].

Цільовою функцією концептуального рівня є отримання загальної специфікації КС. Специфікацію виконують на мові високого рівня (як правило, С/С++) безвідносно до конкретної КС. На основі специфікації досліджують варіативну множину структур, архітектур, алгоритмів КС. Шляхом моделювання здійснюють оцінювання їх ефективності, перевіряють відповідність поведінки КС заданій та вибирають оптимальне рішення на основі критеріїв згідно з технічним завданням. Оскільки на основі результатів концептуального проектування паралельно проводять інші види проектування КС, то робота на цьому рівні вимагає високої відповідальності, а допущена помилка призводить до значного здорожчення собівартості проекту та характеризується складністю її виявлення впродовж всього маршруту проектування [3].

Результатом проектуванні КС на концептуальному рівні є загальна специфікація системи (функціональна модель), поведінкова модель, загальна архітектура (для визначення необхідних ресурсів та їх організації).

На концептуальному рівні проектування визначають часову та апаратну складність системи безвідносно до розміщення структурних частин ПЛІС. Оскільки частотні характеристики сучасних КС наближаються до граничного рівня апаратних засобів, то це може викликати виявлення неможливості чи, що значно складніше тестувати, некоректності функціонування такої КС, внаслідок неврахування варіативності часових затримок поширення сигналів різними лінями та магістралями вибраної ПЛІС. При цьому існує необхідність в поверненні на рівень концептуального проектування в частині вибору апаратного засобу і відкоригувати подальші результати процедури проектування.

Для підвищення ефективності проектування КС необхідно ще на рівні концептуального проектування при виборі апаратних засобів врахувати взаєморозташування критичних до часу структурних блоків ПЛІС та швидкість обміну інформацією доступної частини комунікаційної матриці.

Оскільки задача оптимального синтезу КС зводиться до задачі оптимального вибору рішення з попередньо сформованої бібліотеки методів та відповідних архітектур [2], то це дає можливість більш коректно вибрати пару «метод– архітектура» для конкретної проблемної ситуації.

Зменшення часових затримок ПЛІС реконфігурованих комп’ютерних систем Проведемо аналіз структурної організації ПЛІС серії Spartan-6. Програмована логічна інтегральна

схема є електронним компонентом, що характеризується завданням логіки роботи програмним шляхом. Завдяки можливості виконання функцій запам’ятовуючого пристрою, операційного та керуючого автоматів, ПЛІС використовується для реалізації складних пристроїв та систем. Апаратно конфігурування ПЛІС реалізується програматорами. Необхідну структуру пристрою задають в налагоджувальних середовищах у вигляді принципової електричної схеми або програми на спеціальних мовах опису апаратних засобів (Verilog, VHDL, AHDL та ін.). Альтернативою ПЛІС можуть бути програмовані логічні контролери, базові матричні кристали, спеціалізовані замовні великі інтегральні схеми (ВІС), спеціалізовані комп’ютери, процесори, мікроконтролери у порівнянні з якими застосування ПЛІС має такі переваги [1]:

1) наявність бібліотек, що містять широкий спектр компонент від найпростіших логічних елементів до мікропроцесорів, що дає в розпорядження розробнику потужний інструмент проектування та реалізації КС;

2) розробник без сторонньої допомоги програмним чином може багаторазово здійснювати корегування архітектури КС без змін друкованої плати та елементів на ній, що зменшує терміни впровадження КС на ПЛІС;

3) поєднання в межах ПЛІС функціональних блоків, функції яких реалізують різні мікросхеми, що забезпечує зменшення габаритів КС;

4) можливість динамічної реконфігурації КС згідно із задачею, яка планується до виконання. Реконфігурація ПЛІС реалізується за допомогою файла конфігурації для певної ПЛІС,

згенерованого засобами САПР. Можливість зміни структури та взаємозв’язку між блоками даної структури визначає властивість реконфігурованості. Під конфігурацією розуміють певну сукупність апаратних засобів і з’єднань між ними, що дає можливість реалізувати необхідний алгоритм [2]. Апаратно алгоритм реалізують на основі конфігурованих логічних блоків (КЛБ), що утворюють матрицю логічних комірок. Кожен такий блок містить комбінаційну частину, запам’ятовуючий елемент і внутрішні блоки керування та трасування [2]. Тривалість затримки сигналу, що проходить через комбінаційний блок не залежить від функції цього блоку, тобто tкч=const.

Між собою КЛБ з’єднані програмованою матрицею міжз’єднань, яка може бути відмінна в різних серіях ПЛІС. На сьогодні фірма Xilinx пропонує ПЛІС серій Artix-7, Kintex-7, Virtex-7, Spartan-6, Virtex-6,



Spartan-3. Проведемо загальну характеристику та виявимо особливості кристалів з архітектурою FPGA серії Spartan-6, оскільки вони характеризуються значними апаратними ресурсами при доступній вартості, тобто низьким показником ціна/продутивність. Кристали серії Spartan-6 виготовляють за КМОП-технологією 45 нм з дев’ятьма шарами металізації. Архітектура ПЛІС цієї серії відрізняється від структури кристалів сімейств Spartan попередніх серій ефективним поєднанням спеціалізованих апаратних модулів та архітектурних рішень кристалів серій Virtex-5 та Virtex-6 [5].

Стосовно формування та розподілу тактових і керуючих сигналів кристали серії Spartan-6 характеризуються використанням: нової інфраструктури розподілу тактових сигналів, що забезпечує мінімізацію затримок і розбіжності фронтів тактових сигналів, що виникають при розповсюдженні цих сигналів усередині кристалів; впровадженням блоків управління синхронізацією Clock Management Tile (CMT), що поєднують в собі переваги цифрових модулів Digital Clock Manager (DCM) і аналогових модулів фазового автопідстроювання частоти Phase-Locked-Loop (PLL).

У кристалах серії Spartan-6 застосовується система формування та розподілу тактових сигналів, яка має переваги в порівнянні з відповідними ресурсами ПЛІС сімейств Spartan-3, що дає можливість забезпечити вищу продуктивність пристроїв. В основі цієї системи є блоки управління синхронізацією CMT і розгалужена інфраструктура розподілу тактових сигналів усередині кристалів.

Структурно глобальні буферні елементи (BUFG/BUFGMUX) та модулі комутації з’єднані між собою по вертикальній 16-розрядній магістралі. До них під’єднані лінії вхідних тактових сигналів лівого та правого банків введення/виведення, лінії вхідних тактових сигналів верхнього та нижнього банків введення/виведення, лінії тактових сигналів від PLL/DCM. Почергово на мультиплексори горизонтальних ліній передачі тактових сигналів подаються попарно сигнали від:

1) вертикальної магістралі та модуля DCM (х2); 2) вертикальної магістралі та блоку управління синхронізацією CMT. CMT утворений модулями

PLL та DCM (х2). Сигнали з мультиплексорів горизонтальних ліній передачі тактових сигналів подаються на

горизонтальні лінії передачі тактових сигналів. Структура блоків управління синхронізацією CMT кристалів серії Spartan-6 містить ті ж

компоненти, що і в ПЛІС серії Virtex-5. Кожен блок управління синхронізацією кристалів сімейств Spartan-6 LX і Spartan-6 LXT містить два DCM і PLL. Кількість блоків управління синхронізацією CMT в кристалах даної серії залежить від типу ПЛІС і знаходиться в межах від двох до шести.

Оскільки ПЛІС серії Spartan-6 утворена двома сімействами кристалів: Spartan-6 LX і Spartan-6 LXT, то їх необхідно розглянути окремо. Так, ПЛІС сімейства Spartan-6 LX орієнтовані для реалізації проектів пристроїв, що виконуються на базі стандартних логічних ресурсів (конфігурованих логічних блоків CLB, блокової пам’яті Block RAM). У цьому сімействі є вісім типів кристалів, що характеризуються різним об’ємом доступних ресурсів та функціональних можливостей (таблиці 1) [5].

Таблиця 1

Основні параметри ПЛІС сімейства Spartan-6 LX [5] Тип кристала Тип ресурсів

ПЛІС XC6SLX4 XC6SLX9 XC6SLX16 XC6SLX25 XC6SLX45 XC6SLX75 XC6SLX100 XC6SLX150Логічні ресурси

Кількість секцій

600 1430 2278 3750 6822 11 662 15 822 23 038

Загальна кількість КЛБ

4800 11 440 18 224 30 064 54 576 93 296 126576 184304

Кількість логічних осередків

3840 9152 14 579 24 051 43 661 74 637 101 261 147 443

Модулі синхронізації Кількість CMT

2 2 2 2 4 6 6 6

Кількість DCM

4 4 4 4 8 12 12 12

Кількість PLL

2 2 2 2 4 6 6 6

ПЛІС сімейства Spartan-6 LXT орієнтовані на розробку телекомутаційних пристроїв і вбудованих

мікропроцесорних систем, що використовують високошвидкісні інтерфейси передачі даних. Архітектура кристалів цього сімейства відрізняється від архітектури ПЛІС сімейства Spartan-6 LX наявністю високошвидкісних приймачів RocketIO типу GTP і апаратних блоків інтерфейсу PCI Express. Присутність в кристалах сімейства Spartan-6 LXT достатньо великої кількості апаратних секцій цифрової обробки сигналів DSP48A1 дає можливість також ефективно застосовувати їх для реалізації пристроїв ЦОС. Інформація щодо доступних логічних і спеціалізованих апаратних ресурсів синхронізації сигналів кристалів сімейства



Spartan-6 LXT наведено в таблиці 2.

Таблиця 2 Основні параметри ПЛІС сімейства Spartan-6 LXT [5]

Тип кристала Тип ресурсів ПЛІС

XC6SLX25T XC6SLX45T XC6SLX75T XC6SLX100T XС6SLX150T Логічні ресурси

Кількість секцій 3750 6822 11 662 15 822 23 038 Загальна кількість КЛБ 30 064 54 576 93 296 126 576 184304 Кількість логічних осередків

24 051 43 661 74 637 101 261 147 443

Модулі синхронізації Кількість CMT 2 4 6 6 6 Кількість DCM 4 8 12 12 12 Кількість PLL 2 4 6 6 6

Проведемо аналіз спеціалізованих

апаратних ресурсів зменшення затримок сигналів. Цифрові модулі DCM виконують такі функції [5]: формування сигналів синхронізації з частотою вхідного тактового сигналу з різними значеннями фазового зсуву; ділення частоти вхідного сигналу синхронізації на фіксоване значення, що знаходиться в межах від 1,5 до 16; формування сигналів синхронізації з подвоєним значенням частоти вхідного тактового сигналу; усунення розбіжності фронтів тактових сигналів, що виникають при розповсюдженні цих сигналів усередині кристалів або на друкованих платах; цифровий синтез сигналів з частотою, яка визначається шляхом множення та ділення частоти вхідного сигналу синхронізації в межах допустимого діапазону, з можливістю динамічного управління; автономна генерація сигналів синхронізації. Основні спеціалізовані апаратні ресурси ПЛІС зменшення затримок сигналів показані на рисунку 1.

Модулі фазового автопідстроювання частоти PLL можуть здійснювати функції як синтезу вихідних сигналів з різними значеннями частоти, так і підвищення стабільності вхідних і вихідних сигналів блоків управління синхронізацією CMT. Ці модулі підтримують широкий діапазон частот вхідних сигналів: від 19 до 500 МГц. При цьому керований напругою генератор, який є основним елементом модулів фазового автопідстроювання частоти, дає

Рис. 1. Основні спеціалізовані апаратні ресурси ПЛІС

зменшення затримок сигналів: 1 – горизонтальні лінії передачі тактових сигналів; 2 – блоки керування синхронізацією CMT; 3

– мультиплексори горизонтальних ліній передачі тактових сигналів; 4 – лінії вхідних тактових сигналів лівого та правого банків введення/виведення; 5 – лінії тактових сигналів від

PLL/DCM 6 – вертикальна магістраль; 7 – глобальні буферні елементи/мультиплексори BUFG/BUFGMUX (16) і модуль комутації; 8 – лінії вхідних тактових сигналів верхнього та

нижнього банків введення/виведення

можливість формувати вихідні сигнали зі значеннями частот, що сягають 1 ГГц. Модулі DCM і PLL використовують для формування необхідної сукупності тактових сигналів як

незалежно один від одного, так і у вигляді каскадних з’єднань DCM-PLL або PLL-DCM. Для зменшення часових затримок ПЛІС реконфігурованих комп’ютерних систем за основу

прийнято методику формалізації процесу проектування обчислювальних пристроїв та систем на базі ПЛІС [4] згідно з якою конструктиви B = b розділимо на дві множини: множина блоків ПЛІС ВС та множина елементів комунікаційних мереж BN. Множину блоків ПЛІС представимо областю (d1-dn):

ВС = <BСd1l1,…,ВСdnln>. (1)Множина комунікаційних мереж BN утворена множиною глобальних BNs та локальних BNd мереж:

ВN = <BNs, ВNd>. (2)Глобальні мережі поділяються на горизонтальні BNs1 та вертикальні BNs2. Локальні мережі – на

long line BNllcl, hex-line BNll8, double-line BNll2, direct-line BNll1. ПЛІС представимо як матрицю скінченної кількості структурних елементів:

ВС = <BСd1l1,…,ВСdnln, BNllcl1,…, BNllcln, BNll81,…, BNll8n, BNll21… BNll2n, BNll11… BNll1n>, (3)Процес проектування зводиться до розв’язання задачі синтезу структури на базі конструктивів b

алфавіту B. Представимо його прямо направленим графом, згідно з яким задача проектування D може бути



розв’язана на основі конструктиву B. Кожен елемент характеризується обчислювальною складністю, тобто відповідною апаратною xb та часовою tb. Розв’язання задачі синтезу полягає у виборі серед множини згенерованих альтернативних структур на базі конструктиву В однієї структури, яка задовольняє необхідний критерій. У випадку поставлення вимоги підвищення швидкодії РКС таким критерієм є зменшення часової tb складності. Тому задача синтезу структури РКС зводиться до вибору серед множини альтернативних структур ВС = <BСd1l1,…,ВСdnln, BNllcl1,…, BNllcln, BNll81,…, BNll8n, BNll21… BNll2n, BNll11… BNll1n> такої структури ВС, яка мінімізує цільову функцію:

b c n

bcnbcn tbT min , (4)

з врахуванням відповідних апаратних обмежень на реалізацію структури ВС

b c n

bcnbcn tbQ min .

Висновки В роботі показано, що для підвищення ефективності проектування РКС на рівні концептуального

проектування при виборі апаратних засобів існує потреба врахувати взаєморозташування критичних до часу структурних блоків ПЛІС та швидкість обміну інформацією доступної частини комунікаційної матриці. Наведено апаратні ресурси підвищення часових характеристик сигналів ПЛІС серії Spartan-6. Визначено цільову функцію та апаратні обмеження на реалізацію структури.


1. Каляев А.В. Многопроцессорные вычислительные системы с программируемой архитектурой на

основе ПЛИС / А.В. Каляев, И.А. Каляев, И.И. Левин / Вестник ЮНЦ РАН, 2004. – С. 24 – 33. 2. Архитектурно-структурная организация, разработка и применение реконфигурируемых

устройств на базе ПЛИС [Текст]: дис.... д-ра техн. Наук: 05.13.05 / Опанасенко Владимир Николаевич; НАН Украины, Институт кибернетики им. В.М.Глушкова. – К., 2007. – 423 с. – Библиогр.: С. 289-308.

3. Бухтеев А.В. Методы и средства проектирования систем на кристалле // Chip News Украина – 2003. – 5. – С. 7– 15.

4. Палагин А.В., Опанасенко В.Н. Реконфигурируемые вычислительные системы. – К.: Просвіта, 2006. – 293 с.

5. All Programmable Technologies from Xilinx Inc [Електронний ресурс]. – San Jose: Xilinx, Inc. 2012. Режим доступа: http://www.xilinx.com.

6. Опанасенко В.М., Лісовий О.М. Формалізація процесу проектування обчислювальних пристроїв та систем на базі ПЛІС // Комп’ютерні засоби, мережі та системи. – 2009. – 8. – C. 58– 63.


Рецензент: д.т.н. Березький О.М.

УДК 681.12 Й.Й. БІЛИНСЬКИЙ, І.В. МИКУЛКА, О.М. СУХОЦЬКИЙ

Вінницький національний технічний університет

МЕТОД ПЕРВИННОЇ ОБРОБКИ ІНТЕРФЕРЕНЦІЙНОГО ЗОБРАЖЕННЯ

В роботі представлено метод обробки інтерференційних картин, за допомогою якого підвищується

точність подальшого визначення шорсткості поверхні. This paper presents a method of processing the interference pattern by which increased the accuracy further

definition shorohovatosti surface. Ключові слова: інтерференція, обробка, шорсткість.

Вступ Шорсткість (мікрогеометрія) поверхні є однією з важливіших характеристик матеріалів і впливає на

стійкість до зношування, контактну жорсткість, корозійну стійкість та інші функціональні характеристики поверхонь. На даний час питання точного оцінювання шорсткості вивчено недостатньо, а оскільки переважна більшість методів є оптичними, то особливо гостро стоїть задача обробки зображень, отриманих тими чи іншими методами [1].

Розробка методик, що дозволяють автоматизувати процес обробки зображень підвищують точність вимірювання шорсткості та являються, на сьогодні, актуальною задачею [2].

Отже, метою роботи є розробка методу первинної обробки інтерференційних зображень для подальшого визначення величини шорсткості поверхні.

Основна частина Явище інтерференції є досить добре вивченим [3–6]. При цьому важливими параметрами для

інтерпретації інтерференційної картини є ширина інтерференційної смуги та різниця ходу пучків.



Відомо, що при явищі інтерференції вихідною інформацією є інтерференційна картина, геометричні розміри якої свідчать про величину шорсткості поверхні.

Ширина (B) інтерференційної смуги залежить від кута падіння α:

22 tg (1)

так як тангенси малих кутів приблизно рівні самим кутах, вираженим у радіанах. З формули 1 випливає, що при зміні кута клина α змінюється ширина спостереження

інтерференційних смуг, які називають смугами рівної товщини. Різниця ходу Δ залежить від кута нахилу:

cos2 d (2)

де – кут нахилу.

Слід відмітити, що в більшості випадків проведених вимірювань точність, з якою відтворюється поверхня (h 0.5%) в межах 20% зашумленості зображення, є в межах норми. При вищих рівнях шуму потребується попередня обробка зображень.

Тому, на основі вище сказаного, запропоновано метод обробки інтерференційних зображень, який включає такі кроки:

1. Отримання інтерференційної картини. 2. Бінаризація інтерференційної картини. 3. Накладання Гаусового фільтру та

низькочастотна фільтрація. 4. Скелетизація інтерференційної картини. 5. Формування середньої лінії вихідної

інтерференційної картини. Для підтвердження запропонованого методу

отримано інтерференційні картини кремнієвої пластини (рис.1) за допомогою інструментального мікроскопа Майкельсона. Очевидно, що зображення є нечітким та розмитим і потребує подальшої обробки.

Рис. 1. Вхідне зображення

Операція бінаризації є однією з найбільш простих і важливих процедур поелементних перетворень і майже завжди передує процесу аналізу та розпізнавання зображень. Вона полягає в зіставленні значення яскравості кожного пікселя зображення з заданим значенням порога.

В бінаризації за нижнім порогом використовується тільки одне значення порога, і вона реалізовується за правилом

,),(,1

;),(,0),(

tnmf

tnmfnmf

(3)

де f (m, n) – яскравість пікселя на вихідному зображені;

),( nmf – значення пікселя результуючого зображення;

t – поріг бінаризації. Бінаризація інтерференційної картини

представлена на рис. 2. Результати виконання низькочастотної

фільтрації представлено на рис. 4. Гаусовий

Рис. 2. Бінаризація інтерференційної картини

низькочастотний фільтр задається формулою: 22/),(2

),( vuDevuH , (4)

де – це стандартне відхилення. Якщо 0D то буде отриманий вираз в межах параметру D0: 2

02/),(2),( DvuDevuH , (5)

При 0),( DvuD значення фільтру в цих точках менше чим 0,607 від максимального значення,

яке рівне 1. Скелетизація інтерференційної картини представлено на рис.4. Скелетною кривою (СКР) в просторі

є або лінійний скелет, або середня вісь, що зберігає топологічні або геометричні ознаки. СКР задається множиною із N цілочисельних точок 1,...,1,0 Npntpntpnt і має характеристику ширини. На атрибути

СКР задаються наступні обмеження: ,3N (6)

),2,...,1,0(,1.1. Niixpntixpnt (7)



),3,...,1,0(,4.2. Niiypntiypnt (8)Закриттям полоси є формування СКР по центральним точкам серії полос. Серії, що утворюються

СКР, видаляються з полоси.

Рис. 3. Гаусова низькочастотна фільтрація Рис. 4. Скелетизація інтерференційної картини Результатом обробки є інтерференційне зображення з усередненими стоншеними контурами, робота

з яким підвищує точність визначення шорсткості відомими методами [3–6]. Шорсткість (зміщення точок відносно нульового рівня поверхні) досліджуваного зразка визначалась

за формулою [6]:

,2 b

iaih

(9)

де ih – значення відносної висоти поверхні для кожної точки і полоси інтерференції;

ia – відстань між двома точками середніх ліній інтерференційних полос;

b – усереднене значення ширини полоси інтерференції. Отримані результати дають змогу отримати 3-D зображення досліджуваного зразка (рис.5).

Рис. 5. Ділянка досліджуваної поверхні

Таким чином, застосування запропонованого методу первинної обробки інтерференційного

зображення для заданого методу визначення шорсткості забезпечує такі переваги: 1) точне визначення середніх ліній інтерференційних смуг, як наслідок точність визначення відстані

між двома точками середніх ліній інтерференційних полос (а); 2) чітке зображення, що дозволяє точно визначити усереднене значення ширини полоси

інтерференції (b ). Висновки

Розроблено метод первинної обробки інтерференційних зображень та промодельовано його за допомогою програмного пакету Matlab 7, результатом обробки якого є інтерференційне зображення з усередненими стоншеними контурами, подальша робота з яким підвищує точність визначення шорсткості відомими методами.


1. Назаров Ю. Ф. Методы исследования и контроля шероховатости поверхности металлов и сплавов



/ Ю. Ф. Назаров, А. М. Шкилько, В. В. Тихоненко, И. В. Компанеец. – Измерительная техника. – 1980. – 11. – С. 23.

2. Валетов В. А. Оптимизация микрогеометрии поверхностей деталей в приборостроении : [учебное пособие] / Валетов В. А. – Л. : ЛИТМО. – 1989. – С. 100.

3. Гаврилин Д. А. Исследование методов описания формы сложных оптических поверхностей при интерферометрическом контроле : автореф. дис. на соискание ученой степени канд. техн. наук / Гаврилин Д. А. – СПб. : СПбГУ ИТМО, 2003.

4. Беляева А. И. Программно-аппаратный комплекс для микроинтерферометрических исследований А. И. Беляева, А. А. Галуза, А. Д. Кудленко // ПТЭ 2008. – 5.

5. Ландсберг Г. С. Оптика / Ландсберг Г. С. – М. : Физматлит, 2003. – 848 с. 6. Олійник В. В. Мікроскопія: від оптичної до мікрохвильової / В. В. Олійник // КНУ ім. Т.

Шевченка. – 2008. – 2. – С. 5.

Надійшла 7.9.2012 р. Рецензент: д.т.н. Кичак В.М.

УДК 004:932.2:616-006.06

Г.М. МЕЛЬНИК Тернопільський національний економічний університет

ІНФОРМАЦІЙНА ТЕХНОЛОГІЯ ОПРАЦЮВАННЯ

ГІСТОЛОГІЧНИХ ЗОБРАЖЕНЬ Описано інформаційну технологію аналізу гістологічних зображень. В основі технології лежать

структурні методи аналізу зображень. Для оцінки структурних змін в тканинах органів запропоновано метод на основі застосуванням груп симетрії, що дозволяє отримати інваріантний до повороту, зсуву та масштабу структурний опис зображень.

We describe the information technology for digital histological images analysis. Proposed technology based on structural methods of image analysis. To estimate structural changes in the tissues the methods based on the use of symmetry groups is proposed. Those methods provides invariant to rotation, translation and scale structural description of images.

Ключові слова: гістологічне зображення, цифрова мікроскопія, групи симетрії площини. Вступ Рак є однією з найпоширеніших причин смерті на планеті і за даними ВОЗ до 2030 року глобальна

смертність від нього у світі зросте порівняно з 2007 роком у півтора рази і складе 11,5 мільйонів випадків. Діагностування ракових захворювань зазвичай вимагає гістопатологічного дослідження, тобто дослідження пошкоджених тканин людини. Гістологія – це наука, що вивчає закономірності розвитку, будови і функції тканин, а також міжтканинні взаємодії. Об’єкт гістології – тканини – є топологічно і функціонально зв’язані клітинні системи і їх похідні, з яких утворені органи.

Основним методом гістологічного дослідження клітин, тканин і органів є світлова мікроскопія, яка є джерелом гістологічних (ГЗ) та цитологічних (ЦЗ) зображень. Мікрооб’єкти на ГЗ і ЦЗ це клітини, що складаються з ядра, оточеного цитоплазмою. Різні класи клітин або стани однієї клітини можуть відрізнятися як наявністю цитоплазми взагалі, так і формою та кількістю ядер. Структурами на ГЗ є складні об’єкти, що утворені клітинами: шари клітин, стінки судин, залози та ін.

У клінічній практиці при дослідженні злоякісних новоутворень та постановці діагнозу використовується світлова мікроскопія, яка є областю лабораторної діагностики, де домінує трудомісткий суб’єктивний якісний аналіз.

Для автоматизації мікроскопічних досліджень застосовуються системи автоматизованої мікроскопії (САМ). До їх складу входить спеціалізоване програмне і апаратне забезпечення. Актуальність їх розроблення обґрунтована вдосконаленням якості морфологічної діагностики.

Для аналізу ЦЗ та ГЗ на ринку існує широкий ряд програмних засобів та програмно-апаратних комплексів [1]. Всі вони відрізняються по функціональних можливостях, спеціалізації, архітектурі, рівню автоматизації процесу аналізу.

За функціональними можливостями системи можна розділити на такі типи: - системи отримання зображення з фотокамери, відеокамери або цифрового мікроскопа; - системи, що містять засоби для ручного інтерактивного вимірювання розмірів мікрооб’єктів та

структур, підрахунку їх кількості та статистичного аналізу; - системи які мають засоби для автоматизованого виділення мікрооб’єктів шляхом підбору

параметрів операцій сегментації; - системи, що містять засоби класифікації зображення, мікрооб’єктів чи станів мікрооб’єкта; - експертні системи, що дозволяють будувати якісний опис станів мікрооб’єктів. Рівень функціональності системи та її призначення впливають на її програмну архітектуру. Можна

виділити три підходи до побудови програмних засобів систем аналізу ГЗ. Перший орієнтований на роботу



оператора з одним поточним зображенням, над яким виконуються операції, що викликаються з меню. Другий орієнтований на оброблення серії зображень за допомогою окремих модулів (підпрограм), кожен з яких виконує певну операцію. Третій підхід полягає в поєднання попередніх двох.

З точки зору рівня аналізу зображення системи оброблення ГЗ та ЦЗ можна умовно розділити на три класи (рис. 1). Зазначимо, що засоби для проведення морфометричних вимірювань та підрахунку об’єктів, як правило, присутні у всіх системах. Прості редактори обмежені функціями отримання зображення та ручним вимірюванням лінійних розмірів (ScreenMeter, Motic Images Advanced 3.2).

Системи оброблення ГЗ містять операції детекції клітин та їх класифікації (ВидеоТесТ-Морфология 5.0, AnalySIS Five, BioVision, QCapture PRO 6.0, CellProfiler).

Експертні системи аналізу зображень (ЕСАЗ) використовують знання експертів патологоанатомів для опису мікрооб’єктів, характеристик, патологічних процесів у якісних категоріях і висновку про стан злоякісного процесу (експертна система KIDS [2]).

отримання, попереднє оброблення зображення

Задачі опрацювання зображень

оброблення зображення аналіз зображення

керування мікроскопом та камерою, нормалізаця фону, видалення шумів, підкреслення границь, покращення контрасту та ін.

сегментація, контурний аналіз, текстурний аналіз, детекція

об’єктів, класифікація зображень

розпізнавання образів, вивід висновку на основі

нечіткої логіки, вивід висновку на основі бази знань

Операції

І. Редактори зображення ІІ. Системи автоматизованої мікроскопії

ІІІ. Експертні системи аналізу зображень

Класи систем

Рис. 1. Класифікація програмних засобів оброблення гістологічних та цитологічних зображень

Системи аналізу ГЗ також можна розділити за призначенням (задачею) і відповідним типом

результуючої інформації: - ручне виділення мікрооб’єктів, підрахунок їх кількості, вимірювання числових ознак,

статистичне оброблення результатів; - автоматичне виділення (класифікація) мікрооб’єктів, підрахунок їх кількості, визначення

числових ознак, статистичне оброблення результатів; - вивід висновку про діагноз на основі кількості об’єктів певного класу (цитологія). Проте для частини діагностичних процесів, що базуються на структурних характеристиках тканин і

взаємному положенні клітин математичне та алгоритмічне забезпечення все ще відсутнє. Тому актуальною задачею є розроблення методів і алгоритмів структурного аналізу гістологічних зображень і побудова на їх основі інформаційної технології.

Інформаційні технології опрацювання гістологічних зображень Інформаційна технологія – це системно-організована послідовність операцій, що виконуються над

інформацією з використанням засобів і методів автоматизації [3, 4]. Операціями є елементарні дії над інформацією. Інформаційна технологія опрацювання зображення розглядається як послідовність операцій з його перетворення у потрібну форму.

Хоча сама технологія залежить від виду розв’язуваної задачі, вона завжди містить операції попередньої обробки для покращення зображення, операції отримання формалізованого представлення зображення (бінаризація, виділення контурів, областей з заданими характеристиками та примітивів та ін.). Процес аналізу виділених примітивів об’єктів часто є заключним етапом технології опрацювання зображень [3].

Інформаційним забезпечення технології є: 1. направлення на гістологічне дослідження; 2. серію зображень, які відносяться до одного експерименту, зразка або препарату; 3. звіт патолога про гістологічне дослідження. Узагальнену діаграму технології оброблення ГЗ та ЦЗ в САМ можна представити такою

послідовністю операцій (рис. 2) Слід відмітити, що різні системи залежно від рівня складності містять не всі перелічені операції. Більшість САМ обмежуються визначенням числових ознак мікрооб’єктів. Складніші інтелектуальні системи, що базуються на знаннях, визначають тип злоякісного новоутворення (в інтерактивному або автоматизованому режимах).

Отримання цифрового зображення виконується за допомогою цифрового мікроскопа, фотокамери або слайд-сканера. Операція попереднього оброблення застосовується для усунення дефектів, покращення якості, корекції яскравості та ін. Наступним кроком є детекція простих мікрооб’єктів (клітин) за допомогою різних алгоритмів сегментації в ручному або автоматизованому режимах. Після виділення мікрооб’єктів обов’язковим етапом є обчислення їх геометричних ознак, які використовуються для статистичного аналізу. Для подальшого аналізу застосовують ЕСАЗ, що призначені для розв’язку задач класифікації зображень, розпізнавання об’єктів та виводу висновку про стан об’єктів. ЕСАЗ широко використовують такі методи



штучного інтелекту: якісні міркування, нечітку логіку, штучні нейронні мережі. Існує ряд проблем, що утруднюють розроблення та впровадження інформаційних технологій у

процес діагностики на основі ГЗ.

Предметне скло

Кольорове зображення

Фотографування, сканування

Розфарбоване зображення

Сегментація, детекція мікрооб’єктів та структур

Опис мікрооб'єктів та їх числових ознак

Обчислення кількісних ознак мікрооб’єктів

Опис мікрооб’єктів у якісних категоріях

Обчислення якісних ознак

Висновок про клас, тип або стан мікрооб’єктів

Вивід висновку про клас, тип або стан мікрооб’єктів

Статистичний аналіз


Нормалізація фону, видалення шумів, фільтрація та ін.

Клас зображення

Класифікація зображень

Отримання зображення та попереднє оброблення

Оброблення зображення

Аналіз зображення

Рис. 2. Діаграма технології опрацювання гістологічного зображення

Більшість засобів орієнтовані на знання користувачем принципів та методів оброблення зображень.

Це відображено в тому, що ГЗ, об’єкти на ньому та дії над зображенням описані в термінах комп’ютерного зору. Ефективне використання такого ПЗ можливе тільки у випадку, коли оператор має відповідну технічну освіту або спеціальну підготовку.

Мінімізація рутинної роботи під час введення ГЗ забезпечується: - автоматичним вибором інформативних полів зору на основі оцінки локальних і глобальних

ознак зображень; - застосуванням моторизованих мікроскопів, що дозволяє сканувати предметне скло автоматично

та отримувати зображення всього зразку у вигляді віртуального слайду; - застосуванням засобів автоматичної подачі зразків на предметний стіл мікроскопа. Іншою проблемою є використання інтерактивних алгоритмів, що потребують підстроювання їх

параметрів. Результат роботи алгоритму при цьому контролюється користувачем візуально. Послідовність застосування алгоритмів та операторів оброблення зображення також задається вручну. Такі алгоритми повинні виконуватися в інтерактивному режимі:

- для розв’язання проблеми надійності: користувач повністю контролює результати виконання алгоритму шляхом інтерактивного управління;

- для розв’язання питань правової відповідальності: автоматична обробка біомедичних даних часто створює проблему правової відповідальності. Якщо алгоритм виконується під керівництвом користувача, ця проблема знімається.

Методи, алгоритми аналізу і синтезу гістологічних зображень Пошук зображень в базі даних. Одним з найбільш важливих аспектів при побудові

великомасштабних віртуальних наборів даних для зображень є можливість виконувати запити користувача ефективним способом. Для забезпечення пошуку об’єктів на ГЗ розроблено алгоритмічне забезпечення [5], що використовує ознаки форми та кольору мікрооб’єктів.

Колірна ознака зображення клітин формується як набір значень кольору кожного кластера і його відносного розміру. Введемо позначення: А – перше зображення, КА – кількість кластерів для зображення А, Iі – значення кольору і-го кластера, Sі – відносний розмір і-го кластера. Колірна ознака fА для зображення А визначається так:

,,,|),(f BGRISI iiiA ,10,255,...,1,0,, iSBGR 1,1

Ki

Ai KiS . (1)

Для двох заданих зображень А і В, їх колірні характеристики є відповідно

1|),(f AAi

AiA KiSI та 1|),(f BB

jBjB KjSI . Колір B

kI , з зображення B, який має

мінімальну відстань до заданого кольору AiI визначається на основі евклідової відстані W:

),(minarg Bj

AiKj

IIWk B (2)



Знайдене k використовується, щоб обчислити міру відстані між і-м елементом ознаки ),( Ai

Ai SI і

ознакою fB:

),(]f),,[( Bk

Ai

Bk

AiB

Ai

Ai IIWSSSID (3)

Відносні розміри областей S використовуються як вагові коефіцієнти. Так, для кожного кольору в зображенні А знаходиться найближчий колір із зображення B.

Сегментація складних об’єктів. Для забезпечення адаптивних властивостей САМ пропонується проводити вибір параметрів алгоритму для блоку сегментації складних об’єктів на основі їх розміру. Для виділення складних об’єктів розроблено алгоритм багатопорогової текстурної сегментації на основі математичного сподівання і дисперсії значень точок текстурного поля [6]. В якості текстурних ознак використано просторові моменти першого порядку. Результати застосування алгоритму для дослідження тканин молочної залози наведено у частині 4.

Структурний аналіз гістологічних зображень. Для аналізу структурних патологічних змін у тканинах розроблено методи і алгоритми аналізу ГЗ на основі теорії кристалографічних груп [7]. Аналіз ГЗ складається із таких етапів: визначення відповідних точок на контурах мікрооб’єктів, обчислення афінних перетворень між мікрооб’єктами, визначення групи симетрії для групи мікрооб’єктів (частини зображення).

Відповідні точки визначаються на основі дискретних центральних моментів області: обчислюється кут нахилу головної осі, координати центру мас об’єкта [10]. Для області визначаються три відповідні контурні точки, на основі яких визначаються коефіцієнти афінних перетворень. Кожна група симетрії повністю характеризується своїми породжуючими перетвореннями, які можна записати у вигляді коду. Присвоїмо всім можливим перетворенням номери від 1 до l, а матрицям зсувів від 1 до k. Комбінацію власне

перетворення і зсуву позначимо через верхній і нижній індекс відповідно lkT . Групу симетрії елементарної

комірки опишемо через впорядковану послідовність породжуючих перетворень між першим елементарним

рисунком (ЕР) та всіма іншими ),...,,()( 32

11

* lkTTTPg . Класифікація групи симетрії зводиться до

послідовного співставлення послідовності породжуючих перетворень однієї з 17 груп g* (P) із послідовністю утвореною для даного зображення )(Pg . Визначення виду виміряного перетворення С

елементарного рисунку проводиться шляхом його послідовного порівняння з усіма можливими еталонними

перетвореннями ijT , j=1,..,m для 17 груп симетрії площини і визначення найближчого згідно введеної

відстані d. Відстань ),( TCd між матрицями двох перетворень C= (aij) і T= (bij) розраховується як сума

відстаней між відповідними елементами матриць.

2

1

2

1

),(i j

ijij baTCd . (4)

Результатом аналізу ГЗ є його опис у вигляді матриць породжуючих перетворень. Матриці в числовому вигляді зберігаються у файл, що є описом даного ГЗ. За цим описом проводиться класифікація зображень, порівняння та пошук в БД.

Синтез гістологічних зображень. Для наочності, сприйняття і передачі інформації а також формування навчальних вибірок зображень використовують синтез зображень. Синтез гістологічних зображень здійснено на основі використання плоских кристалографічних груп. В якості непохідного елементу (елементарного зображення) взято зображення клітини, над яким виконано породжуючі перетворення певної групи симетрії. Для моделювання структурних змін у тканинах здійснено параметричні спотворення породжуючих перетворень, в результаті чого отримано ряд структур: регулярні, близько-регулярні, нерегулярні, близько-стохастичні та стохастичні. Узагальнено алгоритм синтезу можна представити наступною послідовністю кроків:

1. Трансляція рапорту; а) генерація рапорту; б) обчислення розміру рапорту; в) обчислення матриці трансляції рапорту;

2. Растеризація площини. Приклади порівняння алгоритмів синтезу приведено в роботі [8]. Інформаційна модель гістологічного зображення Інформаційна модель зображення являє собою сукупність даних, за якими можна однозначно

побудувати зображення, і сукупність методів – операцій, за допомогою яких можна сформувати і модифікувати цю модель [9]. Сукупність даних, що описують зображення, складається з дескрипторів. Кількість та тип дескрипторів залежать від самої моделі.

Розглянемо форму представлення зображення на етапах опрацювання та операції, що над ним виконуються (рис. 3). Для аналізу використовуються кольорові зображення в форматах BMP, JPG, TIFF та ін. Вхідне зображення представлено в колірній моделі RGB проте для наступного аналізу перетворюється в моделі Lab та HSV. На етапі нормалізації зображення представлено матрицями кожна з яких містить колірну складову окремої точки. Над вхідним зображенням виконуються операції видалення шумів, нормалізації



фону, згладжування, підкреслення границь та ін. Наступним етапом є детекція клітин з допомогою операції сегментації на основі апріорної

інформації. В якості апріорної інформації може використовуватись форма, колір, розмір клітини. При грубій сегментації, наприклад пороговим розділенням, створюється бінарне зображення. На такому зображенні кожній точці фону відповідає 0 а об’єкту 1. Далі над ним виконується розфарбовування, тобто присвоєння кожній області унікальної мітки. Ця операція завершує етап сегментації. Застосування апріорної інформації про об’єкти полягає у:

1) виборі алгоритму сегментації; 2) виборі параметрів алгоритму сегментації; 3) застосуванні операцій математичної морфології до бінарного зображення; 4) відборі областей після грубої сегментації на основі їх характеристик. Наступним етапом є знаходження контурів детектованих об’єктів. В результаті цієї операції бінарне

зображення перетворюється в контурне, де границі об’єкта відповідає 1 а фону та внутрішній області об’єкта 0.

При подальшому аналізі контур об’єктів кодується певним чином. Застосовується кодування з допомогою ланцюгового коду Фрімена, списку координат точок контуру, списку відрізків апроксимованого контуру. Кожен відрізок кодується координатами кінців ,,, 2211 yxyxs . На основі даного представлення

визначаються периметр, ознаки форми об’єктів, дискретні моменти та ін. Після знаходження моментів області лінії головних осей представлено у вигляді координат точки (x,

y) та приростів по осях (dx, dy): ,,, dydxyxl . Координати відповідних точок обчислюються шляхом

пошуку точок перетину ліній головних осей та відрізків контуру. Наступним етапом є структурний аналіз зображення. Дерево афінних перетворень G= (V, A) містить

множину вершин V, що представляють ЕР, та множину гілок А. Множина гілок складається з множини гілок зсувів та множини гілок видів перетворень симетрії TLA . L – множина гілок вагами яких є зсуви між елементарними рисунками, T – множина гілок вагами яких є види перетворень симетрії, які пов’язують два ЕР.

На основі перетворень перших елементів у рапортах визначаються осі трансляції. На основі зсуву кожного рапорту один відносно одного вздовж осі трансляції визначається послідовність їх запису у деревовидну структуру.

Структурний аналіз. Знаходження осей трансляції та рапортів

Детекція клітин

Груба сегментація

Розфарбовування

Знаходження контурів клітин

Прослідковуваня границі

Нормалізація зображення


Бінарне зображення

Розфарбоване зображення

Контурне зображення

Дерево афінних перетворень


Закодований контур

Параметричне представлення відрізків контуру

Визначення відповідних точок

Рис. 3. Етапи перетворення зображення

В якості структури даних для зберігання матриць породжуючих перетворень та матриць спотворень

обрано структуру CvMat. Вихідна інформація зберігається у XML файлі з наступною структурою: <?xml version="1.0"?> <opencv_storage> <mat_features type_id="opencv-matrix"> <rows>12</rows> <cols>1</cols> <dt>f</dt> <data> ……. </data></mat_features> </opencv_storage> В якості структури даних для збереження дерева афінних перетворень використані послідовності



CvSeq бібліотеки OpenCV. Послідовності – це зв’язані списки різних структур. Послідовність виглядає як симетрична черга, це дуже швидкий інструмент для довільного доступу і для доповнень і видалення з будь-якого кінця, але трохи уповільнений для додавання та видалення об’єктів в середині цієї черги. Чотири основних елемента однієї ланки послідовності – це вказівники на інші послідовності: h_prev, h_next, v_prev, і v_next (горизонтально-попереднє, горизонтально-наступне, вертикально-попереднє і вертикально-наступне). Функції бібліотеки OpenCV дозволяють зберігати послідовність також у вигляді XML файлу.

Технічна реалізація Розроблене математичне та алгоритмічне забезпечення технології оброблення ГЗ використано при

створенні програмного забезпечення САМ. Для написання програмного засобу використано програмне середовище IntellijIDEA, мови програмування Java, Object Pascal, C++. Для роботи ПЗ необхідна робоча станція на базі операційної системи Windows. Програмний засіб розроблено як розширення (модуль) редактора ImageJ.

Для проведення аналізу вхідного зображення використано бібліотеку операцій програмного засобу ImageJ. До базових можливостей засобу можна віднести: мультиплатформенність, відкритість коду, наявність мови сценаріїв, наявність плагінів, що реалізують базові алгоритми попереднього оброблення зображення. Форматом файлів за замовчуванням для даного засобу є TIFF. У її базовий функціонал закладені можливості відкриття й збереження файлів у форматах GIF, JPEG, BMP, PNG, PGM, FITS, Open DICOM.

Розроблене ПЗ розв’язує такі задачі оброблення ГЗ: створення методики дослідження (сценарію), виконання дослідження в автоматичному режимі, робота з БД, робота з правилами діагностування. Засіб складається з наступних підсистем: редагування та запуск методики дослідження, редагування списку зображень дослідження, редагування правил діагностування. Модульна структура САМ зображена на рис. 4.

Редагування та запуск методики дослідження

Редагування та перегляд списку зображень

Редагування правил діагностування

Збереження / завантаження БД

Рис. 4. Структура програмного засобу аналізу ГЗ При обробленні ГЗ зображення зберігаються в окрему папку, що відповідає окремому дослідженню.

При проведенні дослідження з допомогою САМ для кожного досліду зберігається назва, дата, час, ПІБ пацієнта, код предметного скла, кратність об’єктива, метод фарбування. Основні вікна програмного засобу зображено на рис. 5.

Початкове вікно

Вікно перегляду БД

Вікно створення методики дослідження Рис. 5. Копії екрану основних вікон розробленого програмного забезпечення

Для того, щоб зменшити вимоги до рівня знань в області комп’ютерного зору користувача було

забезпечено можливість створення сценаріїв – методик дослідження, які використовується для автоматизації часто повторюваних операцій. Методика створюється розробником САМ або користувачем. Готова



методика, що використовує оцінку результатів операції оброблення зображення може здійснювати в автоматизованому режимі.

Щоб підтримати розділення ролей користувачів САМ створено два режими роботи з методиками. Перший забезпечує створення сценарію методики на основі наявних в бібліотеці САМ алгоритмів. Кожен алгоритм має набір параметрів значення яких підбираються інтерактивно для досягнення найкращого результату, тобто під контролем користувача. Далі розроблена методика може використовуватися в спрощеному режимі тільки для отримання результату.

Типова структура апаратної частини САМ складається з системи вводу зображень (СВЗ), побудованої на базі мікроскопа, відеокамери або фотокамери, комп’ютера з програмним забезпеченням і принтера. СВЗ є складним компонентом, структура якого залежить від класу системи і вміщує в собі світловий мікроскоп, камеру, фотоадаптер, пристрій зміни поточного об’єктива, пристрій фокусування, пристрій переміщення предметного стола, пристрій подачі зразків та пристрій освітлення. Для рішення проблем підбору комплектації САМ розроблено І-АБО дерева для структурного синтезу апаратної та програмної частин системи [1].

Експериментальні результати Для дослідження ефективності розробленого математичного та алгоритмічного забезпечення

проведено тестування системи аналізу ГЗ на базі набору цитологічних і гістологічних зображень Breast Cancer Dataset. Виділення дольок молочної залози з допомогою текстурної сегментації наведено на рис. 6.

Розроблений алгоритм визначення відповідних точок на основі центральних моментів виявляється кращим при дії цілочисельної трансляції та повороту. Величина перекриття співставлених областей за допомогою розробленого алгоритму менша на 8 % у порівнянні з методом січних.

Рис. 6. Детекція складних об’єктів на

гістологічному зображенні

Висновки Програмне, математичне та алгоритмічне забезпечення для аналізу ГЗ розроблено в рамках тем

Міністерства освіти і науки, молоді та спорту України "Розробка та дослідження методів аналізу зображень біомедичної природи" (2008– 2012 рр.) та "Інформаційно-аналітична система для дослідження та діагностування пухлинних (ракових) клітин людини на основі аналізу їх зображень" (2008-2010 рр.). Розроблені методи та алгоритми дозволили підвищити достовірність діагностування злоякісних новоутворень, за рахунок кількісної оцінки патологічних змін в тканинах людини [11].


1. Синтез альтернативних рішень при структурному проектуванні систем автоматизованої мікроскопії / О.М. Березький, К.М. Березька, Ю.М. Батько, Г.М. Мельник // Науковий вісник Українського державного лісотехнічного університету. – 2009. – T. 19 (5), 23. – C. 258– 268.

2. Ovalle A. KIDS: A Distributed Expert System for Biomedical Image Interpretation. / Arturo Ovalle, Catherine Garbay // Information Processing in Medical Imaging 1991. – C. 419– 433.

3. Абламейко С.В. Обработка изображений: технология, методы, применение: [учебное пособие] / С. В. Абламейко, Д. М. Лагуновский. – Минск: Амалфея, 2000. – 304 с.

4. Інформаційні технології та моделювання бізнес-процесів: [навч. посіб.] / О. М. Томашевський, Г. Г. Цегелик, М. Б. Вітер, В. І. Дудук. – К.: "Видавництво "Центр учбової літератури", 2012. – 296 с.

5. Berezsky O. Biomedical Image Search and Retrieval Aplgorithms / O. Berezsky, G. Melnyk, Yu. Batko // Computing – 2008. – 7. – C. 108– 114.

6. Березький О.М. Текстурна сегментація біомедичних зображень на основі просторових моментів / О.М. Березький, Г. М. Мельник, Ю. М. Батько // Матеріали 4-ї Міжнародної "Комп’ютерні науки та інформаційні технології 2009" науково-технічної конференції. – Львів, 2009. – C. 42– 45.

7. Мельник Г.М. Метод і алгоритми аналізу симетричних зображень / Г.М. Мельник // Штучний інтелект. – 2010. – 4. – C. 253– 261.

8. Березький О. М. Порівняння алгоритмів синтезу біомедичних зображень / О. М. Березький, Г. М. Мельник // Інтелектуальні системи прийняття рішень і проблеми обчислювального інтелекту (ISDMCI’2011): Матеріали міжнародної наукової конференції. – Євпаторя, 2011. – Т. 2. – C. 189– 193.

9. Миронов Д. Ф. Компьютерная графика в дизайне / Миронов Д. Ф. – СПб.: БХВ-Петербург, 2008. – 560 с.

10. Мельник Г.М. Метод знаходження відповідних точок на контурах мікрооб’єктів біомедичної природи // Вісник Національного університету "Львівська політехніка" "Комп’ютерні науки та інформаційні технології". – 2012. – 720. – С. 275– 283.

11. Дацко Т.В. Морфометричні особливості епітелію шийки матки при цитологічному дослідженні дисплазій / Т. В. Дацко, О.М. Березький, Ю.М. Батько та ін // Науково-практичний журнал "Здобутки клінічної і експериментальної медицини" – 2008. – 2 (9). – C. 112.

Надійшла 26.9.2012 р. Рецензент: к.т.н. Коваль В.С.



УДК 004:932.2:616-006.06 О.М. БЕРЕЗЬКИЙ, К.М. БЕРЕЗЬКА, С.Ю. ПОПІНА

Тернопільський національний економічний університет

СТАТИСТИЧНЕ ОБРОБЛЕННЯ ЦИТОЛОГІЧНИХ ЗОБРАЖЕНЬ

Описано запропонований алгоритм статистичного оброблення цитологічних зображень. Досліджено

закон розподілу ядерноцитоплазматичного відношення (ЯЦВ) та проведено ідентифікацію різних ступенів дисплазії на основі кількісної оцінки ЯЦВ. Розроблений алгоритм реалізований в інформаційноаналітичній системі морфометричого аналізу гістологічних і цитологічних зображень.

The offered algorithm of the statistical processing of cytological images is described. Distributing of nucleocytoplasmic ratio (NCR) is investigated and authentication of different degrees of dysplasia is conducted on the basis of quantitative estimation of NCR. The developed algorithm is realized in informationanalytical system of morphometrical analysis of histological and cytological images.

Ключові слова: цитологічне зображення, морфометрія, варіаційний ряд, статистичний розподіл.

Вступ Біомедичні зображення – класи зображень, які отримані в різних діапазонах електромагнітного

випромінювання живої природи. У даній роботі ми будемо розглядати клас зображень у діапазоні видимого світла окремих клітин людини, тобто цитологічні зображення. Крім якісної оцінки зображень при постановці діагнозу використовують кількісні методи (морфометричні). Морфометричні методи є сукупністю прийомів, що дозволяють дати кількісну оцінку параметрів клітинних і тканинних структур, на гістологічних або цитологічних препаратах (або їх фотографіях) [1]. Шляхом використання цих методів визначають такі параметри, як, наприклад, діаметр, висоту, товщину, площу перетину, кількість об’єктів на одиниці площі, їх форму та ін. При морфометрії об’єктів на гістологічних препаратах необхідно враховувати, що оцінювані параметри відносяться не до тканинних компонентів, а до їх перерізів на зрізах.

Ручна морфометрія базується на проведенні підрахунків візуально, безпосередньо під мікроскопом або на мікрофотографіях з використанням лінійок, сіток (у тому числі у вигляді окулярних вставок) та інших пристосувань. Методи напівавтоматичного і автоматичного аналізу зображення із застосуванням комп’ютерів набули широкого поширення завдяки своїй високій продуктивності. Вони дозволяють швидко кількісно оцінити велике число ознак на препараті, що вивчається, і за їх сукупністю ідентифікувати різні клітини [2].

В роботі досліджено дисплазію – гістологічне спрощення тканини регресивного характеру, яке пов’язане із зниженням процесу диференціювання. Вона характеризується заміщенням частини шару епітелію ектоцервіксу клітинами з різним ступенем атипії. Дисплазії є важливим передраковим процесом і цитологічний метод займає особливе місце при їх виявленні як для профілактичного скринінгового так і для діагностичного досліджень. Серед патологічних процесів шийки матки дисплазія зустрічається з найбільшою частотою і діагностується в 38,5 % жінок, причому 67 % з них знаходяться в активному репродуктивному віці до 30 років. В зв’язку з цим рання діагностика і активне лікування псевдоерозії шийки матки є важливою ланкою в профілактиці злоякісних новоутворень у жінок.

Постановка задачі Нехай дано п’ять груп цитологічних зображень пацієнтів ixA , iyB , izC , iuD ,

iwE , ni ,1 , де А – норма, В – дисплазія ІІІ А, С – дисплазія ІІІ Б, D – дисплазія ІІІ C, Е – дисплазія IV.

У кожній групі для кожної клітини обчислено морфометричний показник – ядерно-цитоплазматичне

відношення ц

яяцв S

Sk , де яS – площа ядра, цS – площа цитоплазми клітини.

На основі цих показників необхідно провести статистичний аналіз яцвk (побудувати варіаційний

ряд, гістограму, статистичний розподіл, обчислити середнє вибіркове, середнє квадратичне відхилення,

моду oM , емпіричну функцію розподілу )(* xF , медіану em , розмах варіації R , коефіцієнт варіації Cv ),

визначити належність емпіричного розподілу певному розподілу (нормальному, показниковому, біноміальному і т.д.). Використовуючи ядерно-цитоплазматичне відношення як основний інформативний морфометричний показник при постановці діагнозу необхідно дослідити залежності ядерно-цитоплазматичного відношення яцвk від типу дисплазії епітелію.

Алгоритм статистичної обробки цитологічних зображень Після визначення морфометричних показників (площі ядра, площі цитоплазми, площі клітини,

ядерно-цитоплазматичного відношення) отримуємо вибірки для кожного показника jx , 4,1j , тобто

1AG , …, 4

AG – група пацієнтів A,

1BG , …, 4

BG – група пацієнтів В,



1CG , …, 4

CG – група пацієнтів С,

1DG , …, 4

DG – група пацієнтів D,

1EG , …, 4

EG – група пацієнтів E.

При визначенні обсягу вибірки використовуємо відповідну таблицю кількості одиниць спостережень в вибірках при вивченні мірних ознак для робіт середньої точності [3].

Вибірки опрацьовано за таким алгоритмом [4]: 1. Будуємо варіаційний ряд і статистичний розподіл вибірки біомедичного дослідження. Оскільки

ЯЦВ – неперервна випадкова величина, тоді статистичний розподіл вибірки задається відповідністю між інтервалами і частотами, які потрапляють у ці інтервали, тобто інтервальним статистичним розподілом вибірки:

),[ 1ii xx ),[ 21 xx ),[ 32 xx … ),[ 1kk xx

in 1n 2n … kn

2. Отримуємо візуалізацію досліджуваного процесу за допомогою гістограми та полігону частот, і кумуляти при нарощуванні частот або збільшенні величини ознаки.

3. Обчислюємо наступні числові характеристики вибірки. Оскільки для знаходження числових характеристик вибіркових даних необхідно мати варіанти ix , то за них взято середини інтервалів

інтервального статистичного розподілу вибірки. Обчислюємо середню арифметичну вx , моду за формулою

mmmm

mmmo h

nnn

nnxM

11

1

2

, де ),[ 1mm xx – модальний інтервал, mn – число варіант з цього

інтервалу. Знаходимо значення емпіричної функції розподілу

nnxXWxF x )()(* , (1)

де xn – сума частот тих варіант, які менші від х, п – обсяг вибірки. Знаходимо медіану за формулою

)()()(

)(5,01*

1*

*

mmmm

mme xx

xFxF

xFxM

, (2)

де ),[ 1mm xx – медіанний частинний інтервал )1( km , для якого виконуються нерівності

5,0)(* mxF , 5,0)( 1* mxF . Знаходимо квартилі – значення варіант, що ділять варіаційний ряд разом з

медіаною на 4 частини. 4. Обчислюємо числові характеристики вибірки для оцінювання ступеня розсіювання (малий,

середній, сильний) варіант навколо середньої. Обчислюємо розмах варіації, дисперсію 2в , середнє

квадратичне відхилення в , коефіцієнт варіації %100в

в

xCV

.

5. Обчислюємо помилки репрезентативності вибірки за формулою n

m

і робимо висновки за

розміром помилки, наскільки середня величина вибіркової сукупності відрізняється від середньої генеральної сукупності.

З таблиці значень функції Лапласа вибираємо довірчий коефіцієнт t для заданого ступеня надійності p з рівності ptФ )(2 .

Знаходимо межі середньої арифметичної генеральної: tmxM ген .

6. Робимо перевірку приналежності вибіркових даних нормальному розподілу із визначеними

параметрами за критерієм узгодженості Пірсона ( 2 ):

m

i i

ii

n

nn

10

202 )(

, (3)

де in – частота варіанти ix , ii npn 0 – теоретична частота варіанти ix , n – обсяг вибірки, ip –

імовірність варіанти ix , яка обчислюється за формулою:

xx

Фxx

Фp iii

1 , (4)

де Ф (х) – функція Лапласа. 7. Здійснюємо висновки стосовно узагальнених показників значень варіантів морфометричних



ознак, їх варіабельності, розподілу, меж середньої арифметичної генеральної. Результати експериментальних досліджень

В рамках держбюджетної теми ”Інформаційно-аналітична система для дослідження та діагностування пухлинних (ракових) клітин людини на основі аналізу їх зображень” розроблено програмне забезпечення МорфоСист [5], яке було використане для дослідження морфометричних показників багатошарового плоского незроговілого епітелію при різних видах дисплазії епітелію шийки матки у жінок репродуктивного віку.

Для морфометричного аналізу застосовані цитологічні препарати, які виготовлені за методикою Романовського. Морфометрію клітин проведено за методом Автанділова Г.Г. [1]. Аналіз препаратів здійснено за допомогою системи автоматизованої мікроскопії на базі комп’ютера з процесором AMD Sempron 1500 МГц та цифрової відеокамери MAA Group IEEE-1394 (1.3 Мпікс) і програмного забезпечення МорфоСист.

Проведено цитологічне дослідження багатошарового плоского незроговілого епітелію шийки матки при різних ступенях дисплазій, зображення яких показано на рис. 1.

Досліджувані клітини візуалізувалися на екрані монітору у псевдокольорах.

Норма Дисплазія ІІІА Дисплазія ІІІБ Дисплазія ІІІ В Дисплазія IV Рис. 1. Зображення різних типів дисплазії

Результати експериментальних досліджень приведені в таблицях 1 і 2.

Таблиця 1 Результати першого експерименту

Площа ядра Площа клітини Площа цитоплазми яцвk

Середнє вибіркове 384,33 15764 15380 0,030041 Мінімальні значення 215 6632 6224 0,013391 Максимальні значення 611 33998 33387 0,065553 Середнє квадратичне відхилення 29,012 1924,6 1914,3 0,0042853

Таблиця 2

Результати другого експерименту

Площа ядра Площа клітини Площа цитоплазми яцвk

Середнє вибіркове 36,2 2191,4 2155,3 0,017135 Мінімальні значення 26 1417 1378 0,01029 Максимальні значення 56 2751 2721 0,028302 Середнє квадратичне відхилення 2,0782 77,87 77,413 0,0010594

Крім цього досліджено залежність ядерно-цитоплазматичного відношення яцвk від типу дисплазії

епітелію (рис. 2).



0,00000

0,01000

0,02000

0,03000

0,04000

0,05000

0,06000

0,07000

норма ІІІ А ІІІ Б ІІІ В ІV

Ступінь дисплазії

Ядер

но-цитоп

лазм

атич

не

відн

ошен

ня

Рис. 2. Графік залежності ядерно-цитоплазматичного відношення kяцв від типу дисплазії епітелію

Висновок

Розроблена інформаційно-аналітична система дає можливість здійснювати морфометричні вимірювання гістологічних і цитологічних зображень. Статистичний аналіз показав, що закон розподілу ядерно-цитоплазматичного відношення є нормальний і дав змогу провести ідентифікацію різних ступенів дисплазії на основі кількісної оцінки яцвk .


1. Автандилов Г.Г. Основы количественной паталлогической анатомии / Автандилов Г.Г. – М. :

Медицина, 2002. – 240 с. 2. Егорова О. Компьютерная микроскопия / Егорова О., Пантелеев В., Клыкова Е. – М. :

Техносфера, 2005. – 300 с. 3. Гмурман В.Е. Теория вероятностей и математическая статистика / Гмурман В.Е. – М. : Высшая

школа, 1972. – 368 с. 4. Березький О.М. Алгоритми статистичної обробки біомедичних зображень / О.М. Березький, К.М.

Березька, Г.М. Мельник // Матеріали міжнар. конф. „Інтелектуальні системи прийняття рішень та проблеми обчислювального інтелекту” (ISDMCI’2009), м. Євпаторія, 1822 травня 2009 р. Херсон : ХНТУ, 2009. Т. 2. С. 227– 230.

5. Березький О.М. Інформаційно-аналітична система дослідження та діагностування пухлинних клітин на основі аналізу їх зображень / О.М. Березький, Ю.М. Батько, Г.М. Мельник // Вісник Хмельницького національного університету. – Хмельницький, 2008. – 3. Т. 1. – С. 120130.


Рецензент: к.т.н. Коваль В.С.

УДК 621.391:004.73 К.В. КОЛЕСНИКОВ, С.И. КАУНЕНКО Черкасский государственный технологический университет

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ НЕЙРОСЕТЕВОГО КОНТЕЙНЕРА ДЛЯ ИДЕНТИФИКАЦИИ ПО ОТПЕЧАТКАМ ПАЛЬЦЕВ

Рассматривается алгоритм использования нейросетевого контейнера при биометрической

идентификации по рисунку пальца с заполнением личной информации. Данный алгоритм позволяет защитить биометрический шаблон и усилить программную биометрическую защиту для минимизации возможности подмены шаблона с целью взлома.

This algorithm allows to protect the biometric template and strengthen the protection of biometric software to minimize the possibility of substitution pattern in order to breakin.

Ключевые слова: идентификация по отпечаткам пальцев, биометрия, нейросетевой контейнер.

Введение В настоящее время активно используются биометрические средства аутентификации при доступе к

информации, находящейся на ПК, flash-накопителях, при удаленной идентификации и при доступе к ключу формирования ЭЦП [1,2]. Подобные средства имеют разные биометрические датчики ввода информации,



однако, на данный момент, наибольший объем (от 50 до 80 % по разным оценкам) составляют средства, использующие ввод данных о рисунке отпечатка пальца. Этот сектор устройств поддерживается практически всеми фирмами, профессионально занимающимися средствами биометрического ограничения доступа. Применяются на практике три типа сканеров отпечатков пальцев, построенных на разных физических принципах: оптические, емкостные сканеры, сканеры с радиочастотным считыванием. Как правило, представленные продукты биометрической защиты построены с использованием метода «разблокировки ключа». Ключ и биометрический образ хранятся раздельно в системе. Для получения доступа к ключу необходимо пройти биометрическую идентификацию, при этом решение о разблокировке ключа принимается на основе классического решающего правила, имеющего «последний бит» (да/нет).

Постановка задачи В случае реализации программным способом процедуры обработки данных в процессе

биометрической идентификации по рисунку отпечатков пальцев возникает две основных проблемы: 1. Биометрический шаблон не защищен, может быть скомпрометирован или подменен. Программная биометрическая защита оказывается крайне слабой из-за подмены «последнего бита».

«Последний бит» обнаруживается подбором. После его обнаружения хакер для тиражирования успеха выпускает вирус, который позволяет взламывать действующую защиту и получать доступ к конфиденциальной информации.

Задачей данной работы является анализ и обнаружение слабых мест биометрической идентификации по рисунку отпечатка пальцев, а также реализация метода заполнения нейросетевого контейнера личными данными для повышения эффективности метода.

Решение задачи Одновременно решить обе проблемы удается, если перейти от классической обработки к

использованию высоконадежного нейросетевого преобразователя «биометрия-код», выполненного по требованиям международного стандарта ISO/IEC 27001.

При реализации нейросетевого преобразователя возникает проблема недостаточного объема данных, извлекаемых из рисунка отпечатка пальца.

Обычно анализируются: - контрольные точки, находящиеся в окончаниях или разветвлениях папиллярных линий, так

называемые минуции; - ширина папиллярных линий, впадин в районе контрольной точки; - плотность пор в области контрольной точки; - направление папиллярных линий. Все перечисленные выше параметры обычно измеряются в окрестностях особых точек (минуций), а

биометрический шаблон рисунка отпечатка пальца обычно формируется в виде списка наиболее часто встречающихся минуций с описанием их окрестностей. Список особых точек отпечатка пальца нуждается в обязательной защите, так как по нему легко может быть найден владелец отпечатка пальца.

Реализация нейросетевого преобразователя «биометрия-код» показала, что объем обрабатываемой информации должен быть многократно увеличен путем введения дополнительных областей, не содержащих минуций. Производится контроль перечисленных выше параметров, как в областях, содержащих реальные минуции, так и в пустых областях, без особых точек. При этом внешний наблюдатель не знает, с какой контрольной областью он имеет дело: реальной минуцию или пустой областью контроля параметров рисунка отпечатка пальца.

Объем обрабатываемой информации, при этом подходе к решению задачи, увеличивается в 3-4 раза, что позволяет улучшить стойкость нейросетевого преобразователя «биометрия– код» к атакам подбора за счет увеличения информативности биометрического образа. В качестве безопасного, действительно биометрического шаблона, нейросетевой преобразователь хранит расширенный список контролируемых областей. Добавления «пустых» областей в расширенный список осуществляется с использованием генератора случайных чисел, что позволяет скрыть расположение реальных контрольных точек (минуций) и, тем самым, обеспечить анонимность пользователя.

Рис. 1. Пример создания безопасного биометрического шаблона: а – изображение отпечатка пальца; б – места расположения

реальных минуций, запоминаемых в обычном биометрическом шаблоне; в – безопасный биометрический шаблон, расширенный за счет дополнительных областей, не содержащих минуций



Нейросетевой преобразователь «биометрия-код» обучают на выдачу заданного личного кода пользователя с использованием безопасного биометрического шаблона и нескольких отпечатков пальца пользователя [3]. Используется алгоритм быстрого обучения, обеспечивающий обучение нейросети, содержащей от 240 до 360 входов и 256 выходов (каждый выход соответствует одному разряду 256 битного личного ключа).

Так, на рисунке 1,б отображены 30 реальных минуций, найденных в реальном отпечатке пальца, показанном на рисунке 1,а. Эти 30 реальных особых точки дополнены тридцатью мнимыми особыми точками, что дает 60 контрольных точек, отображенных на рисунке 1,в. При контроле всего 4 параметров, каждой из 60 контрольных точек, получаем нейросеть с 240 входами. Учет 6 параметров рисунка отпечатка пальца по каждой из 60 контрольных точек позволяет использовать нейронную сеть с 360 входами.

После обучения сети искусственных нейронов, данные о содержании минуций в контрольных точках уничтожают, уничтожают также информацию о личном коде пользователя. Информация об обученной нейронной сети сохраняется в виде таблицы связей и весов нейронов этой сети, в виде так называемого «нейросетевого контейнера».

Алгоритм обучения нейросети: Шаг 1. Пользователь предъявляет несколько (10– 15) отпечатков регистрируемого пальца. Шаг 2. В каждом отпечатке выполняется поиск минуций. Шаг 3. Отпечатки выравниваются относительно найденных минуций. Создается множество М (п), в

котором запоминаются координаты областей, содержащих найденные минуции, где п– общее количество таких областей.

Шаг 4. С помощью генератора случайных чисел задается множество D (r), в котором запоминаются координаты дополнительных контрольных областей, не пересекающихся с областями в множестве М. Для обеспечения стойкости безопасного биометрического шаблона необходимо, чтобы r>3п.

Шаг 5. Создается безопасный биометрический шаблон путем объединения множеств М и D в множество В (к), где к=п+r. При этом задается определенный порядок следования областей множества В в соответствии с их координатами, например, слева направо и сверху вниз.

Шаг 6. Для каждого отпечатка пальца, участвующего в обучающей выборке, в каждой области из множества В (к) вычисляется вектор контролируемых биометрических параметров Iк, включающий:

- наличие/отсутствие минуций в данной области; - среднюю ширину папиллярных линий и впадин; - плотность пор; - направление папиллярных линий. Шаг 7. Набор, полученных векторов, используется для обучения двухслойной нейронной сети с 256

выходами. Каждый выход соответствует определенному биту извлекаемого криптографического ключа пользователя или его длинного пароля доступа. После этого автомат обучения должен добиться появления нужного кода на выходах нейронных сетей при предъявлении на их входы любого из набора векторов биометрических параметров из обучающей выборки «Свой». При предъявлении нейросети любого набора векторов биометрических параметров из выборки «Чужие», на выходах нейронной сети должны появляться случайные коды. На каждом из выходов должен появляться независимый «белый шум» двух равновероятных состояний «0» и «1». По требованиям для корректной работы допустимо появление корреляции между парами различных разрядов выходного кода, однако, среднее значение модулей коэффициентов корреляции не должно превышать 0,15.

При аутентификации проверяемого рисунка отпечатка пальца сканируют этот рисунок, вы-равнивают его относительно безопасного биометрического шаблона с использованием предварительно сохраненной в шаблоне вспомогательной информации. В качестве вспомогательной информации могут быть использованы координаты точек наибольшей кривизны папиллярных линий, данные о структуре поля направлений отпечатка или координаты трех-четырех минуций. Открытая часть шаблона не превышает 3 % от объема полного безопасного биометрического шаблона. Далее, используя сам безопасный биометрический шаблон, выделяют на нем контролируемые области, вычисляют параметры контролируемых областей и подают их на соответствующий вход нейронной сети, а нейронная сеть преобразует входные данные в некоторый выходной код.

Результаты За счет того, что исчезает «последний бит» (и появляется 256 «последних бит») снимается проблема

тиражирования успеха хакерами при взломе одной программы. Если каждая программа имеет свой ключ, подбор ключа является задачей с гарантированно высокой вычислительной сложностью. После взлома биометрической защиты одной программы, создать на основе полученного опыта универсальную программу для автоматического взлома программ других пользователей нельзя.

Так как параметры отпечатка пальца своего пользователя связаны с его личным ключом с помощью безопасного биометрического шаблона, таблицы связей и весов нейронов нейросетевого преобразователя, обеспечивается высокий уровень конфиденциальности, анонимности, обезличение персональных биометрических данных пользователя. Это позволяет сохранить правовое поле и выполнять требования закона «О персональных данных».



Литература 1. Быстрые алгоритмы обучения нейросетевых механизмов биометрико-криптографической защиты

информации / [Малыгин А.Ю., Волчихин В.И., Иванов А.И., Фунтиков В.А.]. – К. : "Монография", 2005. – 273c. – (Издательство Пензенского государственного университета).

2. Малыгин А.Ю. Нейросетевое преобразование биометрического образа человека в код его личного криптографического ключа / Малыгин Александр. – К. : Москва, 2008. – 87 с.

3. Фунтиков В.А. Биометрико-нейросетевое управление криптографическими механизмами защиты информации. «Нейрокомпьютеры: разработка, применение» / Фунтиков В.А. Ефимов О.В.; пер. с англ. Иванов А.И. – М. : Буквица, 2007. – 6– 8 с.


Рецензент: д.т.н. Снитюк В.Е.

УДК 621.382 Ю.С. КРАВЧЕНКО, С.Ю.КРАВЧЕНКО

Вінницький національний технічний університет ПІДВИЩЕННЯ ЕФЕКТИВНОСТІ ЕМІСІЙНО-СПЕКТРАЛЬНОГО

КОНТРОЛЮ В ПЛАЗМОВІЙ ТЕХНОЛОГІЇ Досліджена можливість організації контролю плазмохімічних процесів в мікроелектронній технології на

основі використання сумарного інтегрального випромінювання декількох спектральних ліній або смуг, зміна інтенсивності яких відображає хід технологічного процесу травлення мікроструктур, зокрема, спектральних ліній збуджених атомів хлору в діапазоні довжин хвиль 725,6– 754,4 нм.

The possibility of controlling plasma processes in microelectronic technology on the basis of the total integral radiation of several spectral lines or bands change in intensity which reflects the technological process of digestion microstructures, in particular, the spectral lines of excited chlorine atoms in the wavelength range 725.6 – 754.4 nm

Ключові слова: плазмохімічна технологія, емісійно‐спектральний контроль, чотирихлористий вуглець, ефективність.

Вступ

Питання ефективності контролю в мікроелектронній плазмохімічній технології, яка на даний час практично безальтернативно забезпечує точність відтворення функціонального рельєфного рисунку на кремнієвих пластинах до Ø300 мм на рівні 0,13 мкм [1], пов’язане з суттєвим зменшенням розмірів функціональних елементів інтегральних мікросхем і їх ущільненням в межах самої мікросхеми. В основу розробок сучасних систем контролю за ходом технологічного процесу при плазмохімічному травленні мікроструктур здебільшого покладено метод, який ґрунтується на використанні ємісійно-спектрального методу дослідження параметрів нерівноважної плазми [2– 3], сутність якого полягає в реєстрації та дослідженні оптичного спектру власного випромінювання збуджених атомів та молекул [4– 6], а переваги забезпечуються можливістю відносно простого оперативного отримання інформації про хід цільового технологічного процесу і його безконтактність.

При достатньо великому співвідношенні сигнал/шум відносно прості задачі управління, наприклад, визначення моменту закінчення цільового процесу травлення, вирішуються на основі візуальної інтерпретації кінетичних кривих сигналу реального часу і порівнянням зі зразковими записом сигналу. Складності для розв`язання цієї простої задачі виникають по мірі зменшення площі пластини, яка піддається плазмовому травленню (в такому випадку складова шуму у співвідношенні сигнал/шум збільшується) [1, 7]. Проблеми виникають також при здійсненні багатостадійних процесів, які пов’язані зі зміною плазмоутворюючих газів та механізму взаємодії хімічно активних частинок плазми з поверхнею твердого тіла.

За таких умов вирішення основної задачі (забезпечення ефективного і надійного контролю плазмохімічного процесу) можливе лише шляхом застосування нетрадиційних підходів як при реєстрації інформаційних сигналів, так і при їх обробці.

Підвищення ефективності емісійно-спектрального контролю плазмохімічних процесів на даний час вирішується різними методами: підвищенням чутливості відповідних фотоелектронних сенсорів, введенням частотного перетворення інформаційного сигналу [8], запровадженням багатоканального контролю [9– 12], використанням сучасної мікропроцесорної техніки [11].

Мета даної роботи – аналіз можливостей підвищення ефективності контролю плазмохімічних процесів в мікроелектроніці за рахунок спрощення структури контролюючих приладів і використання в якості інформаційного сигналу інтегрального власного випромінювання декількох спектральних ліній або смуг продуктів розкладання основної молекули плазмоутворюючого газу.

Аналіз проблеми Аналіз проблеми будемо проводити на прикладі використання в якості плазмоутворюючого газу

чотирихлористого вуглецю або тетрахлорметану (CCl4). Цей газ широко використовується в мікроелектронній плазмовій технології при плазмохімічному травленні мікроструктур з арсеніду галію, металевих плівок (Al, Cu), інших матеріалів, що знайшли застосування в сучасній мікро- та наноелектроніці [12].



Дослідження плазми чотирихлористого вуглецю [13, 14] показали, що в первинних актах розкладання в плазмі основної молекули утворюються радикали CCl3, CCl2, атоми та молекули хлору. Радикали CCl утворюються лише у вторинних хімічних реакціях і їх концентрація в плазмі не є значною (приблизно 1– 2 %). В той же час найбільшу концентрацію в такій плазмі мають радикали CCl2, які є достатньо хімічно активними, і атоми хлору [15].

Логічно було б передбачити, що інтенсивність випромінювання цих частинок повинна бути найбільшою і придатною для використання відповідних спектральних ліній або смуг в якості інформаційних сигналів при організації емісійно-спектрального контролю за ходом цільового технологічного процесу, оскільки інтенсивність спектральних ліній і смуг напряму залежить від концентрації відповідних збуджених частинок плазми [14– 15], а зміна цієї концентрації внаслідок взаємодії хімічно активних частинок плазми з поверхнею твердого тіла буде опосередковано відображати в часі хід процесу травлення тої чи іншої структури.

Спектр випромінювання розряду (рис. 1) [13] реєстрували за допомогою монохроматора МДР-4 (ФЭУ-85, ФЭУ-100) на самописному приладі ЛКС-4 в діапазоні тисків 25– 70 Па та густин струму розряду 4– 20 мА/см2.

Як бачимо, що в області 450– 650 нм на фоні досить інтенсивного континууму, який відносять до випромінювання збуджених радикалів ССl3, спостерігаються чіткі спектральні лінії атомів хлору (перша і друга позитивні системи), а також смуги радикалу ССl2, інтенсивність яких зростає по відношенню до інтенсивності континууму зі зростанням густини струму. Збуджені радикали ССl, які є результатом вторинних хімічних реакцій, випромінюють переважно в ультрафіолетовій області ( = 278 нм).

425,6

508

ClII

516

ClI

524

533 542

551

CCl2

ClI

725,6

ClI

ClI

,мм 700 650 600 550 500 450

Рис. 1. Спектр випромінювання плазми постійного струму в CCl4, в області 400 – 800 нм; р = 60 Па, j = 4 мА/см2

Аналіз спектру випромінювання нерівноважної плазми, що збуджується в газовій суміші на основі

чотирихлористого вуглецю показує, що використання в якості джерел інформаційного сигналу для здійснення емісійно-спектрального контролю випромінюючих переходів збуджених радикалів CCl2 є недоцільним, оскільки відповідні спектральні смуги не є достатньо інтенсивними на фоні континууму і не вирізняються хорошою роздільною здатністю. Використання ж спектральних смуг радикалів CCl3 та CCl недоцільне крім того внаслідок малої відносної концентрації цих радикалів в плазмі.

В той же час, в області довжин хвиль 725,6– 754,4 нм спостерігаються спектральні лінії атомарного хлору (перша позитивна система), які є достатньо інтенсивними і відокремленими від інших спектральних ліній або смуг. Атоми хлору при розкладанні в плазмі основної молекули плазмоутворюючого газу мають одну з найбільших концентрацій, хімічно дуже активні при взаємодії такої плазми з поверхнею твердого тіла, а значить, вступаючи в хімічні реакції з матеріалом поверхні напівпровідникової пластини, змінюють свою відносну концентрацію, що безперечно змінить інтенсивність випромінюючих переходів для збуджених атомів хлору. Крім того, розташування цих спектральних ліній на спектральній характеристиці і їх відокремленість і в той же час компактність дозволяє використовувати для організації спектрального контролю не одну з цих ліній, а їх сукупність, тобто, використовувати сумарне інтегральне випромінювання кількох спектральних ліній, що безумовно суттєво підвищить чутливість відповідних фотоперетворювальних сенсорів.

Треба зазначити, що ефективність контролю не пов’язана лише зі збільшенням чутливості фотодетекторів, але й із апаратурною складністю розробляємих пристроїв та ступенем універсальності методики контролю.

Так в свій час практичні технологічні пристрої емісійно-спектрального контролю були позбавлені універсальних і відповідно дорогих вимірювальних приладів (спектрографів, монохроматорів), а натомість в систему контролю були введені відносно прості і значно дешевші оптичні інтерференційні фільтри [6, 7, 9], які давали можливість при незначних втратах інтенсивності виокремлювати на відповідній довжині хвилі із смугою пропускання 10– 12 нм ту чи іншу частину загального спектру випромінювання плазми, що



представляла інформаційний інтерес для контролю плазмохімічного технологічного процесу. В той же час застосування таких оптичних фільтрів не завжди було простим, оскільки

випромінювання збуджених продуктів взаємодії плазми з поверхнею твердого тіла дуже часто, як, наприклад, при травленні алюмінію [16], відбувалось поза межами видимого діапазону, а саме на довжині хвилі = 261,4 нм (спектральна смуга молекули AlCl).

Особливістю ж запропонованої концепції організації емісійно-спектрального контролю плазмохімічних процесів є можливість відмовитись від спектральних приладів, які, зазвичай використовуються для виділення певної спектральної лінії або смуги, придатної для використання в якості джерела інформаційного сигналу, оскільки максимум спектральної чутливості деяких фотодетекторів на основі кремнію або селеніду кадмію [17] як раз і знаходиться у вказаному діапазоні, а область чутливості таких детекторів практично співпадає з зазначеним діапазоном довжин хвиль.

Висновок На основі аналізу метода емісійно-спектрального контролю і експериментальних даних щодо

спектру випромінювання нерівноважної плазми чотирихлористого вуглецю запропоновано нову концепцію організації контролю плазмохімічних процесів в мікроелектронній технології на основі використання сумарного інтегрального випромінювання декількох спектральних ліній або смуг, зміна інтенсивності яких відображає хід цільового технологічного процесу травлення мікроструктур. Згідно з цією концепцією при використання в якості плазмоутворюючого газу чотирихлористого вуглецю рекомендовано використовувати в якості джерела інформаційного сигналу спектральні лінії збуджених атомів хлору в діапазоні довжин хвиль 725,6– 754,4 нм.


1. Орликовский А.А. Диагностика in situ плазменных технологических процессов

микроэлектроники: Современное состояние и ближайшие перспективы. Часть IV / А.А. Орликовский, К.В. Руденко, Я.Н. Суханов // Микроэлектроника. – 2001. – Т. 30. – 6. – С.403– 433.

2. Методы исследования плазмы /Под ред. В. Лохте-Хольдгревена. – М. : Мир, 1971. – 552 с. 3. Диагностика плазмы / Под ред. Р. Хадлстоуна, С. Леонарда – М. : Мир, 1967. – 515 с. 4. Контроль процессов травления материалов в низкотемпературной газоразрядной плазме /

В.С.Данилин, В.Ю.Киреев, В.А.Каплин та ін // Приборы и техника эксперимента. – 1982. – 1. – С. 13– 28. 5. Исследование и контроль плазмохимических процессов / Н.К.Юдина, М.С.Чупахин, Э.А.Лебедев,

Н.Н.Федоров // Зарубежная электронная техника. – 1980. – Вып. 3 (223). – С. 3 – 54. 6. Даниленко О.О. Оптичний емісійно-спектральний контроль процесів травлення в

низькотемпературній плазмі / О.О.Даниленко, Ю.С.Кравченко, В.С.Осадчук // Оптико-електронні інформаційно-енергетичні технології – 2005. – 2 (10). – С. 173– 180.

7. Кравченко Ю.С. Шляхи підвищення ефективності контролю і управління плазмохімічними процесами / Ю.С. Кравченко, В.С. Осадчук, С.Ю. Кравченко // Вісник ВПІ. – 2007. – 6. – С.119 – 125.

8. Осадчук О.В. Мікроелектронні частотні перетворювачі на основі структур з від’ємним опором / Осадчук О.В. – Вінниця : УНІВЕРСУМ – Вінниця, 2001. – 303 с.

9. Пат. України 26976, Н01L 21/302. Спосіб визначення моменту закінчення процесу плазмохімічного травлення / Кравченко С. Ю., Кравченко Ю. С., Осадчук В. С., Осадчук О. В. – 2007. – Бюл. 16.

10. Диагностика плазмохимического травления SiO2/Si и определение момента окончания травления / Ю.П. Барышев, А.П. Ершов, К.Ш. Исаев и др // Микроэлектроника. – 1996. – Т. 25. – 5. – С. 373– 379.

11. Багатоканальна система реєстрації спектру випромінювання нерівноважної плазми / В.М.Білилівський В.М., С.Ю.Кравченко, Ю.С.Кравченко, В.С.Осадчук // Вісник Вінницького політехнічного інституту. – 2011. – 4. – С. 173– 178.

12. Кравченко С.Ю. Багатоканальні системи для оптичного емісійно-спектрального контролю плазмохімічних процесів травлення мікроструктур / С.Ю. Кравченко, Ю.С. Кравченко, В.С. Осадчук // Оптико-електронні інформаційно-енергетичні технології – 2011. – 1 (21). – С. 127– 135.

13. Кравченко Ю.С. Начальные стадии разложения тетрахлорметана в неравновесных электрических разрядах / Ю.С. Кравченко, B.C. Осадчук, Д.И. Словецкий, В.Н. Коровянко // Химия высоких энергий. – 1989. – Т. 23. – 5. – С. 444 – 449.

14. Кравченко Ю.С. Релаксаційний метод дослідження плазмохімічних процесів / Ю.С. Кравченко, B.C. Осадчук, С.Ю. Кравченко // Оптико-електронні інформаційно-енергетичні технології. – 2006. – 1 (11). – С. 215– 121.

15. Кинетика образования и гибели атомов и молекул хлора, хлоруглеродных радикалов в тлеющем разряде в тетрахлорметане / Ю.С. Кравченко, B.C.Осадчук, Д.И.Словецкий, С.В.Таранов // Химия высоких энергий. – 1989. – Т.23. – 6. – С. 539– 544.

16. Curtis B.J. Optical End-Point Detection for the Plasma Etching of Aluminium / B.J.Curtis // Solid State Technology. – 1980. – V. 23. – 4. – P. 129– 132.

17. Справочник по приемникам оптического сзлучения / В.А. Волков, В.К. Гассанов и др. – К. : Техніка, 1985. – 216 с.


Рецензент: д.т.н. Білинський Й.Й.



УДК 616.71 Й.Й. БІЛІНСЬКИЙ, Б.П. КНИШ Вінницький національний технічних університет

КЛАСИФІКАЦІЯ МЕТОДІВ МОНІТОРИНГУ

ЗОВНІШНЬОГО ДИХАННЯ ЛЮДИНИ У статті розглянуто основні методи моніторингу зовнішнього дихання та наведено їх переваги й

недоліки. Запропоновано класифікацію методів моніторингу зовнішнього дихання. In the article the basic methods of research respiratory and their advantages and disadvantages are resulted.

Classification of methods of research respiratory is offered. Ключові слова: дихання, кисень, вуглекислий газ.

Вступ Дихання – сукупність процесів, які забезпечують потребу кисню для організму і виділення

вуглекислого газу. Надходження кисню з атмосфери до клітин необхідне для біологічного окислення органічних речовин, в результаті якого звільнюється енергія, потрібна для життя організму. В процесі біологічного окислення утворюється вуглекислий газ, який підлягає виведення з організму. Припинення дихання веде до загибелі спочатку нервових клітин, а потім всіх інших [1, 2].

Актуальність проведення моніторингу зовнішнього дихання [5] в клінічних умовах обумовлена постійно зростаючою складністю і тривалістю хірургічних втручань, збільшенням важкості функціональних розладів у хворих та ускладненням технічних засобів, що використовуються в клінічній практиці. Значення цього процесу полягає в своєчасній діагностиці порушень і профілактиці важких ускладнень, зокрема зупинки серця і дихання, правильнішій тактиці інтенсивної терапії і вищій ефективності лікування. Застосування його в клінічній практиці дозволяє лікарям не тільки отримати важливу інформацію про стан пацієнта, але і прослідкувати процес зміни дихання у часі і зробити з цього необхідні висновки [6].

Дихання в людині включає - клітинне дихання (сукупність біохімічних реакцій живих організмів, що протікають в клітинах,

в ході яких відбувається окислення вуглеводів, ліпідів і амінокислот) [3]; - зовнішнє дихання – це збірний термін, який описує процеси руху повітря дихальними шляхами,

розподілення його в легенях і переносу газів з повітря в кров і назад [4]. На практиці при дослідженні зовнішнього дихання виникає необхідність вибору методу, оскільки

існує широкий спектр специфічних задач їх застосування, виходячи з умов експлуатації. Тому постає потреба в класифікації цих методів, яка б повно характеризувала весь клас методів і сенсорів на їх основі. При цьому повинні бути враховані як особливості методів, їх залежність від фізичного процесу, на основі якого вони працюють, так і конкретні реалізації приладів. Таким чином метою статті є аналіз відомих методів моніторингу зовнішнього дихання та їх класифікація.

Класифікація методів моніторингу зовнішнього дихання Повноцінний моніторинг функції зовнішнього дихання (ФЗД) передбачає проведення дослідження

методами, результати яких дають уявлення про різні аспекти роботи цього процесу. До цих методів відносяться спірометрія, оксиметрія, пікфлуометрія, пневмотахометрія та пневмотахографія, електроенцефалографія, капнометрія, бодіплетизмографія, моніторинг напруги кисню в крові [7– 11, 20].

На рис. 1 наведена запропонована класифікація методів моніторингу зовнішнього дихання. Спірометрія – це реєстрація протягом певного часу змін об’єму легень при дихальних рухах. Вона

дає можливість оцінити ефективність легеневої вентиляції при спокійному та форсованому диханні (конвекційний метод).

Спірометрія дозволяє: - об’єктивно оцінити симптоми, ознаки і патологічні результати лабораторних тестів; - дати оцінку впливу захворювання на функцію легень; - виявляти осіб з ризиком захворювання легень; - оцінити передопераційний ризик; - оцінити прогноз захворювання; - оцінити статус здоров’я перед початком значних фізичних навантажень [12]. Однак спірометрію не можна використовувати при інфаркті міокарда, інсульті, пневмонії,

туберкульозі [13]. Оксиметрія – це вимірювання вмісту кисню в різних середовищах, як рідких так і в газоподібних.

Не зважаючи на очевидну важливість оксиметричного контролю, він отримав розповсюдження лише протягом останніх двох десятиліть. Така затримка пов’язана, в основному, з досить серйозними технічними проблемами, які вдалося вирішити відносно недавно [10].

Оксиметрія поділяється на повільну та швидку. Перша є електрохімічним методом, а інша – на основі парамагнітного ефекту.



Методи моніторингу зовнішнього дихання

Абсорбційна

Спектрофотом

етрична абсорбційний

Оксигемометрична

Електрохімічна

Парамагнітна

Електрохімічний

Теплоелектричний

Мас

-спектрометрична

Раманівська

спектрометрична



фотоакустична

Моніторинг напруги

кисню

в крові

Капнометрія

Спірометрія

Пневмотахографія

Оксим

етрія

Пікфлуом

етрія

Конвекційна


Електрична

Електро

-енцефалографія


Баром

етрична

Пневмотахом

етрія

В головному

мозку

В дихальном

у потоці

Поза дихальним

потоком

Мікроструйна

В артеріях і

артеріолах

Механічна

Електрична

Фотоелектрична

Механічна

Бодіплетизмографія

Рис. 1. Методи моніторингу зовнішнього дихання

Повільна оксиметрія відрізняється малою швидкістю відгуку на зміну концентрації кисню:

звичайний час реакції – 2– 3 с (в деяких випадках – 15 с). Дуже рідкісні моделі оксиметрів мають час реакції 0,6– 1 с. Головне, якщо не єдине, призначення оксиметрів даного типу – відслідковувати вміст кисню в газі, що вдихається чи видихається, тому повільна оксиметрія по своїй суті є методом моніторингу наркозо-дихальної апаратури і не дає ніякої інформації про стан пацієнта. Але, не зважаючи на це, повільна оксиметрія володіє рядом суттєвих переваг – оксиметри відносно недорогі, компактні, дуже прості в



користуванні і здатні своєчасно виявляти зміни концентрації кисню в дихальній суміші. Швидка оксиметрія не тільки виконує всі функції повільної оксиметрії, але й надають велику

кількість додаткової корисної інформації. Вона виявляє деякі розлади газообміну в десятки разів швидше, ніж пульсоксиметри і капнографи. Основою роботи є парамагнітний принцип. За оксиграмою можна контролювати частоту, ритм дихання, зміну альвеолярної вентиляції і вентиляційно-перфузійні відношення. Оксиметрія відрізняється високою швидкодією і, останнім часом, активно впроваджується в операційних та палатах інтенсивної терапії [10, 14]. Також варто виділити абсорбційну, спектрофотометричну та оксигемометричну оксиметрію.

Моніторинг зовнішнього дихання за допомогою абсорбційної оксиметрії проводиться в артеріях та артеріолах (пульсоксиметрія) і в головному мозку (церебральна) [15]. Основу методу пульсоксиметрії складає вимірювання поглинання світла певної довжини хвилі гемоглобіном крові.

Пульсоксиметри прості і зручні в експлуатації, портативні, безпечні для хворого і лікаря, не вимагають калібровки, забезпечують вимірювання відразу після підключення, а інформація, що отримується з їх допомогою, достатня для швидкої оцінки оксигенації (вентиляції) та гемодинаміки. Всі пульсоксиметри, які виробляються в даний час, володіють достатньою для роботи точністю. Помилка у визначенні О2 складає 1– 2 %. Найвища точність приладів в діапазоні О2 від 100 % до 80 %.

Серед недоліків пульсоксиметрів варто зазначити те, що на достовірність показників впливає температура навколишнього середовища: при низькій – сенсор перестає працювати внаслідок периферійної вазоконстрикції, при високій – сенсор перестає працювати, так як додаткове тепло, що йде від сенсора, призводить до утворення вологи на поверхні пальця. Причиною появи артефактів при проведенні пульсоксиметрії можуть бути такі стани, як залишкова зовнішня освітленість, рух, пульсація вен в кінцівках, опущених нижче рівня тіла, зміщення сенсора тощо. Обмежене використання цього контролюючого методу при низькій перфузії, пов’язаної з низьким серцевим викидом, вираженій анемії, високим загальним периферичним опором. Недоліком даного методу є неможливість визначення гістотоксичної гіпоксії та гіпероксії [15].

Церебральна оксиметрія є неінвазивним методом оцінки оксигенації головного мозку. Метод заснований на детектуванні параінфрачервоного випромінювання (довжина хвилі 730 і 810 нм) двома фотодіодами. Цей спеціальний технічний прийом – розділення фотодіодів – використовують для детекції сигналу від мозку, не змішаного з сигналами від екстрацеребральних тканин. Основною перевагою церебральної оксиметрії є неінвазивність. Цей простий у використанні метод дозволяє здійснювати контроль за оксигенацією головного мозку при проведенні різних короткочасних маніпуляцій. Однак використання методики обмежує велика кількість артефактів через диспозиції сенсорів і домішок екстрацеребральної крові [16].

Спектрофотометрична оксиметрія крові використовується у волоконно-оптичних оксиметрах, що використовуються для оцінки оксигенації венозної крові. Для цієї цілі використовуються спеціальні катетери підключичної вени чи легеневої артерії, що використовуються зазвичай для визначення параметрів внутрішньосерцевої гемодинаміки і додатково містять два ізольованих один від одного оптичних волокна. Моніторинг оксигенації венозної крові, що відбувається разом з визначенням серцевого викиду методом термодилюції, має високу діагностичну цінність, особливо в грудній хірургії при виборі тактики лікування в післяопераційному періоді. Також спектрофотометрична оксиметрія використовується в церебральних оксиметрах для моніторингу величини регіональної сатурації крові в судинах мозку. Для визначення сатурації крові застосовують випромінювання ближньої ІЧ області в діапазоні 650...1100 нм. ІЧ випромінювання глибоко проходить в тканини, що дозволяє використовувати сенсори, що накладаються на шкіру лоба пацієнта [6, 12]. Відповідно фізіологічним даним, судинне русло кожної ділянки мозку на 75 % складається з венозних, 20 % артеріальних і 5 % капілярних судин. Таким чином, значення величини сатурації крові виявляються усередненими і найбільш близькими до сатурації венозної крові, що тече з мозку [17].

Оксигемометрія – метод визначення степені насичення крові киснем для оцінки ефективності функції зовнішнього дихання, який оснований на різниці спектрів поглинання в оксигемоглобіні і відновлювальному гемоглобіні. Відновлювальний гемоглобін в розчинах поглинає червоне світло (λч = 620…680 нм), що проходить, на багато сильніше, чим розчин оксигемоглобіну. В однаковій степені поглинається цими формами гемоглобіну інфрачервоне випромінювання (λІЧ = 810 нм). Визначення оксигемоглобіну по пробі крові (0,4 мл) виконують кюветні оксигемометри, перевагою яких є отримання абсолютних значень концентрації оксигемоглобіну, а недоліком – короткочасна придатність взятих проб крові [18].

Пікфлоуметрія – метод моніторингу пікової швидкості видиху (ПШВ), яка вимірюється в літрах на 1с, для оцінки ступеня обструкції дихальних шляхів, тобто вона є конвекційним методом. Моніторинг ПШВ стало можливим після виготовлення відносно дешевого і легкого у використанні пристрою – пікфлуометра, яким можуть користуватися самі пацієнти, але це має один недолік: результати вимірювань залежать від власних зусиль пацієнта. Тому хворого необхідно чітко проінструктувати про те, як належить виконувати маневр форсованого видиху [19].

Основними завданнями моніторингу ПШВ є: - планування лікування обструктивних захворювань легень;



- оцінка ефективності лікування бронходилататорами та інгаляційними глюкокортикоїдами; - прогнозування загострень бронхіальної астми; - визначення зворотності бронхіальної обструкції; - визначення професійної астми; - ідентифікація механізмів, які провокують бронхоспазм. Моніторинг ПШВ можна застосовувати при амбулаторному лікуванні та спостереженні за хворими

у стаціонарних умовах для оптимізації лікування або пацієнти можуть самостійно використовувати для самоконтролю та виконання плану призначеної терапії. [19].

Чутливими методами моніторингу зовнішнього дихання є пневмотахометрія і пневмотахографія. Пневмотахометрія виконується конвекційним та барометричним методами, а пневмотахографія виконується за допомогою механічного, електричного та фотоелектричного методів.

За допомогою пневмотахометрії можна визначити максимальну швидкість повітряного струменя на вдиху та видиху. Пацієнт через спеціальну трубку, з’єднану з манометром, робить форсований вдих або видих. За шкалою манометра зчитують об’ємну швидкість вдиху й видиху, які в нормі становлять у жінок – 4– 6 л/с, у чоловіків – 5– 8 л/с [10].

Серед недоліків методу варто зазначити заниженість максимальних значень параметрів дихання, причому у невизначеній мірі. Це призводить до великого розкиду пневмотахометричних показників та, відповідно, їх низької відтворюваності [20].

Пневмотахографія дає повніше уявлення про механіку дихання. Вона дозволяє виміряти об’ємні швидкості та тиски, які виникають у різні фази спокійного та форсованого дихання, точніше оцінити бронхіальну прохідність. Сучасні пневмотахографи дають готові результати на кожному відрізку кривої у відсотках до належної величини. Незначним прийнято вважати зменшення значень вказаних швидкісних показників до 40 % належної величини, значним – до 39– 20 % і різким – нижче 20 % [10].

Електроенцефалографію (ЕЕГ) застосовують при втручаннях на судинах головного мозку, при штучному кровообігу, а також при керованій гіпотонії для оцінки адекватності оксигенації головного мозку, яка виконується за допомогою електричного методу. ЕЕГ застосовують досить обмежено, тому що електроенцефалограф займає багато місця, інтерпретація результатів складна і ефективність методу під питанням. Точність ЕЕГ сумнівна у хворих зі стійким ушкодженням головного мозку (інсульт). Зміни, які відповідають ішемії головного мозку (пригнічення високочастотної активності), можуть імітуватися такими станами, як гіпотермія, вплив анестетиків, електролітні порушення і виражена гіпокапнія. Тим не менш, виявлення відхилень на ЕЕГ орієнтує анестезіолога на пошук можливих причин ішемії, що в ряді випадків дозволяє запобігти необоротне ушкодження головного мозку. Математична обробка величезних масивів інформації, отриманої при ЕЕГ (періодичний аналіз, аперіодичний аналіз, спектральний аналіз), дозволяє спростити інтерпретацію даних. На жаль, комп’ютерний аналіз зазвичай відбувається на шкоду чутливості [9, 21 – 23].

Капнометрія – це вимірювання і цифрове відображення концентрації чи парціального тиску вуглекислого газу в газовій суміші, що вдихається та видихається [24].

Капнометрія використовується для: - визначення концентрації вуглекислого газу в газовій суміші, що вдихається, і в кінцево-

експіраторній порції газу, що видихається; - вимірювання частоти дихальних рухів; - аналіз форми капнограми дозволяє діагностувати різні патологічні стани метаболічної, серцево-

судинної і дихальної систем, а також своєчасно виявляти деякі ускладнення анестезії, інтенсивної терапії та штучної вентиляції легень [23].

Відомо ряд методів капнометрії, а саме мас-спектрометрична, раманівська спектрометрична, абсорбційна та абсорбційна фото акустична [8].

Мас-спектрометрія заснована на тому, що гази з ідентичною молекулярною масою (CO2 і N2O) диференціюються по відхиленню в магнітному полі їх фрагментів, що утворюються при бомбардуванні газу пучком електронів. Кожний потік розсіяних таким чином іонів буде реєструватись відповідним приймачем.

Недоліком мас-спектрометрів є їх висока вартість, складність, повільність роботи, але важливою перевагою є надвисока точність вимірювання і можливість одночасного визначення відразу всіх компонентів газової суміші одним методом. В даний час мас-спектрометри в основному використовуються в науково-дослідних лабораторіях [8].

В якості альтернативного методу газоаналізу була запропонована раманівська спектроскопія. Раманівська спектроскопія дозволяє ідентифікувати гази і вимірювати їх концентрацію шляхом аналізу світлового випромінювання молекул газу при їх поверненні до початкового енергетичного стану після впливу лазерним променем. Величина "раманівського" хвилевого зсуву для кожного газу є специфічною, що дозволяє проводити ідентифікацію газів в пробі. Концентрація газу визначається по інтенсивності вторинного випромінювання. Також, як і мас-спектрометрія, метод раманівської спектроскопії дозволяє визначити концентрацію всіх компонентів газової суміші. Результати мас-спектрометрії та раманівської спектроскопії в рівній степені точні, не дивлячись на наявність принципіальних відмінностей в технології. Переваги раманівської спектроскопії полягають в більш швидкому отриманні результатів і в можливості самокалібрування [8].



В останні роки лідируюче положення на ринку медичних капнографів зайняли абсорбційні, тобто інфрачервоні оптичні газоаналізатори. Цьому сприяли:

- низька, в порівнянні з мас-спектрометрами і раманівськими спектроскопами, вартість моніторів;

- надійність і простота в експлуатації; - точність вимірювання, хоч і менша, ніж в мас-спектрометрії і раманівській спектроскопії, але

достатньо об’єктивна для клінічного використання; - швидке отримання результатів; - безперервне вимірювання концентрації CO2, що забезпечує адекватне відображення капнограми

на дисплеї; - невеликі, в порівнянні з мас-спектрометрами і раманівськими спектроскопами, розміри і маса

моніторів. Капнографи, що працюють на основі інфрачервоного оптичного аналізу, отримали найбільш

широке розповсюдження в світовій медичній практиці. Метод інфрачервоної оптичної капнометрії заснований на властивості несиметричних молекул газу (вуглекислий газ – CO2, закис азоту – N2О, пари води – H2О, летучі анестетики) поглинають інфрачервоне випромінювання. Традиційна інфрачервона оптична капнометрія за способами вимірювання концентрації CO2 поділяється на:

- капнометрію безпосередньо в дихальному потоці; - капнометрію поза дихального потоку з безперервним відбором проби газу. Газоаналізатори, що працюють по принципу капнометрії в дихальному потоці, мають сенсор

(вимірювальна камера) для вимірювання концентрації CO2 безпосередньо в дихальному контурі і вимірювання CO2 проходить в місці контакту сенсора з дихальною сумішшю. Розташування сенсора і сам принцип вимірювання обумовлює підвищену швидкодію (час реакції 30– 60 мс). Відсутність в необхідності постійного відбору проб газу і помпи робить цю капнометрію найбільш оптимальною при анестезії по закритому контуру. Крім того немає необхідності в зневодненні газової суміші.

Однак цей метод капнометрії не позбавлений і досить суттєвих недоліків: - адаптери основного потоку і сам сенсор важкі і громіздкі, і тим самим некомфортні для

пацієнту (особливо для дітей і новонароджених); - велика маса адаптера і сенсора сприяє перегину інтубаційних трубок; - великі розміри адаптера сприяють збільшенню мертвого простоту; - завжди присутній ризик поломки сенсора, особливо при проведенні екстрених процедур

(вартість сенсорів іноді досягає 1200– 1500$ США); - неможливість визначення інших компонентів газової суміші, крім CO2; - неможливість використання різноманітних адаптерів; - висока вартість витратних матеріалів і, особливо, сенсорів; - потреба регулярної очистки адаптера; - між використаннями адаптери потрібно стерилізувати [8]. Капнометрія поза дихального потоку отримала найбільш широке розповсюдження. Із потоку газу,

що вдихається і видихається, за допомогою спеціальної помпи по тонкій пластиковій трубці-магістралі безперервно відкачується з постійною швидкістю частина газу і подається до вимірювальної камери, яка розташована всередині монітора. Такий підхід до проблеми вимірювання концентрації CO2 дає можливість одночасного визначення концентрації кількох газів в одній пробі. Крім того, використання набору різноманітних легких адаптерів для самих різних клінічних ситуацій, і для різних вікових категорій пацієнтів є на кілька порядків дешевше, ніж придбання комплексу капнографів в дихальному потоці. Однак цей метод має ряд недоліків:

- необхідність зневоднення аналізуючого газу; - висока швидкість забору проби газу (150– 200 мл/хв) обмежує використання метода у

новонароджених і дітей; - контамінація вбудованих фільтрів і пасток для води, а в деяких моделях через недостатню

якість фільтрів контамінуються і сенсори; - блокування магістралей каплями конденсату і мокроти може призводити до турбулентності

потоку, і як наслідок, до спотворення форми капнограми і артефактним значенням отриманих показників; - достатньо часті поломки газової помпи; - постійні затрати на придбання різноманітних витратних матеріалів (адаптерів, магістралей,

фільтрів, калібрувального газу) [8]. Мікроструйна капнометрія відрізняється тим, що в капнографах на вимірювальну камеру з

досліджуваним газом направляється потік інфрачервоного випромінювання тільки специфічної для CO2 довжини хвилі, що і дозволило відмовитись від вже непотрібних тепер фільтрів і крильчатки-переривача потоку, що обертається. Це було досягнуто завдяки заміні традиційного інфрачервоного джерела на мініатюрний лазерний монохроматичний випромінювач. Скорочення шляху світлового потоку до вимірювальної камери дозволило зменшити ії розміри до 15 мкм3, що, в свою чергу, дало змогу скоротити швидкість відкачки тест-газу до 50 мл/год.

Варто відмітити, що використання лазерного джерела інфрачервоного випромінювання дозволило



звузити спектр інфрачервоного потоку, що випромінюється, до діапазону 0,15 мкм, тобто в 135 разів менше, чим діапазон інфрачервоного випромінювання традиційних капнографів. Вузький діапазон інфрачервоного випромінювання усунув проблему перехресної чутливості звичайних широкоспектральних інфрачервоних променів, які поглинаються не тільки CO2, але і N2О, летучими анестетиками, а також водяною парою. Крім того, потреба в калібровці монітора взагалі відпала сама собою [8].

Абсорбційний фотоакустичний аналіз заснований на тому, що перехід молекул газу в збуджений стан під дією інфрачервоних хвиль супроводжується появою звуку. Для кожного газу є своя визначена, специфічна довжина хвилі інфрачервоного випромінювання, при якій молекули даного газу здійснюють перехід в збуджений стан. Амплітуда звуку, що з’являється при цьому, залежить від концентрації даного газу в суміші. Дана технологія відрізняється високою точністю вимірювання та, за її допомогою, можна вимірювати концентрацію CO2, N2O і летучих анестетиків [8].

Бодіплетізмографія – метод дослідження зовнішнього дихання, переважно бронхіального опору, шляхом співставлення показників пневмотахометрії з показниками механічного коливання грудної клітки під час дихального циклу.

Метод дозволяє визначити усі легеневі ємності, у тому числі залишковий об’єм легень (ЗОЛ) – певну кількість повітря (1000– 1500 мл), яка залишається в легенях після максимального глибокого видиху, а також загальну ємність легень (ЗЄЛ), яка складається з ЖЄЛ і ЗОЛ. При бодіплетізмографії обчислюють також загальний і специфічний ефективний бронхіальний опір.

На відміну від пневмотахометрії та пневмотахографії дослідження функції зовнішнього дихання, результати бодіплетізмографії не пов’язані з вольовим зусиллям пацієнта і є найбільш об’єктивними [19]. Метод моніторингу напруги кисню в крові поділяється на електрохімічний та теплоелектричний. При електрохімічному методі оцінки напруги кисню в артеріях використовується електричний аналіз проб крові. В цьому випадку струм, який реєструється, виявляється пропорційним величині О2 в пробі крові, що досліджується.

Для теплоелектричного методу визначення О2 використовуються мембрані сенсори, в яких під дією нагрівання кисень з капілярних судин дифундує в епідерміс, а потім в електролітичну комірку, де проходить вимірювання. Порівняння вимірювачів О2 з пульсоксиметрами показує, що останні володіють більшою чутливістю до сильної гіпоксемії, більш високою (в 5...8 разів) швидкодією вимірювань. Крім того, монітори О2 вимагають постійного обслуговування сенсорів. Однак значення О2 є кращими показниками при гіпероксемії, чим значення сатурації кисню [6, 15, 25].

Висновок В роботі проведено аналіз існуючих методів моніторингу зовнішнього дихання, запропоновано їх

класифікацію. Описані особливості методів, їх залежність від фізичного процесу, на основі якого вони працюють. Встановлено, що для моніторингу кисню досить точною є плетизмографія, але вона вимагає складної та точної апаратури. Також активно розвивається та завойовує популярність парамагнітна оксиметрія, завдяки своїй високій швидкодії. Для моніторингу вуглекислого газу мас-спектрометрична та раманівська спектрометрична капнометрії є надзвичайно точними, але прилади на їх основі дуже складні, громіздкі та вартісні, тому практично не використовуються. Найкращим ж методом моніторингу CO2 є мікроструйна абсорбційна капнометрія, завдяки простоті, високій швидкодії та інформативності.

З наведеного вище порівняльного аналізу відомих методів моніторингу зовнішнього дихання можна зробити висновок, що розроблена класифікація висвітлює всі основні методи і прилади на їх основі.


1. Гальперин С.И. Физиология человека и животных / Гальперин С.И. – М. : Высшая школа, 1970. –

454 с. 2. Бабский Е.Б. Физиология человека / Бабский Е.Б. – М. : Медицина, 1985. – 502 с. 3. Клітинне дихання [Електронний ресурс] / Ukrainian Context Optimizer. – Режим доступа:

http://slovopedia.org.ua/29/53402/13224.html. 4. Функция внешнего дыхания (исследование) [Електронний ресурс] / Ukrainian Context Optimizer. –

Режим доступа: http://www.med.ru/patient/diseases/operation.php?id=574 5. Технічні аспекти розробки монітора дихання / [В.О. Лопата, О.О. Петрова, П.М. Чорний, та ін.] //

Электроника и связь. – 2008. – 2. – С. 137– 140. 6. Можливості застосування моніторингу дихання в клінічній практиці / [Коваленко М.М.,

Маньковська І.М., Носар В.І. та ін.] // Электроника и связь. – 2008. – 2. – С. 131– 136. 7. Респираторный моніторинг [Електронний ресурс] / Ukrainian Context Optimizer. – Режим доступа:

http://www.symona.ru/school/monitoring-breath/monitoring-breath_74.html. 8. Мониторинг (общин вопросы) [Електронний ресурс] / Ukrainian Context Optimizer. – Режим

доступа: http://www.symona.ru/school/monitoring-general/monitoring_11.html. 9. Моніторинг газів і ЦНС [Електронний ресурс]: Ukrainian Context Optimizer. – Режим доступа:

http://ua-referat.com. 10. Шурыгин И.А. Мониторинг дыхания: пульсоксиметрия, капнография, оксиметрия / Шурыгин

И.А. – М. : Издательство БИНОМ, 2000. – 301 с.



11. Дослідження функції дихання [Електронний ресурс] / Ukrainian Context Optimizer. – Режим доступа: http://intranet.tdmu.edu.te.ua/data/cd/tuberkulez/html/Rozdil08/r08.html.

12. Спирометрия в оценке нарушений функции дыхательной системы [Електронний ресурс] / Ukrainian Context Optimizer. – Режим доступа: http://health-ua.com/articles/2426.html.

13. Спирометрия ХОБЛ [Електронний ресурс] / Ukrainian Context Optimizer. – Режим доступа: http://www.medicaljournalsworld.com/topics.

14. Оксиметрия [Електронний ресурс] / Ukrainian Context Optimizer. – Режим доступа: http://www.pediatr-site.ru/187-oksimetriya.html.

15. Калакутский Л.И. Аппаратура и методы клинического мониторинга / Л.И. Калакутский, Э.С. Маннелис– М. : Высш.шк., 2004. – 156 с.

16. Oximetrix 3 – Sv02 Sistem. Abbott Lab. Ltd. – CA, USA, 1990. – 6 p. 17. Церебральная оксиметрия (rSO2) [Електронний ресурс] / Ukrainian Context Optimizer. – Режим

доступа: http://physiomed.com.ua/index.php/razdely-meditsiny/nevrologiya-i-nejrokhirurgiya/nejroreanimatsiya/ 132-nejromonitoring/524-cerebralnaya-oksimetriya-rso2.

18. Церебральный оксиметр INVOS-3100. – Somanetics Corp. Michigan, USA, 1990. – 6 p. 19. Функціональні методи дослідження в пульмонології [Електронний ресурс] / Ukrainian Context

Optimizer. – Режим доступа: http://medstrana.com/articles/130. 20. Пневмотахометрия [Електронний ресурс] / Ukrainian Context Optimizer. – Режим доступа:

http://www.spontan.ru/spravochnik-pulmonologa/504-pnevmotaxometriya.html. 21. Клиническая капнография [Електронний ресурс] / Ukrainian Context Optimizer. – Режим доступа:

http://www.basko.spb.ru/article_37.html. 22. Тінтіналлі Дж. Е. Невідкладна медична допомога / Тінтіналлі Дж. Е., Кроума Рл., Руїза Е. – М.:

Медицина, 2001. – 426 с. 23. Малишев В.Д. Інтенсивна терапія. Реанімація. Перша допомога: [навчальний посібник] /

Малишев В.Д. – М. : Медицина, – 2000. – 464 с. 24. Капнометрия и капнография (капнография в картинках) [Електронний ресурс] / Ukrainian

Context Optimizer. – Режим доступа: http://rusanesth.com/speczialistam/rukovodstva/3.html. 25. Medley W. Noninvasive Blood Gas Monitoring // Clinical Blood Gases. 1990. 281 – 301 р.

Надійшла 18.9.2012 р. Рецензент: д.т.н. Петрук В.Г.

УДК 621.391:004.73

Э.В. ФАУРЕ, А.С. БЕРЕЗА, Е.А. ЯРОСЛАВСЬКАЯ Черкасский государственный технологический университет

ОЦЕНКА ТОЧНОСТИ ВОСПРОИЗВЕДЕНИЯ ЗАКОНА РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ДИСКРЕТНОЙ СЛУЧАЙНОЙ ВЕЛИЧИНЫ ПРИ ЕЁ ПРЕОБРАЗОВАНИИ

Рассматриваются вопросы количественной оценки ошибки воспроизведения закона распределения

дискретной случайной величины при изменении ее области определения. Показано, что если первичный генератор порождает равномерно распределенную дискретную случайную величину с нулевой ошибкой воспроизведения, то после преобразования случайной величины возникает ошибка воспроизведения ее закона распределения. Решена задача минимизации ошибки воспроизведения закона распределения дискретной случайной величины при изменении ее области определения.

The problems of estimating the reproduction error value of the distribution of a discrete random variable with a change in its scale are reviewed in the article. It is shown that if the primary generator generates uniformly distributed discrete random variables with zeroerror reproduction law of distribution, then reproduction error of the distribution of the random variable appears after the transformation of the scale of the random variables at the output of the converter. Questions about minimization of reproduction error of the distribution of a discrete random variable after changing its scale are solved.

Ключевые слова: генератор случайных чисел, область определения случайной величины, ошибка воспроизведения закона распределения.

Введение

Многие практические задачи, в частности, задачи, связанные с криптографией или имитационным моделированием [1– 3], не могут быть решены без применения равномерно распределенных случайных последовательностей. В силу этого обстоятельства большинство компьютерных программ включают в себя процедуру генерации случайных чисел, за которой закрепилось название random. Для решения этой задачи программа random создает генератор равномерно распределенных на отрезке ]1,0[ 1 N чисел, при этом

величина N1 определяется разрядностью процессора. Для основной массы ныне используемых коммерческих ПЭВМ N1 = 2n

, где n = 32. При практическом использовании генератора случайных чисел

(ГСЧ) область определения равномерно распределенной случайной величины определяется конкретной



задачей и может отличаться от множества целых чисел отрезка ]1,0[ 1 N – например, включать все целые

числа отрезка ]1,0[ 2 N , где N2 < N1. В этом случае программа random сначала преобразует область

определения случайной величины из множества целых чисел отрезка ]1,0[ 1 N к множеству рациональных

чисел полуинтервала [0, 1) путем выполнения операции 1

^

N

xx , а затем вычисляет

1

22

^^

N

NxNxy , при этом 10 ^ x . Здесь выражение A означает целую часть (функцию пол)

числа А. Такая практика вычислений используется повсеместно, хотя вопрос точности воспроизведения случайных величин остается неизученным и, как следствие, вопрос точности конечного результата, обусловленный наличием ошибки воспроизведения закона распределения, остается открытым.

Выделение не решенных ранее частей общей проблемы К настоящему времени получен большой опыт генерации равномерно распределенных чисел и их

статистической обработки, однако вопрос точности воспроизведения закона распределения остается недостаточно изученным, несмотря на то, что теория математической статистики дает ясные ответы на многие вопросы, связанные с интервальными и точечными статистиками, оценками статистических гипотез и т.п. [4, 5]. В частности, для оценки точности воспроизведения законов распределения дискретной случайной величины математическая статистика использует функцию ошибки, определяемую как

)()()( ^0 xpxpx . (1)

Вероятность

10

1)(

Nxp (2)

соответствует гипотетическому (теоретическому) закону распределения равномерно распределенной случайной величины x на области ее определения ])1,0[( 1 Nx ,

V

xnxp

)()(^ . (3)

соответствует эмпирическому (экспериментально полученному) закону распределения случайной величины в той же области, n (x) – число случаев появления числа x в выборке объема V.

Функция (1) лежит в основе критерия Колмогорова-Смирнова (КС-критерия) и критерия Пирсона (χ2-критерий). По КС-критерию оценивается максимальное значение выражения (1):

)()(max)( ^0max xpxpx , (4)

по которому делается вывод, является ли исследуемая выборка выборкой из генеральной совокупности равномерно распределенной дискретной случайной величины или нет.

По критерию Пирсона оценивается величина

1

0 0

2^02

1

)(

))()((N

x xp

xpxpV , (5)

Эта величина сравнивается с квантилью закона распределения 2 заданного уровня значимости

. Критерий удобен для выборок сравнительно малых объемов и сравнительно больших значений ошибки воспроизведения. В настоящей работе рассмотрим случай больших объемов выборок, больших значений N и нулевой (или очень близкой к нулю) ошибки воспроизведения закона распределения дискретной случайной величины.

Постановка задачи Задачей данного исследования является определение величины ошибки воспроизведения

дискретной случайной величины при изменении области ее определения от множества целых чисел отрезка

10, 1N к множеству целых чисел отрезка 20, 1N , 12 NN .

Решение задачи В данной работе вопрос проверки гипотез обсуждаться не будет – полагается, что выборка объема V

принадлежит генеральной совокупности равномерно распределенной дискретной случайной величины. Определяется величина ошибки воспроизведения закона распределения дискретной случайной величины.

Для установления степени соответствия эмпирического закона теоретическому рассмотрим более детально выражение (1), для чего представим его в виде

V

xn

V

xn

V

xnxpxpx

)()()()()()( 0^

0

, (6)

где )()()( 0 xnxnxn ,



)(0 xn – количество повторений символа x в теоретическом потоке;

)(xn – количество повторений символа x в эмпирическом потоке.

Полученное выражение допускает следующую трактовку протекающего процесса: дискретный случайный процесс, порождаемый реальным ГСЧ, представляет композицию двух дискретных случайных процессов. Первый из них – это поток символов с теоретическим законом распределения, а второй – это поток мешающих символов с неизвестным законом распределения. Соответственно, каждый из потоков порождается своим генератором. Генератор мешающих символов может вставлять порождаемые им символы в общий поток и может подавлять (удалять) символы теоретического потока. Вставка/подавление символов трансформирует теоретическое распределение в эмпирическое. Тогда ошибка воспроизведения закона распределения случайной величины (6) есть число символов мешающего потока, поразивших некоторый символ, приходящееся на единицу объема выборки. С учетом этого сформулируем критерий оценки точности воспроизведения закона распределения дискретной случайной величины реальным ГСЧ:

1

0

1

0

1

0

111

)(2

1)(

2

1)(

2

1 N

x

N

x

N

x

xnVV

xnx , (7)

которым и будем пользоваться в данной работе. Значение 2 дополнительно вводится в знаменатель в силу того, что один символ мешающего потока изменяет статистику повторений сразу для двух символов алфавита.

Выражение (7) означает, что точность воспроизведения закона распределения дискретной случайной величины реальным генератором определяется числом символов ошибочного потока, приходящимся на единицу объема выборки.

Обратим внимание на то, что если объем выборки не кратен N1, то появляется дополнительно статистическая составляющая ошибки воспроизведения закона распределения дискретной случайной

величины. Это обусловлено тем, что значение 1

0 N

Vn является целым в том и только в том случае, если

1kNV , а статистическая ошибка – ошибка, определяемая степенью отклонения объема выборки от

величины 1kNV , – равна нулю.

Неравенство нулю выражения (7) на промежутке, кратном периоду формируемой последовательности, характеризует конструктивную ошибку воспроизведения закона распределения дискретной случайной величины случайного процесса, порожденного реальным ГСЧ (или преобразователем) – ошибку, обусловленную принципом построения (конструкцией) ГСЧ или преобразователя.

Определим величину статистической ошибки (динамической составляющей потока мешающих символов), обусловленной некратностью объема выборки циклу ГСЧ. Под циклом ГСЧ будем понимать последовательность на его выходе, которая циклически повторяется при неизменных параметрах ГСЧ.

Пусть последовательность на выходе ГСЧ состоит из циклов длины 1N , которые в случайном

порядке содержат все значения случайной величины из области определения, а порядок следования символов в циклах может отличаться. Объем выборки mkNV 1 , где 10 Nm – число символов

последнего (неполного) цикла, вошедшего в выборку.

Тогда

kN

mkNn

1

10 , где

1N

m . Учтем, что при любом V

1

100

1)(

NV

NV

V

nxp ,

поэтому

V

xn

NV

xn

V

xnxpxpx

)(1)()()()()(

1

0^0 . Значение статистической ошибки

воспроизведения VN

mNm

V

k

Nm

V

k

NmNx

N

x 1

1

111

1

0

)(111)(

2

1)(

2

1 1

или

k

)1(. (8)

Построим график зависимости величины ошибки воспроизведения от объема выборки. Из графика рис. 1 видно, что при условии равномерного распределения слов из всей области

определения случайной величины в каждом из циклов статистическая ошибка воспроизведения закона распределения дискретной случайной величины имеет нулевое значение при 0 и 1 (в точках

1kNV ) и уменьшается с увеличением объема выборки.

В качестве условия пригодности ГСЧ (или метода преобразования случайной последовательности

чисел) будем использовать условие 310 , что означает: ГСЧ или преобразователь пригоден для



практического применения, если на каждую тысячу символов потока приходится не более одного мешающего символа.

Рис. 1. График зависимости величины ошибки воспроизведения от объема выборки при N1=101

С учетом предложенного критерия (7) рассмотрим свойства последовательностей и ошибку

воспроизведения для двух наиболее распространенных типов ГСЧ: - генератора М-последовательности на регистрах сдвига с обратными связями; - генератора конгруэнтной последовательностей чисел (ГКЧ). Известно, что генераторы М-последовательностей порождают периодически повторяемую

псевдослучайную последовательность чисел длиной 121 nN , где n – порядок генераторного полинома.

Порождаемая этим генератором последовательность содержит все числа отрезка ]1,0[ 1 N . Отсюда

следует, что для области определения случайной величины ]1,1[ 1 Nx генератор М-последовательности

порождает равномерно распределенную случайную последовательность чисел. Для ]1,0[ 1 Nx этот же

генератор порождает случайную величину с ошибкой, обусловленной отсутствием в последовательности символа «0». Теоретическое и эмпирическое распределение такого генератора на объеме выборки 1NV , а

также его ошибка воспроизведения показаны на рис. 2. Для этого генератора в соответствии с предложенным критерием (7) получим, что при 1NV

ошибка, обусловленная конструкцией генератора, 1

1

0 1

2

)(

NV

xnN

x

.

0

0

a)

б)

в)

N1-1

N1-1

x

x

n0

n

0 N1-1

x

∆n

Рис. 2. Законы распределения составляющих полного потока символов на выходе генератора М-последовательности: а)

теоретического потока; б) эмпирического потока; в) ошибки воспроизведения Из этого следует, что при 10001 N (порядок генераторного полинома 10n ) генератор М-



последовательности удовлетворяет приведенному требованию 310 . Граф состояний этого генератора

имеет вид 11)1(1 1 NГ , т. е. содержит один цикл длиной 11 N и один нуль-цикл (цикл длиной 1),

расположенный в точке 0x . Известен способ рандомизации случайных последовательностей, порождаемых генератором

конгруэнтных чисел [6], сущность которого заключается в конкатенации всех циклов графа состояний. Практически это означает, что если цикл генератора М-последовательности дополнить словом 0x в произвольно выбранном месте последовательности, то период последовательности на выходе генератора станет равной 1N , а ошибка воспроизведения 0 .

Для ГКЧ величина ошибки определяется конструкцией графа состояний. Так, например, для конструкции графа 11 NГ величина ошибки воспроизведения будет равна нулю, Однако в этом случае

символы последовательности имеют наибольшую степень взаимной корреляции, т.к. порядок чередования слов в последовательности является детерминированным. При конструкции графа ГКЧ

11)1(1 1 NГ (совпадающей с конструкцией графа состояний генератора М-последовательности)

величина ошибки и степень корреляции между символами ГКЧ совпадают с величиной ошибки и степенью корреляции между символами М-последовательности. Отличие заключается лишь в том, что у генератора М-последовательности отсутствующим символом всегда является символ «0», а у ГКЧ нуль-цикл может располагаться в произвольной точке отрезка ]1,0[ 1 N , значение этого символа определяется параметрами

ГКЧ, т.е. его конструкцией. Для ГКЧ с графом состояний типа 11 tdГ , где d – число циклов длиной t символов каждый,

величина ошибки воспроизведения может быть очень большой и определяется длиной цикла. Так, для 1001 N и конструкции графа 11205 Г число различных символов в последовательности длины

1NV , состоящей из символов некоторого цикла, отличного от нуль-цикла, будет равняться 20, а

8,0101

81

1012

18151419

2

)(1

0

V

xnN

x . Такой генератор едва ли можно назвать генератором

равномерно распределенной на отрезке ]1,0[ 1 N случайной последовательности чисел. Однако ситуация в

корне меняется, если выполнить конкатенацию циклов графа. В этом случае ошибка воспроизведения 0 , а корреляция между символами будет существенно ниже. Далее будем исходить именно из этой

ситуации – первичный ГСЧ порождает последовательность случайных чисел отрезка ]1,0[ 1 N , а ошибка

воспроизведения равномерного закона распределения случайной величины 0 .

Положим, что необходимо сформировать равномерно распределенную случайную последовательность чисел отрезка ]1,0[ 2 N , где 21 NN , причем все значения из области определения

случайной величины в сформированной последовательности должны встречаться один раз. Положим также, что

21

11

2

1

N

N. (9)

Отметим, что если 21

1

2

1

N

N, то выполняется процедура прореживания столько раз, сколько

нужно для получения соотношения (9). Прореживание включает следующие операции: - из ряда генерируемых чисел удаляются нечетные числа (остаются только четные – это,

собственно, и есть прореживание); - разделив оставшиеся четные числа на два, формируется натуральная последовательность чисел,

равномерно распределенных на отрезке

2

1,0 1N

при 1N – нечетном и

2

2,0 1N

при 1N – четном.

Заметим, что при lNN k )1(21 21 , 12,0 kl , и выполнении операции прореживания

распределение случайной величины на отрезке ]1,0[ 2 N будет равномерным.

Рассмотрим два способа изменения области определения случайной величины:

1.

1

2

N

Nxy , выражение A означает целую часть (функцию пол) числа А;

2. 2N

xy , выражение B

A означает вычет числа А по модулю В.

Найдем величину ошибки воспроизведения закона распределения случайной величины у для первого и второго способа ее формирования, для чего рассмотрим фрагмент исходной последовательности



(в качестве которой используем натуральную последовательность чисел 0,1,2,3…., начиная с числа 143) и выходную последовательность для каждого из способов преобразования. Результаты сведем в таблицу. N1 = 256, N2 = 151.

Таблица 1

Фрагменты исходной и преобразованной последовательностей

x 143

144

145

146

147

148

149

150

151

152

153

256

151

1

2 xN

Nxy

84

84

85

86

86

87

87

88

89

89

90

1512xxy

N

143

144

145

146

147

148

149

150

0

1

2

Из таблицы видно, что для первого способа преобразования некоторые слова вследствие

возникновения ситуаций

1

2

1

2 )1(N

Nx

N

Nx появляются на выходе преобразователя дважды. Число

слов-двойников на выходе преобразователя после поступления на его вход 1N символов первичного

генератора равняется 21 NNn . Ошибка воспроизведения закона распределения случайной величины

на выходе преобразователя

1212

1221

1

0

11)2(

21)(

2

1)(

2

1 2

NNNN

NNNNx

N

x

или

21

1221 )2)((

NN

NNNN . (10)

Для рассмотренного примера 12,0151256

)2561512)(151256()2)((

21

1221

NN

NNNN , что

ставит под сомнение целесообразность этого преобразования. Из полученного результата также следует, что число ошибочных символов на интервале из 21NN слов равняется )2)(( 1221 NNNN .

Следует отметить, что поскольку первичный ГСЧ циклически повторяет последовательность чисел

отрезка ]1,0[ 1 N , то и преобразователь

1

2

N

Nxy будет циклически повторять выходную

последовательность с одинаковым количеством слов-двойников в каждом цикле. Отсюда следует, что ошибка

21

1221

1212

1221

1

0

)2)((1)2(

21)(

2

1)(

2

1 2

NN

NNNN

kN

k

NNN

kN

k

NNNx

N

x

сохраняется при любых объемах выборки 1kNV и определяет конструктивную ошибку преобразователя

1

2

N

Nxy . При mkNV 1 , помимо конструктивной составляющей погрешности, возникает

статистическая составляющая погрешности.

Для второго способа преобразования 2N

xy . Таким образом, при 2Nx xy , а при 2Nx

2Nxy .

Поскольку числа х и 2Nx имеют равные остатки при делении на 2N , количество слов, равное

21 NNn , в последовательности будет встречаться дважды. Вследствие этого, ошибка воспроизведения

такого преобразователя будет также определяться выражением (10). Отсюда следует вывод, что ни один из рассмотренных способов преобразования не удовлетворяет

поставленным требованиям и, в общем, непригоден для практического использования. Таким образом, способ изменения области определения случайной величины, обеспечивающий

нулевую ошибку воспроизведения равномерного закона распределения, может включать следующие операции:

- выполнение процедуры прореживания исходной последовательности, чтобы выполнялось

условие 21

11

2

1

N

N;

- выполнение преобразования )(xfy в соответствии с любым из рассмотренных способов;



- при необходимости прореживание полученного потока (удаление слов-двойников). Поясним смысл операции прореживания. Поскольку первичный генератор чисел х порождает слова

отрезка ]1,0[ 1 N , а вторичный генератор слов у должен формировать слова отрезка ]1,0[ 2 N , то

21 NNn слов из 1N слов на выходе вторичного ГСЧ являются избыточными и подлежат удалению.

Эта операция достаточно просто выполняется при2N

xy . В этом случае подлежат удалению с входа

преобразователя все слова 2Nx , которые и порождают слова-двойники.

Для

1

2

N

Nxy подлежат удалению по одному из пары слов, удовлетворяющих условию

0)()1( xyxy . Эта операция легко выполнима, если слова )(xy и )1( xy следуют одно за другим. В

общем случае, если первичный ГСЧ выдает некоррелированную последовательность чисел, это условие не выполняется, что приводит к практической неэффективности этого метода для решения поставленной задачи.

Полученные результаты Проведенное исследование показывает, что преобразование области определения случайной

величины из множества целых чисел отрезка ]1,0[ 1 N в множество целых чисел отрезка ]1,0[ 2 N при

объеме исходной выборки, кратном 1N , где 21

11

2

1

N

N, путем вычисления функции

1

2

N

Nxy или

путем вычисления функции 2N

xy приводит к появлению конструктивной ошибки преобразования,

равной 21

1221 )2)((

NN

NNNN . При lNN k )1(21 21 , ]12,0[ kl , и выполнении операции

прореживания распределение случайной величины на отрезке ]1,0[ 2 N будет равномерным с нулевой

конструктивной ошибкой преобразования. Величина статистической ошибки (динамической составляющей потока мешающих символов),

обусловленной некратностью объема выборки циклу ГСЧ длины 1N , определяется выражением

kVN

mNmx

N

x

)1()()(

2

1

1

11

0

1

, где mkNV 1 , 10 Nm , а 1N

m .

Выводы Преобразование области определения равномерно распределенной дискретной случайной величины

с нулевой ошибкой закона распределения может быть обеспечено совместным применением преобразования

2Nxy с последующим удалением слов-двойников.


1. Хеерман Д. В. Методы компьютерного эксперимента в теоретической

физике / Хеерман Д. В. – М. : Наука, 1990. – 176 c. 2. Соболь И. М. Метод Монте-Карло / Соболь И. М. – М. : Наука, 1985. – 80 с. 3. Диффи У. Защищенность и имитостойкость: Введение в криптографию / У. Диффи,

М. Э. Хеллман // ТИИЭР, 1979. – Т. 67. – 3. – С. 71– 109. 4. Боровков А. А. Математическая статистика / Боровков А. А. – М. : Наука, 1984. – 472 с. 5. Ивченко Г. И. Математическая статистика / Г. И. Ивченко, Ю. И. Медведев – М. : Высшая школа,

1984. – 284 с. 6. Пат. 41079 Україна, МПК G06F 7/58. Спосіб рандомізації послідовності конгруентних чисел /

Мітянкіна Т.В.; Швидкий В.В.; Щерба А.І.; Мітянкін М.О.; заявник та патентовласник Черкаський державний технологічний університет – u200808187; заявл. 17.06.2008; опубл. 12.05.2009, Бюл. 9.


Рецензент: д.т.н. Рудницький В.М.



УДК 389.001 (075.8) В.Т. КОНДРАТОВ

Институт кибернетики им. В.М.Глушкова НАН Украины

ТЕОРИЯ ИЗБЫТОЧНЫХ ИЗМЕРЕНИЙ: РЕШЕНИЕ МЕТРОЛОГИЧЕСКИХ

ЗАДАЧ ИЗБЫТОЧНЫХ ИЗМЕРЕНИЙ ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН НАПРАВЛЕННОГО ДЕЙСТВИЯ БЕЗ ПРИПИСЫВАЕМОЙ ОБЪЕКТУ

ИЗМЕРЕНИЙ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ СООБЩЕНИЕ 1.2

В сообщении 1.2 рассмотрены пути и методы решения метрологических задач избыточных измерений

физических величин направленного действия без приписываемой объекту измерений математической модели и при линейной функции преобразования измерительного канала.

In the message 1.2 ways and methods of the decision of metrological problems of redundant measurements of physical quantities of the directed action without attributed to object of measurements of mathematical model are considered and at linear function of transformation of the measuring channel.

Ключевые слова: метрологические задачи, пути и методы решения, избыточные измерения.

Введение В работе [1] описан фундаментальный подход к решению метрологических задач, который может

служить основой для написания кандидатских диссертаций по избыточным измерениям величин разной физической природы. В настоящем сообщении рассматриваются пути и методы решения еще пяти метрологических задач избыточных измерений физических величин ненаправленного действия без приписываемой объекту измерений математической модели. Описание данных задач производится в усеченном виде, без определения метрологических характеристик, параметров и показателей метрологической надежности.

Объект исследований – процесс избыточных измерений физических величин (ФВ) направленного действия.

Предмет исследований – процесс решения метрологических задач без приписываемой объекту измерений математической модели и при линейной функции преобразования измерительного канала.

Целью работы является ознакомление ученых и специалистов с путями и методами решения метрологических задач избыточных измерений физических величин направленного действия без приписываемой объекту измерений математической модели, с формализованными информативно-избыточными моделями измерительных каналов и с техническими решениями интеллектуальных измерительных систем типа «объект измерений – средство избыточных измерений» («ОИ – СИИ»).

В работе используются два понятия: 1) интеллектуальное средство избыточных измерений, измерительный канал которого состоит из первичного измерительного преобразователя (ПИП) с дискретно управляемой чувствительностью и измерительного преобразователя (ИП) с управляемым смещением функции преобразования; 2) интеллектуальная измерительная система (ИС), включающая в себя интеллектуальное СИИ и экспертную систему, базу знаний или интеллектуальный интерфейс.

Результаты исследований Метрологическая задача 2

Поставлена метрологическая задача высокоточного определения действительных значений искомой физической величины и параметров функции преобразования измерительного канала с целью текущего контроля состояния и поддержания метрологической сверхнадежности интеллектуальной1* измерительной системы «ОИ – СИИ». Решение данной задачи осуществляется с использованием методов теории избыточных измерений.

Наилучшие результаты по точности измерений можно получить при использовании бинарных приращений 0x ФВ ix направленного действия, поскольку центром симметрии становится искомая

физическая величина. Данная метрологическая задача относится к классу задач, для которых размеры измеряемых физических величин взаимосвязаны по закону арифметической прогрессии.

Рассмотрим пути и методы решения поставленной измерительной задачи при использовании трех физических величин с размерами

1 Интеллектуальность сенсора (а при его отсутствии — первого функционального элемента измерительного канала) определяется: а) гибкостью функции преобразования (свойством управляемости его параметров), обеспечивающей возможность естественной или искусственной адаптации сенсора к информативным (по входу) и/или неинформативным воздействиям (через конструктивные элементы, чувствительные к воздействиям дестабилизирующих факторов) и выдачи дополнительной информации о своем текущем состоянии; б) наличием памяти (свойством запоминания /фиксации/ установленных значений параметров). Использование сенсоров и измерительных преобразователей с управляемыми параметрами при соответствующем программном обеспечении и обеспечивает «интеллектуальность» средств измерений или измерительных систем. Последние, как правило, дополняются экспертными системами, базами знаний, интеллектуальными интерфейсами и т.п.



1 0

2 0

3 0

,

,

.i

i

x x

x x x

x x x

(1)

где 0 x – принятое опорное значение физической величины, воспроизводимой мерой.

Состояние измерительной системы «ОИ – СИИ» опишется минимально возможным числом линейных уравнений величин:

л1 1 л 0 л

л2 2 л 0 л

л3 3 л 0 л

( ) ,

( ) ( ) ,

( ) ( ) .i

i

U x S x U

U x S x x U

U x S x x U

(2)

Уравнение избыточных измерений параметра лS выводится из разности левой и правой частей

второго и третьего линейных уравнений величин системы (2). В результате получают следующее уравнения избыточных измерений:

л2 л3л

2 0

U US

k x

, (3)

Для вывода уравнение избыточных измерений искомой ФВ ix определяется разность левой и

правой частей второго и первого линейных уравнений величин системы (2), которая решается относительно ix . В результате получают:

л2 л12 0

л2 л3i

U Ux k x

U U

, (4)

Уравнение избыточных измерений смещения линейной функции преобразования выводят путем подстановки аналитического выражения (3) в первое уравнение величин системы (2) и решения нового равенства относительно лU . В данном случае получают:

л2 л3л л1

2

U UU U

k

, (5)

где 2 2k .

Знание значений параметров лS (3) и лU (5) и их изменений во времени необходимо для

прогнозирования времени наработки на метрологический отказ и обеспечения супернадежности измерительной системы, реализующей данный метод избыточных измерений.

Важнейшим достижением теории избыточных измерений является акцентирование внимания ученых и разработчиков на необходимости составления формализованного описания измерительного канала разрабатываемого средства избыточных измерений или интеллектуальных измерительных систем в виде полной (усеченной или типовой) информативно-избыточной математической модели [2]. Такая модель устанавливает тесную связь между разработчиками методов (учеными) и средств (специалистами – практиками) избыточных измерений или измерительных систем. Умение составлять такие моделей обогатит магистров и специалистов новыми знаниями и видением тонких мест в проектировании интеллектуальных измерительных систем «ОИ – СИИ».

Запишем формализованное описание информативно-избыточной модели измерительного канала для рассматриваемой метрологической задачи в общем виде:

В

прд

усдв.р/чаc

кГцкГц

АЦП, ., л

л ,с л л1 1, ,

,y

s

ppm

kpqi n i nUs

i i iii iwm fwfb

x U NS x U

U U

. (6)

где ix

– физическая величина направленного действия1; pq – аббревиатура слов «physical quantity»

(физическая величина); wm – аббревиатура слов «without modulation» (без модуляции); wfb – аббревиатура

слов «wide frequency band » (широкая полоса частот) в кГц; лS и лU – параметры линейной функции

преобразования; ys – нестабильность измерительного канала, ppm/час; пр – время преобразования, с; sU –

напряжение коррекции чувствительности (параметра лS ); лU – напряжение смещения, В; U –

напряжение коррекции смещения ФП (параметра лU ); усk – коэффициент усиления, … 10т ; АЦП –

аналого-цифровое преобразование; дв. р. – указание числа двоичных разрядов аналого-цифрового преобразователя; дf – частота дискретизации в кГц; iN – результат измерительного преобразования ФВ ix

(числовое значение выходного сигнала измерительного канала). Обобщенная запись (6) не дает полного 1 Обозначение физической величины направленного действия вида ix

нами используется только в формализованных моделях

измерительных каналов.



представления о параметрах измерительного канала. Поэтому предпочтительнее приводить информативно-избыточную модель с указанием конкретных рекомендуемых значений параметров измерительного канала. В этой связи модель (6) с конкретными числовыми значениями параметров примет вид:

ус

пр д

3

л

110 3 АЦП123 5ppm/8 час 31 10 В

л л л1 0,15 c 1200 кГц

250кГц

u

k

xi s iUi i iii ifwm

s fU U

x U NS x U

. (7)

В (7) знак « » означает, что принятое значение коэффициента усиления должно контролироваться, т.е. выполняться метрологический самоконтроль и корректировка. Периодичность последней определяется стабильностью параметров измерительного канала.

Формализованная информативно-избыточная модель (7) читается следующим образом: 1) измеряются три однородные физические величины направленного действия с размерами (1); 2) осуществляется прямое измерительное преобразование каждой физической величины в напряжение без модуляции; 3) измерительному каналу приписана линейная функция преобразования; 4) дрейф нуля не превышает 5 мкВ за 8 часов непрерывной работы; 5) время преобразования составляет не более 0,15 с; 6) коэффициент усиления измерительного канала (или значение параметра лS ) равен 1000; 7) полоса

пропускания составляет 250 кГц; 8) аналого-цифровое преобразование выходного сигнала измерительного канала осуществляется 12-разрядным АЦП; 9) частота дискретизации д 200 кГцf . Допускаются

нововведения в формализованную модель, обеспечивающие приближенность ее числовых значений к числовым значениям параметров и характеристикам реальной физической модели.

На рис. 1 приведена структурная схема измерительной системы, где в качестве формирователей физических величин (ФФВ) направленного действия используются объект измерений ОИ, мера М, суммирующее и вычитающее устройства (СУ и ВУ). Воспроизводимые ФФВ физические величины

1 2 3, ,x x x через коммутатор каналов КК поочередно воздействуют на вход ПИП (сенсора).

По программе, записанной в постоянном запоминающем устройстве микроконвертора МК, реализуются приведенные выше математические модели избыточных измерений I-го рода. Математические модели избыточных измерения II-го или III-го рода реализовать не сложно. Для этого проводятся многократные измерительные преобразования ФВ 1 2 3, ,x x x и многократное повторение всего цикла

измерений. При стабильных параметрах измерительного канала такт измерительного преобразования ФВ 1x

принятого размера может осуществляться одни раз за 10 мин, за 1 час или даже за 8 часов. Таким способом достигается повышение быстродействия избыточных измерений.

КЛ

000

ЖКИ

ПИП

ИК

ИПнiU

а

Р2

МК

Р1 МС

DA2

DA1

SPI

а

ОШ

КК

а

М 1x

2x

3x

СУ

ix

ВУ ОИ

0x а

ЭС

ФВВ

Рис. 1. Структурная схема интеллектуальной измерительной системы «ОИ – СИИ»

с формирователем рядов симметричных физических величин Особенностью интеллектуальной измерительной системы «ОИ – СИИ», структурная схема

которого приведена на рис. 1, является возможность коррекции значений параметров функции преобразования измерительного канала. С этой целью предпочтительно использование микроконверторов с встроенными аналого-цифровым преобразователем и двумя цифроаналоговыми преобразователями. В качестве примера можно привести микроконверторы семейства ADuC8xx фирмы Analog Devices [3, 4] и им подобные, содержащие аналоговый мультиплексор, один аналого-цифровой преобразователь, два цифроаналогового преобразователя, интерфейсы, счетчики, ОЗУ и т.д.

Корректировка значения коэффициента передачи ИК осуществляется по команде с МК путем подачи на вход управления параметром лS (и/или нS ), прежде всего ПИП (сенсора), соответствующего

напряжения sU с выхода встроенного в МК цифро-аналогового преобразователя (рис. 1, выход DA2).

Корректировка значения смещения лU функции преобразования ИК осуществляется путем подачи на



выход измерительного преобразователя ИП или на его выходной (согласующий) усилитель соответствующего напряжения U с выхода другого цифроаналогового преобразователя напряжения (см.

рис. 1, выход DA1). Указанные напряжения получают путем сравнения вычисленных и записанных в памяти МК кодов числовых значений указанных параметров функции преобразования ИК, формирования разностных кодов чисел с последующим цифроаналоговым преобразованием их в напряжения sU и U .

Использование экспертной системы ЭС (базы знаний или интеллектуального интерфейса) расширяет интеллектуальные возможности измерительной системы, позволяет по-новому решать метрологические задачи и структурировать данные результатов избыточных измерений. В частности, экспертная система обеспечивает принятие решения в условиях неопределённости до наступления метрологического отказа, объясняет выбор того или иного алгоритма работы измерительной системы и обработки результатов промежуточных измерений, представляет полученные результаты понятным для пользователя способом, обеспечивает четкое разделение полученных данный и знаний, пополняет базу знаний, выдает результаты избыточных измерений в виде конкретных рекомендаций для действий в сложившейся ситуации и т.д.

Метрологическая задача 3

Рассмотрим пути и методы решения задачи избыточных измерений ФВ ix направленного действия

при использовании трех физических величин, размер одной из которых равен нулю, а размеры двух остальных связаны между собой по закону арифметической прогрессии, т.е.

1

2 0

3 0

0,

,

.i

i

x

x x x

x x x

(8)

Математическая модель процесса избыточных измерений опишется минимально возможным числом линейных уравнений величин:

л1 1 л

л2 2 л 0 л

л3 3 л 0 л

( ) ,

( ) ( ) ,

( ) ( ) .i

i

U x U

U x S x x U

U x S x x U

(9)

Решения системы линейных уравнений величин (9) дает возможность получить уравнения избыточных измерений параметра лS и искомой ФВ ix в виде:

л2 л3л

0

U US

x

(10)

и

л2 л3 2 л10

2 л2 л3

( )

( )iU U k U

x xk U U

, (11)

где 2 2k .

Смещение функции преобразования не трудно найти, подставив в первое уравнение величин системы (9) выражение (10):

л2 л3л л1

2

U UU U

k

. (12)

Знание значений параметров и их изменений во времени необходимо для прогнозирования времени наработки на метрологический отказ.

Во всех метрологических задачах знание значений параметров лS и лU и изменений их во

времени необходимо для прогнозирования времени наработки на метрологический отказ и обеспечения супернадежности измерительной системы, реализующей тот или иной метод избыточных измерений.

Для данной метрологической задачи формализованная информативно-избыточная модель измерительного канала может быть выбрана аналогичной математической модели (7) при следующих значениях параметров:

ус

пр д

3

л

510 3 АЦП123 5ppm/8 час 310 В

л л л1 0,15 c 1500 кГц

200кГц

2u

k

xi s iUi i iii ifwm

s fU U

x U NS x U

. (13)

Указанные параметры информативно-избыточной модели (13) измерительного канала, как и другие, является рекомендуемыми и могут уточняться разработчиками при проектировании интеллектуальных СИИ.

На рис. 2 приведена структурная схема измерительной системы, где в качестве формирователей физических величин направленного действия используются мера М, объект измерений ОИ, суммирующее и вычитающее устройства (СУ и ВУ), а также коммутатор каналов КК, соединенные между собой как



показано на рис. 2. Предполагается, что физическая величина нулевого размера может быть сформирована путем обнуления (заземления) входа ПИП через коммутатор каналов КК (рис. 2).

КЛ

000

ЖКИ

ПИП

ИК

ИПнiU

а

Р2

МК

Р1 МС

DA2

DA1

SPI

а

ОШаЭС

КК

а

М 0x

2x

3x

СУ

ix

ВУ ОИ

1x

Рис. 2. Структурная схема измерительной системы с формирователем рядов симметричных физических величин

По программе, записанной в постоянном запоминающем устройстве микроконвертора МК,

реализуются приведенные выше математические модели избыточных измерений I-го рода. Выбор рядов физически реализуемых величин с той или иной системой связи между их размерами

обуславливает различия в структурах СИИ ввиду разных подходов к построению формирователя физических величин. Поэтому структурная схема измерительной системы, приведенная на рис. 2, отличается от предыдущей только наличием заземленного входа коммутатора каналов КК.

Совокупность приведенных выше математических моделей избыточных измерений I-го рода реализуется по программе, записанной в постоянном запоминающем устройстве микроконвертора МК.

Отметим, что формирование ФВ 1x нулевого размера зависит от ее природы и физической

реализуемости. Поиск доступных решений по физической реализации рядов измеряемых однородных величин и составляет одну из особенностей реализации методов избыточных измерений.

Метрологическая задача 4

Поставлена метрологическая задача высокоточного определения действительных значений искомой физической величины и параметров функции преобразования измерительного канала с целью текущего контроля состояния и поддержания метрологической сверхнадежности интеллектуальной измерительной системы «ОИ – СИИ» для случая, когда нет возможности сформировать физическую величина нулевого размера, но в наличии имеется мера, воспроизводящая ФВ 0x и 0x (причем 0 0 0,2 x x ). В этом

случае возможно формирование физических величин с размерами

1 0

2 0

3 0 0

,

,

.

ix x x

x x

x x x

(14)

В данном случае процесс избыточных измерений опишется системой линейных уравнений величин вида

л1 1 л 0 л

л2 2 л 0 л

л3 3 л 0 0 л

( ) ( ) ,

( ) ,

( ) ( ) .

iU x S x x U

U x S x U

U x S x x U

(15)

Уравнение избыточных измерений параметра лS выводится из разности левой и правой частей

третьего и второго линейных уравнений величин системы (15). В результате решения получают, что

л3 л2л

0

U US

x

. (16)

Затем выводится базовое (без учета (16)) уравнение избыточных измерений искомой ФВ ix из

разности левых и правых частей первого и второго линейных уравнений величин системы (15) с последующей подстановкой в нее аналитического выражения (16). В результате получают уравнение избыточных измерений вида:

л1 л20

л3 л2i

U Ux x

U U

. (17)

Уравнение избыточных измерений для смещения лU линейной функции преобразования

измерительного канала выводят из второго линейного уравнения величин системы (15) путем подстановки в него аналитического выражения для лS (16). Тогда



0л л2 л3 л2

0( )

xU U U U

x

. (18)

Для технического решения данной метрологической задачи может быть выбрана формализованная информативно-избыточная модель измерительного канала вида (13), но с иными значениями параметров:

ус

пр д

3

л

7,510 3 АЦП163 15ppm/8 час 310 В

л л л1 0,2 c 1100 кГц

200кГц

5u

k

xi s iUi i iii ifwm

s fU U

x U NS x U

. (19)

На рис. 3 приведена структурная схема измерительной системы, в которой формирование ФВ 1x и

3x осуществляется с использованием объекта измерений ОИ, меры М, двух коммутаторах каналов КК1,

КК2 и суммирующего устройства СУ, соединенных как показано на рисунке.

КЛ 000

ЖКИ

ПИП

ИК

ИПнiU

а

Р2

МК

Р1 МС

DA2

DA1

SPI

а

ОШаЭС

КК2

а

ОИ

ix

М 0x

1 3илиx x

СУ КК1

0x а

2x

Рис. 3. Структурная схема измерительной системы, работа которой описывается системой линейных уравнений величин (15)

При стабильном измерительном канале сокращение времени избыточных измерений в 1,5 раза

можно достичь путем выполнении второго и третьего тактов только один раз за 10 мин., за 1 час или за 8 часов (см. (10)).

Метрологическая задача 5 Рассмотрим пути и методы решения задач избыточных измерений при использовании рядов

физических величин, размеры которых составляют убывающую или возрастающую геометрическую прогрессию, т.е.

1

3 0

2 л

4 л 0

,

,

,

,

i

i

x x

x x

x k x

x k x

(20)

где лk – коэффициент локальной линеаризации ( л0,80 0,99k или л1,01 1,2k ),

В этом случае задача физической реализуемости величин, размеры которых связанных между собой по закону геометрической прогрессии (20), наиболее просто решается при использовании ПИП (сенсоров) с дискретно управляемыми параметрами. Это видно из следующих соотношений. При ФВ 2x ( 2 л ix k x )

уравнение связи выходной и входной величин примет вид

л2 2 л 2 л( ) ' ( )iU x S k x U . (21)С другой стороны,

л2 2 2 л л( ) ( ' ) iU x k S x U . (22)

Следовательно, получить результат воздействия ФВ 2x ( 4 2 0 x k x ) /или 4x ( 4 2 0 x k x )/

возможно путем воздействия на вход ИК не физической величиной 2x /или 4x /, а физической величиной 1x

/или 3x /, но при новом значении параметра лS , т.е. при л 2 лS k S .

Данный способ опосредованного формирования ФВ 2x и ФВ 4x основан на повороте системы

координат на угол , при котором л2tg S (см. [1], рис. 2, д, прямые 1 и 2).

Состояние измерительной системы в дискретные моменты времени опишется системой линейных уравнений величин вида



л1 1 л л

л2 2 л л л

л3 3 л 0 л

л4 4 л л 0 л

( ) ,

( ) ,

( ) ,

( ) .

i

i

U x S x U

U x S k x U

U x S x U

U x S k x U

(23)

Решение разности левых и правых частей четвертого и третьего линейных уравнений величин системы (23) относительно лS обеспечивает получение уравнений избыточных измерений в виде:

л4 л3л

л 0( 1)

U US

k x

(при л 1k ) (24)

или

л3 л4л

л 0(1 )

U US

k x

(при л 1k ). (25)

Уравнение избыточных измерений искомой ФВ ix , т.е.

л2 л10

л4 л3i

U Ux x

U U

(при л 1k ) (26)

или

л1 л20

л3 л4i

U Ux x

U U

(при л 1k ), (27)

выводят путем решения разности левых и правых частей линейных уравнений величин системы (23) относительно искомой величины с учетом (24) или (25).

В (26) коэффициент локальной линеаризации выбирается из условия л1,01 1, 20k , а в (27) – из

условия л0,80 0,99k . Необходимо помнить, что в обоих случаях л 1k , а установка принятого опорного

значения коэффициента локальной линеаризации лk осуществляется с точностью, соизмеримой с точностью

принятых значений опорной ФВ 0x .

Смещение функции преобразования определяется путем решения относительно лU третьего и

четвертого уравнений величин системы (23) или их суммы с учетом (24) или (25). В результате получим шесть вариантов уравнений избыточных измерений:

л4 л3л л3

л 1

U UU U

k

(при л 1k ), (28)

и

л3 л4л л3

л1

U UU U

k

(при л 1k ), (29)

л4 л3л л3 2

л 1

U UU U k

k

(при л 1k ) (30)

и

л3 л4л л4 2

л1

U UU U k

k

(при л 1k ) (31)

или

л лл л3 л4 2

л л

1 11 1 /

1 1

k kU U U k

k k

(при л 1k ) (32)

и

л лл л3 л4 2

л л

1 11 1 /

1 1

k kU U U k

k k

(при л 1k ). (33)

Как и в предыдущих задачах, по изменениям значений параметра лS контролируется

нестабильность чувствительности измерительного канала, а по смещению лU функции преобразования –

временной дрейф нуля. Для технического решения данной метрологической задачи предлагается использовать

формализованное описание измерительного канала в виде информативно-избыточной модели со следующими параметрами:



ус1,2

пр д

22

лл1

лл2

410 4,810

3 АЦП144 2 ppm/час 41 10 Вл

1 0,1c 1100 кГц

200кГц

u

k

xi s iUi i i

i ifwmU f

U s

Sx U NUxiS

. (34)

В модели (34) дополнительно указано, что в разных тактах измерительного преобразования физических величин значения коэффициентов передачи (или лS ) измерительного канала дискретно

изменяются, в данном случае – в л 1, 2k раза (см. в (34) 2ус1 4 10k и 2

ус2 4,8 10k ).

Структурная схема измерительной системы, состояние которой определяется системой линейных уравнений величин (23), приведена на рис. 4. С помощью данной измерительной системы возможно измерение физических величин как направленного, так и ненаправленного действия. При измерениях физических величин ненаправленного действия роль коммутатора каналов КК сводится к роли манипулятора (см. рис. 4), поочередно устанавливающего сенсор в исследуемую среду или в среду, свойство которой характеризуется принятым опорным значением ФВ 0x . Конструкция коммутатора каналов КК во

многом определяется природой измеряемой физической величины. Особенностью данного технического решения является использование ПИП (сенсора) с дискретно управляемой чувствительностью.

В данной задаче повысить быстродействие процесса избыточных измерений в 2 раза возможно при использовании стабильного измерительного канала и выполнении третьего и четвертого тактов измерительного преобразования ФВ 0x и л 0k x один раз за 10 мин., за 1 час или за 8 часов.

Физическая реализация процесса измерительного преобразования ФВ 2x и 4x осуществляется путем

увеличения в лk раз крутизны преобразования ПИП или ИК в целом и измерительного преобразования

только ФВ 1x и 3x .

Введение в структуру измерительной системы «ОИ – СИИ» экспертной системы ЭС, базы данных (БД) или интеллектуального интерфейса (ИИ) расширяет его возможности по накоплению данных, их обработке, структуризации и визуализации полученных результатов.

КЛ

000

ЖКИ

ПИП

ИК

ИПнiU

а

Р2

МК

Р1 МС

DA2

DA1

SPI

а

ОИ

ix

КК

М

0x

на ОШ

ОШаЭС

Рис. 4. Структурная схема измерительной системы «ОИ – СИИ» Возможны и другие примеры решения метрологических задач, зависящие от природы измеряемых

физических величин, от выбора конечного числа этих величин с установленными закономерными связями и от физической реализуемости составных величин.

Метрологическая задача 6 Поставлена метрологическая задача высокоточного определения действительных значений искомой

физической величины и параметров функции преобразования измерительного канала с целью текущего контроля состояния и поддержания метрологической сверхнадежности интеллектуальной измерительной системы «ОИ – СИИ» для случая, когда выбраны физические величины, размеры которых связаны между собой по закону арифметической и геометрической прогрессий:

1 0

3 0

2 л 0

,

,

.

ix x x

x x

x k x

(35)

Отметим, что выбор того или иного ряда физических величин обусловлен необходимостью последовательного решения двух метрологических задач: 1) задачи автоматического исключение смещения

0U (в том числе и аддитивной составляющей погрешности результата измерений) за счет выполнения

операции вычитания результатов промежуточных измерений; 2) задачи автоматического исключения мультипликативной составляющей погрешности измерительного преобразования физических величин



путем выполнения операции деления разностей определенных результатов промежуточных измерений. Выбранные ряды физических величин должны быть физически реализуемыми и обеспечивать, в

конечном счете, получение уравнения избыточных измерений искомой физической величины. Некорректный выбор рядов физических величин приводит к методическим погрешностям.

В данном случае процесс избыточных измерений описывается системой линейных уравнений величин вида

1 л 0 0

2 л 0 0

3 л л 0 0

( ) ,

,

.

iU S x x U

U S x U

U S k x U

(36)

Решение разности третьего и второго линейных уравнений величин системы (36) относительно параметра лS обеспечивает получение уравнений избыточных измерений вида:

3 2л

0 л( 1)

U US

x k

, (37)

в котором, за счет выполнения операции вычитания, исключается влияние смещения (и аддитивной составляющей погрешности) на результат определения параметра лS функции преобразования

измерительного канала. Определение смещения функции преобразования (вместе с аддитивной составляющей погрешности

преобразования) осуществляется путем вычитания из суммы третьего и второго линейных уравнений величин их разности с последующим решением полученного равенства относительно 0U . В результате

получают уравнение избыточных измерений вида

л0 2 3 3 2

2 л

11( ) ( )

1

kU U U U U

k k

. (38)

Благодаря обработки результатов промежуточных измерений по (38), обеспечивается контроль дрейфа нуля измерительного канала во времени.

Уравнение избыточных измерений ФВ ix выводится из отношения разностей первого и второго,

третьего и второго линейных уравнений величин и решения полученного равенства относительно искомой величины. В результате получают:

1 20 л

3 2( 1)i

U Ux x k

U U

. (39)

Уравнение избыточных измерений (39) обеспечивает автоматическое исключение систематических погрешностей из конечного результата измерений.

Для технического решения рассматриваемой метрологической задачи может быть использована информативно-избыточная модель измерительного канала со следующими параметрами:

ус1,2

пр д

22

лл1

л2

410 510

3 АЦП163 0,15ppm/час 31 10 Вл

1 0,15 c 1200 кГц

200кГц

лu

k

xi s iUi i i

i ifwmU f

U s

Sx U N

iSUx

. (40)

В формализованной модели (40) отражена особенность метода избыточных измерений, состоящая в том, что в разных тактах измерительного преобразования физических величин значения коэффициентов передачи измерительного канала дискретно изменяются. Их различие составляет 1,25 раза.

На рис. 5 приведен вариант структурной схемы измерительной системы «ОИ – СИИ», состояние измерительного канала которой описывается системой линейных уравнений величин (36).

В приведенном техническом решении используется ПИП (сенсор) с дискретно управляемой чувствительностью. Погрешности физической реализации блоков сложения, вычитания, умножения и деления величин направленного действия обуславливают появление инструментальных погрешностей.

В данном случае (рис. 5) инструментальную погрешность в результат избыточных измерений вносит погрешность суммирующего устройства СУ, а также погрешность, обусловленная неидентичностью коэффициентов передачи коммутатора каналов КК.

Нынешний уровень развития микроэлектроники обеспечивает создание многоканальных коммутаторов каналов с практически одинаковыми коэффициентами передачи. Влияние абсолютных значений коэффициентов передачи автоматически исключается благодаря используемой методологии избыточных измерений искомой физической величины.



КЛ 000

ЖКИ

ПИП

ИК

ИП

а

нiUР2

МК

Р1 МС

DA2

DA1

SPI

а

ОШаЭС

ОИ

1x

КК

М

0x

а

СУ

ix

Рис. 5. Структурная схема измерительной системы с минимальным числом преобразуемых величин

Выполнение тактов измерительного преобразования физических величин 2x и 3x принятых

размеров один или несколько раз за 8 часов непрерывной работы средства избыточных измерений обеспечивает повышение быстродействия на 66 %.

Выводы

В работе показано, что наилучшие результаты по точности измерений можно получить при использовании бинарных приращений 0x ФВ ix , поскольку центром симметрии становится искомая

физическая величина. В качестве формирователей физических величин направленного действия используется одна мера, суммирующее и вычитающее устройств, а также коммутатор каналов.

Установлено, что для определения всех неизвестных параметров функции преобразования целесообразно выбирать величины направленного действия с физически реализуемым нулевым размером и с размерами, симметричными относительно размера искомой физической величины.

Показано, что выбора рядов физически реализуемых величин с теми или иными закономерными связями между их размерами обуславливает различия в структурах измерительных систем «ОИ – СИИ» ввиду разных подходов к построению формирователя физических величин.

Констатируется, что поиск доступных решений по физической реализации рядов измеряемых однородных величин и составляет одну из особенностей методов избыточных измерений.

Установлено, что в том случае, когда нет возможности сформировать физическую величина нулевого размера, используются ряды физических величин с использованием двух принятых значений физических величин 0x и 0x , воспроизводимых одной (управляемой) или двумя мерами.

Показано, что решение задач избыточных измерений возможно и при использовании рядов физических величин, размеры которых составляют геометрическую прогрессию или арифметическую и геометрическую прогрессии. Приведены структурные схемы соответствующих средств избыточных измерений, реализующих описанные методы измерения физических величин направленного действия.

Отмечено, что при использовании рядов физических величин, размеры которых составляют геометрическую прогрессию, возможно создание средств избыточных измерений физических величин ненаправленного действия. В этом случае роль коммутатора каналов сводится к роли манипулятора, поочередно устанавливающего сенсор в исследуемую среду или в среду, свойства которой определяются принятым значением ФВ 0x .

Показана необходимость и целесообразность представления измерительного канала в виде формализованной (полной, усеченной или типовой) информативно-избыточной модели с указанием рекомендуемых числовых значений его основных параметров и показателей. Внедрение в практику научных исследований и разработок данного подхода дает возможность более полно раскрыть тонкую структуру, схемотехнические данные и характеристики измерительного канала, укрепить связь ученых и разработчиков.

Работа может быть полезна ученым, аспирантам, магистрам и разработчиком измерительных систем.


1. Кондратов В. Т. Теория избыточных измерений: решение метрологических задач при линейной

функции преобразования измерительного канала. Сообщение 1 / В. Т. Кондратов // Вісник Хмельницького національного університету. Технічні науки. – 2012. – 4. – С. 125– 137.

2. Кондратов В. Т. Фундаментальная теория избыточных измерений: обобщенная структура и ее особенности. Сообщение 1 / В. Т. Кондратов // Вісник Хмельницького національного університету. Технічні науки. – 2009. – 2. – С. 181– 196.



3. MicroConverter. Спецификация ADuC812 [Електронний ресурс]. – Режим доступа: http://www.gaw.ru/pdf/AD/rus/aduc812_a_rus.pdf.

4. MicroConverter. Многоканальный 12-битный АЦП со встроенным микропроцессором и Flash ЭРЗПУ [Електронний ресурс]. – Режим доступа: http://embedded.ifmo.ru/sdk/sdk11/components/mcu_aduc812_rus/aduc812_rus.pdf.


Статтю представляє: д.т.н. Кондратов В.Т.

УДК 621.01: 620.179.1 А.М. ЛОКОЩЕНКО

НИИ механики МГУ им. Ломоносова, г. Москва С.А. ПЕТРАЩУК, В.П. РОЙЗМАН


ОЦЕНКА И ОБЕСПЕЧЕНИЕ ПРОЧНОСТИ СИСТЕМЫ

"ЭЛЕКТРОННЫЙ ЭЛЕМЕНТ – КОМПАУНД" Разработан экспериментальный способ нахождения реального коэффициента запаса прочности по

предельным состояниям элементов, воспроизводимым в реальной конструкции. Предложены технологические методы защиты электронных элементов от действия компаунда при термоударах и экспериментально оценена эффективность их применения на основе определения коэффициентов демпфирования ряда защитных покрытий.

Paper represents experimental method for finding real strength safety factor by the ultimate conditions of components, which are reproduced when being in real device. It offers technological methods for protecting electronic components from the force of compound while thermal impacts and has experimentally assessed effectiveness of their use on the basis of finding damping coefficients of the range of protective covers.

Ключевые слова: герметизация, электронный элемент, компаунд, термоудар, прочность, напряжение, идентификация.

Для системы “электронный элемент – компаунд”, рассматриваемой в виде сопряженных цилиндров

(рис. 1, 2) условие прочности приобретает следующий вид [1]:

][),,( iii ztrэкв f ,

где iii ztr ,, – радиальные, окружные и осевые напряжения в материале i-го сопрягаемого

цилиндра. Для материалов электронного элемента и компаунда напряжения рассчитываются по формулам (1– 6).

Рис. 1 Образование расчетной схемы (1 – компаунд, 2 – выделенный компаундный цилиндр,

3 – электронный элемент)

Рис. 2 Схема электронного элемента, окруженного слоем компаунда

2

21

21

22

22 1

1 r

R

RR

PRr , (1)

1

2

23

22

23

22

2 r

R

RR

PRr , (2)

21

22

22

1 RR

PRz

, (3)

1

2

21

21

22

22

1 r

R

RR

PRt , (4)

1

2

23

22

23

22

2 R

R

RR

PRt , (5)

22

23

22

2 RR

PRz

, (6)

где 21, – коэффициенты Пуассона материалов электронного элемента и компаунда соответственно;

21, EE – модули упругости первого рода материалов электронного элемента и компаунда; 1, 2 –

коэффициенты линейного теплового расширения материалов электронного элемента и компаунда; R1, R2 – внутренний и внешний радиусы электронного элемента; R2, R3 – внутренний и внешний радиусы выделенного компаундного цилиндра; r, R – переменные радиусы: R1rR2, R2RR3; Р – контактное давление, возникающее на границе электронный элемент-компаунд при перепаде температур T :



22

232

222

232

21

221

221

211

2211

1111

11

RRE

RR

RRE

RR

TP

,

(7)

Однако оценке прочностной надежности по допускаемым напряжениям присущи существенные недостатки. Величина допускаемого напряжения носит условный характер, так как не отражает характера предполагаемого разрушения, режима нагружения и других факторов, влияющих на надежность. Да и сами теории прочности не всегда правильно отображают реальное напряженное состояние детали. Поэтому в современных инженерных расчетах чаще пользуются расчетом по запасам прочности.

Коэффициент запаса прочности, с каким работают электронные элементы в гермомодуле, равен отношению предельных напряжений (предела прочности В), при которых материал элементов разрушается,

к максимальным напряжениям экс , возникающим в условиях эксплуатации, причем и В и экс относятся к

объёмному напряженному состоянию, соответствующему условиям эксплуатации

экс

Вk

. (8)

Определение реального коэффициента запаса прочности. Для определения реального коэффициента запаса прочности k разработан экспериментальный способ его нахождения по предельным состояниям элементов, воспроизводимым в реальной конструкции. Предельным состоянием считалось такое, при котором электронные элементы теряли способность сопротивляться внешним воздействиям или переставали удовлетворять предъявляемым к ним эксплуатационным требованиям. Согласно разработанному способу предельные напряжения определялись именно в таком же объемном напряженном состоянии электронных элементов, что и при эксплуатации.

Применение разработанного способа для определения k показано на примере резисторов типа С2-29В в составе гермомодулей ЖУ5.760.001 гермоблока Н019.02.

Резисторы одного номинала были препарированы тензодатчиками МПТ-1-100 по схеме, приведенной на рис. 3. Потом их устанавливали в платы гермомодулей и собирали две электрические цепи из 50 последовательно соединенных резисторов в каждой (схема включения приведена на рис. 4). Для

определения эксплуатационных напряжений экс гермомодули одной цепи заливали эксплуатационным

компаундом типа ЭЗК-25, а для определения предельных (разрушающих) напряжений В модули другой

цепи заливали “жестким” (без пластификатора и наполнителя) компаундом на основе ЭЗК-25, в котором сохранялось почти подобное эксплуатационному объемное напряженное состояние радиоэлементов и конструкций, но с большими напряжениями.

Гермомодули, заполимеризованные таким образом, подвергали термоударам. При этом одновременно производили измерения показаний тензорезисторов и электрических параметров цепи.

При обрыве цепи или отклонении электрического параметра (сопротивления) за допускаемые

пределы (1 %) в “жестком” компаунде фиксировали разрушающее напряжение В . А в гермомодулях,

залитых эксплуатационным компаундом, фиксировали максимальное значение эксплуатационного

напряжения экс . Затем модуль с вышедшим из строя элементом исключали из электрической цепи и

продолжали эксперимент.

Т1 Т3

Т2

Т4

Т3

Т2

Т4

Рис. 3. Схема препарировки резисторов тензодатчиками Т1, Т2, Т3, Т4

Следует отметить, что в ряде случаев невосстанавливаемому отказу предшествовал так называемый

“мерцающий” дефект, когда при отрицательных температурах обнаруживали отказ исследуемой схемы, но спустя некоторое время после переноса модулей в нормальные условия или в термостат отказ исчезал. При появлении “мерцающего” дефекта измеренные в “жестком” компаунде напряжения принимали за разрушающие, поскольку этот дефект равнозначен по своим последствиям разрушению элемента. “Мерцающий” дефект часто имеет место в реальных ситуациях, когда объект с установленным на нем электронным устройством (например, летательный аппарат) эксплуатируется в условиях резко изменяющихся температур и давлений.

Дальнейший анализ материалов экспериментов показал, что значения коэффициентов запаса прочности резисторов типа С2-29В в гермомодулях с надежностью =0,95 лежат в интервале 1,09 k 1,18.



Рис. 4. Схема включения резисторов: П – переключатель;

М – измерительный мост; ИП – источник питания; мА – миллиамперметр При существующем разбросе (до300 %) физико-механических характеристик для разных партий

резисторов и компаунда (табл. 1) возможны такие неблагоприятные сочетания их характеристик и геометрических размеров, при которых k будет меньше 1, т.е. будут происходить разрушения резистора или компаунда. Поэтому было решено произвести расчет возможного k по всему известному диапазону значений физико-механических характеристик резисторов и компаунда. Для упрощения расчетов были взяты крайние значения из диапазона характеристик соединяемых материалов (табл. 1).

В табл. 2 представлены результаты расчета k при различных сочетаниях крайних значений физико-механических характеристик соединяемых материалов и нижнем значении предела прочности В.

Таблица 1

Значения физико-механических характеристик соединяемых материалов Материал Е, Н/мм2104 , 1град 10-6 в, Н/мм2 Керамика 13,0 – 21 0,28 – 0,33 5,3 – 6,3 93 – 165 Компаунд ЭЗК-25 0,9 – 1,56 0,23 – 0,45 45 – 63 85 – 430

Таблица 2

Результаты расчета коэффициента запаса прочности при крайних сочетаниях физико-механических характеристик резисторов С2-29В и компаунда ЭЗК-25

Значения физико-механических характеристик материалов

Материал

, 1град 10-6

Е, Н/мм2104

Расчетные максимальные

напряжения экс ,

Н/мм2

Коэффициент запаса прочности

max

min

экс

Вk

керамика резисторов

5,3 0,28 13,0 122 0,76 1

компаунд ЭЗК-25

63 0,45 1,56 113 0,75


6,3 0,33 21 56 1,66 2


45 0,23 0,9 52 1,63


6,3 0,33 21 124 0,75 3


63 0,45 1,56 114 0,75


5,3 0,28 13,0 57 1,63 4


45 0,23 0,9 53 1,6

Анализируя результаты, представленные в таблице, можно сделать вывод, что при благоприятных

сочетаниях характеристик материалов резистора и компаунда коэффициент k 1. Следовательно, подбирая значения физико-механических характеристик соединяемых материалов, можно добиться такого их удачного сочетания, при котором бы обеспечивалась прочность резисторов и компаунда при эксплуатации. Поэтому при производстве гермомодулей было рекомендовано ввести входной контроль характеристик материалов резисторов и компаунда и селективный подбор пары резистор – компаунд.

Для реализации входного контроля предложено использовать метод идентификации, описанный в [2]. Далее по идентифицированным характеристикам было рекомендовано производить расчет напряжений



(по формулам 1– 7), которые будут возникать в резисторах и в компаунде при термоударах, и расчет коэффициента запаса прочности. Значение коэффициента является критерием условия прочности и селективного подбора.

Однако обеспечение прочности с помощью таких мероприятий имеет ряд недостатков, таких как увеличение материальных затрат, связанных с изготовлением приспособлений для входного контроля и подготовку высококвалифицированного персонала, увеличение времени технологического процесса изготовления гермомодулей (добавляется время на входной контроль и селективный подбор). Иногда на производстве просто нет возможности обеспечить селективную сборку, так как нет подходящих партий резисторов и компаунда.

Поэтому в тяжелых современных экономических условиях необходимо было разработать такие методы защиты электронных элементов, которые бы не приводили к дополнительным материальным затратам, были просты в применении, не требовали бы специального оборудования и персонала и обеспечивали бы условие прочности при любых партиях резисторов и компаунда.

В качестве технологических мероприятий, направленных на снижение напряжений до безопасного уровня, было предложено применить демпфирующие защитные покрытия. Был отобран ряд защитных покрытий: КЛТ-30, КЛТ-30 МФ, "Силтан-Д", КЛТ-30 + (NH4)2 СО3, ЦИАТИМ-201, КЛТ-30 + ЦИАТИМ-201.

Для примера опишем эксперимент, направленный на определение эффективности применения защитного покрытия КЛТ-30. Для этого было взято двадцать гермомодулей, содержащих по шесть резисторов С2-29В. Резисторы гермомодулей препарировали малобазными тензодатчиками типа МПТ. Платы с препарированными резисторами дважды помещались в термостат с температурой +70С и в климатическую камеру с температурой -60С, чтобы в последующем выделить действие только компаунда на исследуемые резисторы. После этого резисторы в десяти гермомодулях покрывали слоем исследуемого демпфирующего покрытия. Затем все двадцать модулей герметизировали компаундом типа ЭЗК-25. Спустя 3– 4 суток производились измерения деформаций при термоударах. При этом все 20 гермомодулей одновременно находились в термостате с температурой +70С или в климатической камере с температурой -60С с выдержкой при каждой температуре не менее 30 мин. При этом регистрировали показания всех тензорезисторов.

Для определения деформаций резисторов только от действия компаунда при крайних значениях допустимых температур эксплуатации из полученных показаний тензорезисторов в герметизированных модулях отнимали показания тензорезисторов, найденные в модулях до герметизации при этих же значениях температур.

В таблице 3 представлены средние значения деформаций, каждое из которых было получено по показаниям десяти тензорезисторов, установленных в одном и том же месте в десяти микромодулях с защитным покрытием и без него.

Из табл. 3 видно, что слой демпфирующего покрытия существенно снижает деформации в резисторах от действия заливочного компаунда при термоударах, что, однако не исключает случаев поломок резисторов при неблагоприятных сочетаниях физико-механических характеристик и геометрических размеров сопрягаемых материалов.

Таблица 3

Деформации резисторов С2-29В, герметизированных компаундом ЭЗК-23 без защитного покрытия и защищенных слоем КЛТ-30

тензометра 10-3 без защитного покрытия

10-3 с защитным покрытием КЛТ-30

1 2,400 1,454 2 3,970 2,684 3 3,074 1,537 4 3,620 2,481 5 2,097 1,364 6 4,612 2,589

Для выбора наиболее эффективного защитного покрытия аналогичные эксперименты проводились

для всего ряда отобранных покрытий. По величине фиксируемых деформаций судили о действии демпфирующих покрытий путем

введения количественной оценки – коэффициента демпфирования, равного отношению деформаций (напряжений) элемента, герметизированного без применения покрытия, к деформациям (напряжениям) элемента, защищенного покрытием. Очевидно, что лучшими демпфирующими свойствами обладают те покрытия, которые имеют большие коэффициенты демпфирования. Расчет, проведенный с учетом этого коэффициента, позволяет более точно оценить на этапе проектирования прочность создаваемой конструкции.

Средние значения коэффициентов демпфирования, полученные при герметизации компаундом типа ЭЗК-25 резисторов, защищенных различными покрытиями, приведены в табл. 4.



Таблица 4 Значения коэффициента демпфирования

Покрытие Коэффициенты демпфирования КЛТ-30 1,65

КЛТ-30МФ 2,3 КЛТ-30 + (NH4)2СO3 1,55

Силтан -Д 1,32 ЦИАТИМ-201 3,0

КЛТ-30 + ЦИАТИМ-201 3,5 Для резисторов оптимальной оказалось защита покрытием КЛТ-30 МФ, поверх которого наносился

слой силиконовой смазки ЦИАТИМ-201, толщиной примерно 0,1 мм. При этом элементы испытывали наименьшие относительные деформации. Такой эффект достигается не только демпфирующими свойствами КЛТ-30 МФ и силиконовой смазки ЦИАТИМ-201, но и тем, что слой смазки ликвидирует непосредственную контактную связь между КЛТ-30 МФ и компаундом и препятствует передаче нагрузок на КЛТ-30 МФ и далее на резистор при деформации компаунда за счет его адгезии к КЛТ-30 МФ. То есть происходит эффект усиления демпфирующих и антиадгезионных качеств обоих покрытий. Сам процесс нанесения ЦИАТИМ-201 на слой КЛТ-30 МФ более технологичен, чем на резистор. Однако из-за возможности возникновения коррозии или других повреждений от соприкосновения с ЦИАТИМ-201 на протяжении всего срока эксплуатации, было решено исследовать другие способы защиты электронных элементов от воздействия компаунда при термоударах.

Следующим этапом разработки защитных мероприятий было исследование эффективности применения в качестве демпфирующих средств колпачков, изготовленных из полиэтилена (АД-1М-03), и полихлорвиниловых термоусадочных трубок (ДМГ.975.016ТУ). Как и в случае исследования демпфирующих свойств защитных покрытий, резисторы в двух партиях гермомодулей (по 10 шт. в каждой) препарировались тензодатчиками. Затем на резисторы одной партии надевались полиэтиленовые колпачки, а на резисторы другой – защитные термоусадочные трубки, предварительно разрезанные по образующей. Значения коэффициентов демпфирования, полученные в результате измерений, проведенных в процессе полимеризации герметика и при термоударах, равны: 3,3 при защите колпачками, 3,4 при защите трубками.

Выводы. Среди рассмотренных средств защиты можно выделить наиболее эффективные, имеющие коэффициенты демпфирования в 2– 2,5 раза больше остальных: покрытие КЛТ-30 МФ + ЦИАТИМ-201, защитные колпачки и термоусадочные трубки. В ряде случаев трубки бывают более технологичными по сравнению с покрытием и колпачками и более дешевыми, хотя они и не всегда применимы в производстве, как, например, при защите элементов прямоугольной формы. В настоящее время защита резисторов трубками внедрена на государственном предприятии "Новатор".


1. Сопротивление материалов / [Писаренко Г.С., Агарев В.А., Квитка А.Л. и др.]; под ред. Г.С.

Писаренко. – К.: Техника, 1987. – 790 с. 2. Ройзман В. Определение физико-механических характеристик полимерных материалов методом

идентификации / В. Ройзман, С.А. Петращук, И.И. Ковтун // Підвищення якості, надійності та довговічності технічних систем і технологічних процесів: зб. наук. праць за матеріалами міжнар. наук. – техн. конф. (м. Хургада, Єгипет, 2– 9 грудня 2007 р.) / Хмельницький національний університет, 2007. – С. 100– 108.


Статтю представляє: д.т.н. Ройзман В.П.



УДК 004.415.5 О.В. ПОМОРОВА, Д.О. ІВАНЧИШИН


ПОРІВНЯЛЬНИЙ АНАЛІЗ РЕЗУЛЬТАТІВ ФУНКЦІОНУВАННЯ

СТАТИЧНИХ АНАЛІЗАТОРІВ С++ ВИХІДНОГО КОДУ Проведено аналіз результатів функціонування найбільш розповсюджених засобів для статичного аналізу

С++ вихідного коду. Досліджено особливості підрахунку та класифікації дефектів у програмному забезпечені різними засобами статичного аналізу. Встановлено відсутність стандартизації на оцінку результатів функціонування СА.

The analysis of the results of most common tools for C++ source code static analysis was investigated. The features of defects counting and classification in the software by various means of static analysis were researched. The Absence of the SA results standardization was found.

Ключові слова: статичний аналіз, тестування, якість ПЗ, C++.

Вступ Однією із актуальних проблем у галузі інженерії програмного забезпечення (ПЗ) на сьогодні є

підвищення якості ПЗ [1]. Причинами проблеми є зростаюча складність програмних систем, застосування ПЗ при розробці та експлуатації критичних систем, скороченням часу на розробку нових версій ПЗ і т.і. Одним із типів помилок в ПЗ є нефункційні помилки – такі, що пов'язані з порушеннями правил мови програмування, некоректним використанням бібліотечних функцій, системних викликів.

Значна частина системного ПЗ комп'ютерних систем, ПЗ для мобільних і вбудованих систем, систем управління та інших критично важливих додатків розроблені з використанням мови С++. За даними компанії Coverity в ПЗ, написаному на мові С++, міститься 0.25 нефункційних помилок на 1000 рядків вихідного коду [2]. Нефункційні помилки, характерні для послідовних програм, прийнято називати програмними дефектами. Прояв програмних дефектів призводить до невірних результатів, зависання або аварійного завершення програм.

Виявлення і виправлення програмних дефектів (налагодження програми) є одним з найбільш складних і трудомістких етапів у процесі розробки ПЗ [3]. За оцінками, на виявлення дефекту витрачається до 95% часу налагодження, на його виправлення – тільки 5%. Отже, задача автоматизації процесу виявлення програмних дефектів є актуальною, а її вирішення забезпечить підвищення ефективності процесу розробки ПЗ.

Сучасні методи автоматизованого виявлення програмних дефектів розділяють на наступні класи [4]: - динамічні методи – використовують результати виконання програми для виявлення дефектів; - статичні методи – використовують вихідний код, моделі, специфікації та інші артефакти,

створювані в процесі проектування ПЗ. Застосування методів статичного аналізу (СА) дозволяє виявляти основні типи програмних

дефектів, при цьому забезпечується повна автоматизації процесу їх виявлення. На сьогодні ринок розробок СА для С++ програм представлений рядом засобів, що мають різну

функціональність та вартість. Відмінність алгоритмів функціонування статичних аналізаторів коду призводить до значної різниці та диференціації результатів їх роботи, що створює потребу у досліджені ефективності та доцільності використання подібних додатків для ПЗ різного призначення.

Постановка задачі Для підвищення ефективності застосування статичних аналізаторів С++ вихідного коду необхідно

провести порівняльний аналіз результатів функціонування статичних аналізаторів для різного типу ПЗ та встановити залежність між кількістю повідомлень про дефекти, котрі генеруються СА, та кількістю реально виявлених дефектів.

Статичний аналіз вихідного коду Статичний аналіз (СА) вихідного коду [5] є одним із методів оцінки якості програмного

забезпечення, що застосовується на ранніх етапах розробки і не вимагає повної завершеності циклу розробки. СА є автоматизованим процесом огляду коду. Огляд коду (code review) – один з найстаріших методів виявлення дефектів у ПЗ. Він полягає у спільному читанні вихідного коду командою розробників і наданню рекомендацій щодо його поліпшення. В процесі читання коду у ньому виявляються помилки або частини, які можуть стати помилковими в майбутньому. Автор коду під час огляду не повинен давати пояснень як працює та або інша частина програми. Алгоритм функціювання має бути зрозумілий безпосередньо з тексту програми і коментарів. Якщо ця умова не виконується, то код потрібно доопрацювати. Як правило, огляд коду дає позитивні результати і дозволяє виявити значну кількість помилок у ПЗ.

Істотним недоліком методології спільного огляду коду є висока ціна. Необхідно збирати команду з декількох програмістів для огляду нового або повторно написаного коду. Програмісти мають регулярно робити перерви для відпочинку, оскільки, перегляд відразу великих фрагментів коду призводить до зниження уваги та падіння ефективності огляду коду.

Компромісним рішенням є розроблення інструментів статичного аналізу, що в автоматичному



режимі проводять ревізію вихідного коду з метою виявлення дефектів. Такий підхід суттєво знижує вартість виявлення помилок і є рушійною силою до швидкого розвитку ринку подібних додатків та їх застосування компаніями, що розробляють ПЗ.

Завдання, що вирішуються програмами статичного аналізу коду ділять на три категорії : - виявлення помилок у вихідному коді програм; - рекомендації щодо оформлення вихідного коду. Деякі статичні аналізатори дозволяють

перевіряти, чи відповідає вихідний код стандартам оформлення, наприклад MISRA С++ 2008, Sutter - Alexandrescu Rules, Meyers - Klaus Rules та ін.;

- підрахунок метрик. Метрика програмного забезпечення – це міра, що дозволяє отримати числове значення деякої властивості програмного забезпечення або його специфікацій.

Також статичний аналіз використовується як метод контролю і навчання нових співробітників, котрі недостатньо знайомі з правилами програмування.

На сьогодні не існує ідеального методу тестування програмного забезпечення. Для різних типів програмного забезпечення різні методики дають різні результати. Поєднання різних методик дозволяє підвищити якість ПЗ.

Головною перевагою статичного аналізу є істотне зниження вартості усунення дефектів у ПЗ. Чим раніше виявлена помилка, тим менша вартість її виправлення. Так, виправлення помилки на етапі тестування коштує вдесятеро дорожче, ніж на етапі написання коду (рисунок 1) [6] :

Рис. 1. Залежність середньої вартості виправлення дефекту від етапу, на якому він виявлений

Інші переваги статичного аналізу коду : - повне покриття коду. Перевірка фрагментів коду, що рідко отримують управління. Такі

фрагменти коду, зазвичай, не вдається протестувати іншими методами; - статичний аналіз не залежить від використовуваного компілятора і середовища, в якому

виконуватиметься скомпільована програма. Це дозволяє знаходити приховані помилки, які можуть з’являтись при зміні версії компілятора або при використанні інших ключів для оптимізації коду. Наприклад, помилки невизначеної поведінки;

- виявлення помилок набору і однакових конструкцій. Недоліки статичного аналізу коду: - статичний аналіз не забезпечує достатньо високих результатів у діагностиці витоків пам'яті

(memory leak) і паралельних помилок. Щоб виявляти подібні помилки, необхідно віртуально виконати частину програми, що вимагає складної реалізації і значних апаратних ресурсів. Як правило, статичні аналізатори обмежуються діагностикою простих випадків. Ефективнішим способом виявлення витоків пам'яті і паралельних помилок є використання інструментів динамічного аналізу;

- засоби статичного аналізу генерують попередження про підозрілі місця вихідного коду, які насправді можуть бути цілком коректні. Це називається хибними спрацьовуваннями. Зрозуміти, вказує аналізатор на реальний дефект коду чи згенерував хибне спрацьовування, може тільки програміст. Необхідність опрацьовувати хибні спрацьовування потребує значного часу та послаблює увагу до тих фрагментів коду, де насправді містяться помилки.

Напрям статичного аналізу коду активно розвивається, з'являються нові діагностичні правила і стандарти, деякі правила застарівають, тому вибір засобів СА коду не може ґрунтуватись на базі дефектів, котрі вони можуть виявити. Єдиним способом порівняння результатів функціювання інструментів СА є аналіз коду програмних проектів і підрахунок кількості віднайдених у них помилок.

Вибір засобів статичного аналізу та програмного забезпечення, що тестується Проведемо дослідження функціювання СА для різних типів ПЗ. Найбільш поширеними та

розвинутими СА засобами на сьогодні є наступні продукти: Gimpel Software FlexeLint(PC-Lint), PVS-Studio, Red Lizard Software Goanna Studio, Parasoft C++ Test, CppCheck, Klocwork Insight, Coverity Static Analysis,



Programming Researc QA·C++ Source Code Analyzer, CppCheck. При виборі програмних додатків для дослідження був вироблений наступний список вимог: - можливість проведення автоматичного аналізу вихідного коду без його попередньої спеціальної

підготовки; - відслідковування впливу різних функцій аналізатора на його поведінку при пошуку заданих

ситуацій; - відсутність обмежень на розмір вихідного коду; - наявність актуальної бази дефектів ПЗ. Для порівняння зі спеціалізованими засобами було обрано вбудований в IDE Microsoft Visual Studio

2010 статичний аналізатор вихідного коду. Додатковим критерієм для вибору СА став принцип розповсюдження – freeware. Оскільки більшість засобів статичного аналізу мають достатньо високу вартість, доцільним є порівняння та оцінка ефективності їх безкоштовних аналогів.

У результаті врахування вищевказаних вимог для дослідження були обрані такі СА: - Microsoft Visual Studio 2010 Static Analyzer – вбудований в IDE засіб статичного аналізу; - Gimpel PC-Lint в комплексі з Visual Lint для інтеграції з IDE. Додаток проводить семантичний

аналіз вихідного коду, аналіз потоків даних і управління. Ціна – $389; - PVS-Studio – статичний аналізатор, з можливістю діагностування 64-бітових помилок (Viva64),

діагностування паралельних помилок (VivaMP) та діагностування загального призначення. Використовувався в інтеграції з IDE. Ціна - €3500;

- Red Lizard Goanna Studio - інструмент статичного аналізу для виявлення помилок, вразливостей і загальних недоліків вихідного коду, наприклад: переповнення буфера, витоки пам'яті та ін. Використовувався в інтеграції з IDE. Ціна – від $999 залежно від компонування;

- CppCheck. На відміну від C/C++ компіляторів та інших інструментів аналізу не виявляє синтаксичні помилки в коді. Cppcheck в першу чергу визначає типи помилок, котрі не виявляють компілятори. Ціна – Freeware.

Для порівняння результатів функціонування обраних СА був сформований перелік вимог до тестованого ПЗ:

- завершені продукти, компіляція та виконання яких відбувається без помилок; - відсутність попереджень, помилок та повідомлень, пов’язаних з якістю вихідного коду зі

сторони середовища розробки. В досліджені використовувався вбудований засіб статичного аналізу IDE Microsoft Visual Studio 2010;

- відсутність використання застарілих бібліотек; - різні типи ПЗ: системне та прикладне; - відкритий вихідний код. В результаті було обрано наступні програмні засоби: системне ПЗ: - утиліти: 7Z, Crystal DiskMark 3.0.1, Crystal DiskInfo 4.3.0, Ac3filter 1.63b, Wintarball 1.2,

FirewallPApi 1.4, Antispy 3.2.2; - мережеві менеджери: NetBIOS Enumerator 1.017, Remote Control Center 4.03; - віконні менеджери: BlackBox 0.82, Hide That Windows 0.4; - менеджери задач: TaskSwitchXP 2.0.11; - файлові менеджери: ultraMaGe 0.7.2; прикладне ПЗ: - загального призначення: Asteroid, SolarSystem, Folder Size 2.0; - спеціалізованого призначення: Notepad++ 6.0, emule 0.50a, Loganalyzer, Shareaza 2.6.0, Yafe 0.9.8.

Результати статичного аналізу На сьогодні відсутня стандартизація, що чітко визначає критерії оцінки важливості помилок у ПЗ.

Більшість розробників додатків для СА створюють власні системи оцінювання віднайдених дефектів. Кожен з представлених у досліджені додатків СА містить власну класифікацію помилок, що віднаходяться у ПЗ. Microsoft Visual Studio 2010 розподіляє повідомлення на дві категорії: warnings та informational. Gimpel PC-Lint усі повідомлення розподіляє на шість категорій: fatal errors, internal errors, errors, warnings, informational та elective notes. CppCheck також містить шість категорій повідомлень, але позначені вони як errors, warnings, style, performance, portability і informational. Goanna Studio є додатком до Microsoft Visual Studio 2010 і повідомлення про віднайдені недоліки виводяться у системну консоль даного IDE. Усі вони відносяться до категорії warnings. PVS-Studio містить три рівні важливості повідомлень, котрі на відміну від інших СА позначені: 1 lvl, 2 lvl та 3 lvl.

Для співставлення результатів функціонування різних засобів СА усі повідомлення були згруповані у три категорії: помилки, попередження та інші. Для PVS-Studio повідомлення категорії 1 lvl були віднесені до помилок, 2 lvl – до попереджень, 3 lvl – до інших. Для PC-Lint повідомлення класу informational і elective notes були віднесені до типу інші. Для CppCheck до інших були віднесені повідомлення з класу performance, style та portability. У таблиці 2 наведено результати аналізу СА обраного ПЗ. У дужках поряд з назвою проекту вказано кількість стрічок його вихідного коду. Усі СА використовувались з настроюваннями за замовчуванням.



З таблиці 1 слідує, що кількість повідомлень про віднайдені помилки в залежності від СА відрізнялась на декілька порядків. Так для проекту Emule, що є мережевим файлообмінним клієнтом і нараховує близько ста сорока тисяч стрічок вихідного коду, СА PC-Lint згенерував звіт, що налічував 366 512 повідомлень. Goanna Studio для цього ж проекту надав лише 554 повідомлення про помилки. Отже, СА PC-Lint для програмного продукту, що не містить помилок компіляції, згенерував звіт, що налічує у три рази більше включень ніж кількість стрічок вихідного коду ПЗ, що тестувалось. Це вказує на те, що числові показники результатів функціонування СА лише частково характеризують якість проведеного аналізу. Детального дослідження потребують якісні характеристики отриманих результатів.

Важливим критерієм порівняння результатів функціонування СА є кількість унікальних віднайдених помилок. Рисунок 2 відображає загальну кількість помилок віднайдену при аналізі ПЗ Firewall App, частину помилок, що одночасно містились у результатах функціонування інших аналізаторів та частину помилок, що були віднайдені лише певними аналізаторами. Звіт PC-Lint містив як найбільшу загальну кількість так і найбільший відсоток повідомлень, що були також включені у звіти інших засобів СА. З усіх 1119 виявлених дефектів 31 містився у звіті PVS-Studio, 26 – CppCheck, 12 – Visual Studio 2012. В загальному подібна картина розподілу характерна і для іншого протестованого ПЗ. Хоча СА PC-Lint надавав найбільшу кількість повідомлень, значний їх відсоток містив інформацію про певні стилістичні та синтаксичні проблеми, пов’язані з оформленням вихідного коду. І саме такий тип повідомлень позначався даним аналізатором, як помилки. Подібні повідомлення надавались навіть стосовно стандартних бібліотек IDE Microsoft Visual Studio 2010, що пояснює загальну кількість повідомлень для певних проектів, котра перевищує кількість стрічок вихідного коду у них. Повідомлення, що класифікувались як попередження, на відміну від помилок, містили інформацію про перевірку логічних конструкцій, виходи за межі типів, масивів та інше.

Рис. 2. Множини помилок, віднайдених СА у проекті Firewall App та їх перетин

Наступний фрагмент вихідного коду з проекту Notepad++ демонструє проблему співставлення

результатів функціонування різних СА: if(nCode < 0) CallNextHookEx(hookMouse, nCode, wParam, lParam); return 0; Змінна nCode у даному випадку була оголошена як беззнакова, тому операція порівняння для неї

немає сенсу. Чотири СА віднайшли цю помилку та включили її у свої звіти. Повідомлення, що були сформовані СА наведені у таблиці 2.

З таблиці 2 слідує, що статичні аналізатори надали вказаній помилці різний рівень важливості та видали різні інформаційні повідомлення про неї. Так СА PVS-Studio відніс її до категорії найбільш критичних помилок, а CppCheck – стилістичних. Останній засіб при виявленні даного дефекту вказав на стрічку вихідного коду, де змінна була оголошена, в той час, як інші аналізатори вказували на місця її використання. В результаті CppCheck повідомив про одну помилку пов’язану з даною ситуацією, інші аналізатори – про чотири. Обидва підходи надають можливість для усунення дефекту, але роблять некоректним пряме співставлення загальної кількості помилок, віднайденими різними СА.



Таблиця

1

Результати

функціонування статичних аналізаторів

Vis

ual S

tud

io 2

010

PV

S-S

tud

io

Goa

nna

Stu

dio

PC

-Lin

t C

ppC

hec

k

СА

ПЗ

Пом

ил

.Попер

. Інш

. Пом

ил

.Попер

. Інш

. Пом

ил

. Попер

. Інш

. Пом

ил

. Попер

.Інш

. Пом

ил

. Попер

. Інш

.

Ast

eroi

d (1

4357

) 0

0 0

5 7

107

0 60

0

206

2881

14

003

7 24

70

Sol

ar S

yste

rm (

1678

9)

0 0

0 6

7 12

5 0

38

0 20

7 32

47

1549

3 14

24

78

Fol

derS

ize

(111

8)

0 18

0

12

16

5 0

3 0

3948

24

0 91

7 0

0 20

Not

epad

++

(31

174)

0

2 0

1789

52

9 20

40

0 85

0

6504

0 64

00

3924

2 4

155

132

Em

ule

(139

119)

0

142

0 29

54

3089

76

0 0

554

0 91

199

4653

2 22

8780

18

47

3 12

33

Fir

ewal

l App

( 18

62)

0 19

0

5 11

13

5 0

17

0 43

2 16

5 52

2 0

3 35

Log

Ana

lyze

r (8

66)

0 2

0 4

9 0

0 0

0 66

4 42

15

3 1

0 1

Sha

reaz

a 0

0 0

1098

16

60

689

0 18

79

0 40

6465

96

682

5472

7 15

11

10

55

Yaf

e (1

388)

0

19

0 43

36

4

0 14

0

3936

49

7 10

85

0 19

9

ultr

aMaG

E (

9483

) 0

133

0 20

0 53

9 47

0

129

0 41

43

2254

59

64

3 1

46

Net

BIO

S E

num

erat

er (

4592

) 0

473

0 10

7 18

2 84

0

273

0 29

0 99

7 22

74

3 3

104

Rem

oteC

ontr

olC

ente

r (5

369)

0

10

0 12

1 42

10

8 0

0 0

181

1607

26

90

1 20

10

9

Ant

ispy

(27

36)

0 9

0 1

0 0

0 0

0 82

4

11

0 1

4

Tas

kSw

itch

XP

(38

62)

0 3

0 72

61

21

7 0

24

0 54

49

8 87

9 0

1 11

7Z (

6424

) 0

1 0

92

140

6 0

153

0 56

8 34

04

7230

0

244

259

Ac3

Fil

ter

(146

09)

0 0

0 28

8 17

25

766

0 31

0

9 47

84

1004

9 71

40

2 92

Cry

stal

Dis

kIN

FO

(90

07)

0 0

0 24

4 12

38

544

0 35

0 0

2582

30

44

5878

6

30

89

Cry

stal

Dis

kMar

k (1

785)

0

0 0

13

38

294

0 11

0

902

533

1235

0

23

138

Wai

ntra

ball

(548

7)

0 37

0

197

474

5 0

111

0 10

84

381

3006

0

0 63

Bla

ckB

ox (

6123

) 0

988

0 88

30

3 27

0

362

0 52

61

2084

45

64

4 13

6 25

Hid

eTha

tWin

dow

(61

5)

0 3

0 13

2

0 0

2 0

716

153

466

0 0

7



Таблиця 2 Класифікація помилок різними засобами СА

СА Категорія Повідомлення Кількість відмічених помилок

1 PC-Lint Warning Relational operator '<' always evaluates to 'false' 4 2 PVS-Studio 1 lvl Variable `nCode' is unsigned and checked to be positive 4 3 Goanna Studio Warning Expression 'nCode < 0' is always false. Unsigned type

value is never < 0 4

4 CppCheck Style UnsignedLessThanZero 1 Дослідження виявило, що не завжди помилки, що є у наборі правил СА ними виявляються. Так

помилка, що розглядалась у таблиці 2, була виявлена чотирма СА. Вона пов’язана з логічним оператором порівняння. Розробник при виборі засобу СА схильний вважати, що якщо СА містить правило для виявлення певного типу помилок і воно декілька разів дійсно спрацювало, то варто очікувати виявлення усіх помилок подібного типу. Результати вказують на те, що таке твердження не є вірним. Наведений фрагмент вихідного коду був відмічений як помилковий лише двома СА PC-Lint та PVS-Studio:

BOOL MATCH; … if((!MATCH)&&(empty_space >= 0)) BGHS[empty_space].gridmenu = menuid; returnvalue=empty_space; if(MATCH) //PC-Lint return returnvalue+MAX_GRIDS; if((!MATCH)&&(empty_space == -1)) //PVS, PC-Lint return -1; Змінна MATCH оголошена як логічна типу BOOL і використовується у операторі порівняння. З

трьох операторів порівняння PVS-Studio вказав, що умова завжди вірна лише для третього порівняння, а PC-Lint сформував додаткове повідомлення і для другого. Інші СА на дану помилку не виявили.

Отже, кількість віднайдених помилок у ПЗ не є критерієм для оцінки якості проведеного статичного аналізу. Ряд аналізаторів виявляє лише частину дефектів у програмному забезпечені, тому використання одного додатку не гарантує виявлення усіх помилок. Для забезпечення більшої ефективності виявлення помилок у ПЗ потрібне використання декількох засобів СА. Вибір СА повинен ґрунтуватись на базі правил пошуку дефектів, перевірку яких вони забезпечують.

Висновки Застосування статичного аналізу є одним з засобів оцінки якості програмного забезпечення. В

процесі дослідження ефективності використання СА було виявлено, що на сьогодні класифікація типів помилок не стандартизована. Бази правил не налаштовуються на тип ПЗ, що в сукупності не дає можливості в повній мірі використовувати усі переваги статичного аналізу.

Напрямом подальших досліджень є розробка інтелектуальної технології вибору СА відповідно до типу та функціональних особливостей програмного забезпечення, що тестується.


1. Основы инженерии качества программных систем / [Ф.И. Андон, Г.И. Коваль, Т.М. Коротун та

ін. – К. : Академпериодика.– 2007 р. – 678 с.. 2. Coverity Scan 2011 Open Source Integrity Report. / Coverity, Inc. - Coverity White Paper. – 2011. – 24 p. 3. Соммервілл Іан. Инженерия программного обеспечения 6-е издание / Соммервілл Іан. – Вільям,

2002 р. – 624 с. 4. SWEBOK Guide to the Software Engineering Body of Knowledge. / Washington: IEEE Computer

Society — 2004 р. —37p. 5. Rui Lopes, Diogo Vicente, Nuno Silva. Static Analysis tools, a practical approach for safety-critical

software verification. / Critical Software SA Parque Industrial de Taveiro. - Lote 48, 3045-054 Coimbra, Portugal. – 2009. – 12 p.

6. Совершенный код. Мастер-класс. – М. : Видавницько-торговий дім «Русская Редакция» ; СПб. : Питер, 2005 р. – 896 с.


Статтю представляє: д.т.н. Поморова О.В.



УДК 004.052.42:004.725 Ю.В. ХМЕЛЬНИЦЬКИЙ


ОСОБЛИВОСТІ ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ СТІЙКОСТІ ДІАГНОСТИЧНОГО ПРОЦЕСУ

У статті розглянуто особливості процесу діагностування сучасних комп’ютерних систем, коли виникає

проблема забезпечення надійності діагностичного процесу. У статті проведено аналіз та розглянуто різні типи перекручу вань діагностичної інформації та розглянуто методи захисту діагностичного процесу. В якості об’єкту діа гностування виступають інформаційні потоки, які проходять у комп’ютерних системах.

The article deals with the peculiarities of the process of diagnosing modern computer systems when there is the problem of ensuring the reliability of the diagnostic process. The paper analyzed and discussed the different types of distortions diagnostic information and protection methods considered diagnostic process. As an object of diagnosing act information flows that take place in computer systems.

Ключові слова: діагностування, діагностичний процес, комп’ютерні системи, тестові послідовності. Вступ. Сучасні комп’ютерні технології використовуються у різних сферах життєдіяльності. За

собом передачі інформації у таких технологіях використовують комп’ютерні системи. Розгалуженість та складність комп’ютерних систем створюють проблему забезпечення надійності та вірогідності їх функціонування. Тому для забезпечення ефективної роботи мереж використовують системи діагностування при пошуку та іде нтифікації несправностей. Для більшості систем діагностування які працюють у реальному масштабі часу, необхідні досить висока ві рогідність та безперервність генерування діагностичних впливів. Неприпустимі значні перерви та перекручування у видаванні діагностичних тестів. Для виконання цих умов спеціалісти змушені вживати спеціальних заходів захисту від усіх перекручувань, виходячи з припущення, що вони можуть з’явитися у будь-який момент. При цьому варто вжити заходів захисту від помилок, що найбільше спотворюють вихідні діагностичні результати і не дозволяють системі діагностування виконувати свої функції.

У дослідженні комп’ютерні системи розглядаються як об’єкт діагностування. До особливостей передачі інформації у комп’ютерних системах віднесемо:

- неоднозначність діагностичної інформації; - наявність в окремих компонентах системи засобів вбудованого контролю; - наявність несправностей визначеного типу залежно від видів використовуваних протоколів та

конфігурації системи; - значну схильність до перекручування програмного забезпечення і діагностичної інформації від

“вірусів”; - залежність прояву несправностей від щільності мережного трафіку та кількості підключених

абонентів. Для забезпечення більш ефективного та достовірного діагностування систем необхідно провести

аналіз і роз глянути типи перекручувань діагностичної інформації та методи захисту діагностичного процесу та використо вувати систему яка може провести діагностування з врахуванням всіх особливостей функціонування.

Постановка проблеми. При діагностуванні комп’ютерних систем шляхом подачі тестових

послідовностей необхідно розв’язувати задачу їхньої коректно сті. Сигнали тестових впливів, які подаються на об’єкт діагностування (ОД), у випадку наявності специфічних несправностей та перекручувань у його структурі не повинні призводити до катастрофічних відмов.

Для діагностування комп’ютерних систем та побудови системи діагностування найбільш придатними, на думку автора є методи, в основі яких лежить схема безупинної (послідовної) ідентифікації, тобто ідентифікації методом на основі адаптивної моделі. Найчастіше використовують параметричну адаптивну модель, тобто модель, у якої змінюються параметри при незмінній структурі. Однак можливе застосування моделі, у якої в процесі адаптації змінюються не тільки параметри, але й структура [ 1 ].

При класичній побудові адаптивної моделі обирають міру помилки між виходами моделі та об’єкту і роз робляють алгоритм пошуку невідомих параметрів за умов мінімізації обраної міри помилки. Як міру помилки можна використовувати середню квадратичну помилку, максимальне значення помилки, інтеграл від квадрата помилки, інтеграл від абсолютного значення помилки, статистичні критерії максимуму апостеріорної імовір ності і максимуму правдоподібності, або різні варіанти названих критеріїв з використанням функцій ваги.

Незалежно від джерел будь-які перекручування зрештою виявляються в результуючих діагностичних даних системи діагностування. Тому у всіх випадках критерієм якості діагностування є вірогідність та точність обробленої інформації і виданих тестових впливів. Розподіл методів захисту зводиться до захисту діагностичного процесу і до захисту інформації.

Дослідження існуючих методів. Оскільки система діагностування працює в реальному масштабі часу, необ хідно оперативне виявлення перекручувань діагностичної інформації та її наслідків, а також оперативне й ав томатичне вживання заходів щодо ліквідації чи зменшенню можливих відхилень процесу



діагностування від нор мального режиму без його зупинки чи тривалого переривання. При цьому повинна враховуватися тривалість прояву наслідків перекручування в результатах функціонування діагностичної системи і застосовуватися коре гування ходу діагностичного процесу, що забезпечує максимальне скорочення тривалості прояву цих наслід ків. Для забезпечення захисту діагностичного процесу й інформації викори стовується інформаційна і часова надмірність. При цьому під тимчасовою надмірністю системи діагностування розуміють можливість використання деякої частки продуктивності системи для контролю вико нання діагностичних програм. Для цього при проектуванні системи діагностування повинен передбачатися запас продуктивності, що буде вико ристовуватися для оперативного кон тролю і підвищення надійності функціонування. Величина тимчасової надмі рності залежить від вимог до надійності функціонування системи і знаходиться звичайно в межах від 5– 10 % продук тивності простої системи (один рівень перевірки) до двох, три і чотириразового дублювання продуктив ності в складних системах (багаторівневі перевірки) [2].

Тимчасова надмірність чи резерв часу використовується для контролю і виявлення перекручувань, на його діагностику й ухвалення рішення по відновленню діагностичного процесу і на реалізацію операцій віднов лення. Виявлені перекручування за їхніми наслідками можна розподілити на три групи: не знецінюють, що част ково знецінюють і цілком знецінюють всі отримані резуль тати [3]. Якщо після відновлення діагностичного процесу його можна продовжити без повто рення з місця, де виявлене перекручування, то така відмова не знецінює результат. При відмові, що цілком знецінює, необхідно повторювати всі діагностичні операції, пророб лені до моменту відмови. У проміжному випадку при відмові, що частково знецінює результат, проте зберігає цінність, деякі проміжні результати, що звичайно відповідають моменту попере днього контролю працездатності можуть використовуватись для аналізу.

При функціонуванні системи діагностування у реальному масштабі часу величина резерву часу для конт ролю і відновлення діагностичного процесу й інформації заздалегідь не встанов люється. Для діагностування пере кручувань і операцій відновлення у за гальному випадку необхідний довільний інтервал часу, що виділяється за рахунок резерву, або за рахунок скорочення часу розв’язання діагностичних задач.

Забезпечення стійкості діагностичного процесу. При розробленні системи діагностування такого

об’єкту діагностування як комп’ютерні системи та ви користанні ідентифікації методом адаптивної моделі обов’язковим є використання формального опису ОД – моделі. При побудові моделі будемо виходити з того що складна сис тема – наприклад, мережа, підкоряється визначеним законам: фізичним, електричним, механічним та іншим, які характеризують кількісні співвідношення різних компонентів структури мережі.

Формалізований опис моделі структурного рівня системи представимо як UcNcIplTEskewAcTpDmpDlKLsLnMc ,,,2,,,,,,,, (1)

До факторів, параметрів та станів які будуть активно впливати на адекватність моделі реальній системи на нижніх рівнях моделі OSI, відносяться:

,.......1.),( miдеLsifLn довжина системи; ,........1, niдеlsiLs довжина сегментів; ,.........1, niдеkiK кількість мережних пристроїв;

),( KLnfDl , затримки розповсюдження сигналу; ,..........1, niдеdmiDmp затримки в перехідних мережевних при строях (мости,

маршрутизатори, комутатори тощо);

,...........1, niдеtpiTp зменшення мінімального часу між паке тами;

,...........1, niдеaAc ci затухання в кабелі та ближньому і дальньому кінці;

,............1, niдеeEskew skewi розкид затримок проходження сигналу по витій парі;

),(2 LnflT час обігу чи прослуховування;

,.............1, niдеiIp p довжина пакету;

,...........1, niдеnNc ci кількість конфліктів у системі;

,100.........1, iдеuUc ci утилізація каналу зв’язку. До множини вхідних, вихідних та внутрішніх станів відносяться I p, T 2l, N c, U c. До множини

функцій переходів і виходів структурних вузлів відносяться D l, D mp, T p, A c, E skew. До структурної схеми відно сяться L n, L s, N.

Виходячи з схеми ідентифікації та моделі ОД необхідно провести аналіз типів перекручувань діагностичної інформації та методів захисту діагностичного процесу при перевірці комп’ютерних систем адаптивною систе мою діагностування. Аналізі і реєстрація перекручувань у результатах дозволить в подальшому викори стовувати цю інформацію для повторюваних перекручувань та наступної локалізації



дже рела помилки і її лікві дації. Адаптивна система діагностування – це система керування подачею, прийомом та аналізом

тестових дій при подачі їх на складні об’єкти діагностування з характеристиками та параметрами, що змінюються. Принцип дії системи діагностування полягає в керуванні подачею тестових впливів на основі прогнозу вихідних характе ристик об’єкту діагностування, що були одержані за допомогою регулярно обновлюваної моделі в зворотному зв’язку. Для системи діагностування потрібне постійне уточнення моделі в зв’язку з характеристиками та параметрами, що змінюються в часі. До них відносяться постійна зміна трафіку системі, кількість вузлів підключених до мережі, модернізація та удосконалювання апаратного та програмного і т.д., що в свою чергу призводять до зміни характеристик і параметрів об’єкту. Для такого класу об’єктів діагностування зміни харак теристик і зовнішніх впливів необхідно враховувати безпосередньо в процесі діагностування. Відсутність та недоліки апріорної інформації про об’єкт діагностування як на стадії проектування системи, так і в процесі експлуатації, велика інерція об’єкту, стохастичний характер зв’язків вимагають використання моделі ОД для керування по подачі тестів на основі прогнозу вихідних перемінних з врахуванням вхідним перемінних. Застосування методів керування, що базуються на постійній, незмінній моделі тут неможливо.

Типи перекручувань діагностичної інформації та методи захисту діагностичного процесу.

Проведемо класифікацію наслідків перекручувань інформації й діагностичного процесу та зробимо хоча б наближену оцінку їхнього впливу на загальний критерій функціонування системи діагностування за аналогією [2]. З погляду побудови засобів захисту і розподіл ресурсів, які доцільно виділити для захисту від перекручувань, помилки результатів можна розділити по їх наслідках на три типи [3]. До першого типу належать:

- перекручування результатів, що приводять до припинення виконання системою основ них функцій чи їхньої частини на тривалий чи невизначений час (цілком знецінюють);

- перекручування, що короткочасно, але значно спотворюють величину чи значеннєвий зміст окре мих результатів (частково знецінюють);

- перекручування, що короткочасно впливають на результати, видавані системою керуючих ал го ритмів.

Такий якісний розподіл перекручувань визначає розподіл ресурсів по захисту системи. Найбільші ресурси доцільно виділяти для захисту від перекручувань інформації й діагностичного процесу першого типу, наслідки яких мо жуть виявлятися у системі діагностування у наступ ному виді:

- зациклення, тобто послідовна повторювана реалізація визначеної групи тестів, що не припи няється без зовнішнього втручання;

- зупинка і припинення рішення діагностичних задач; - перекручування процесів взаємного переривання тестів, що призводить до блокування мож

ливості де яких типів переривань; - значне зниження темпу рішення діагностичних задач внаслідок переванта ження по пропускній

здатності; - значне перекручування чи втрата накопиченої інформації про поточний стан діагностичного

про цесу. Перекручування інформації й діагностичного процесу другого типу також дуже небезпечні і для

захисту від них варто застосовувати досить ефективні заходи. Ці перекручування можуть виявля тися в наступному виді:

- пропуск тестів чи їхніх істотних частин; - вихід на тест чи їхні частини, що різко спотворюють результати; - обробка помилкових чи сильно перекручених повідомлень з ОД. Третій тип перекручувань характерний, в основному, для квазінеперервних величин. Ці помилки

мало спо творюють загальні результати, однак окремі викиди можуть сильно впливати на діагностичний процес і потрі бен досить ефективний захист від рідких значних відхилень резуль татів.

Перераховані типи перекручувань істотно розрізняються не тільки по величині зміни результатів, але і по тривалості прояву їхніх наслідків. Методи, застосовувані для ліквідації наслідків помилок, також розрізняються по тривалості їхньої дії. Залежно від ступеня прояву і причин виявлених перекручувань, можливі наступні оперативні заходи для ліквідації їхніх наслідків [3]:

- відновлення інформації і збереження стійкості процесів діагностування; - ігнорування виявленого перекручування внаслідок його слабкого впливу на весь процес

діагносту вання і на вихідні результати; - повторення функціонального алгоритму чи тесту при тих же вихідних даних; - виключення тесту з обробки внаслідок перекрученості чи труднощів відновлення діагностич

ного процесу; - короткочасне припинення рішення задач функціонального алгоритму до відновлення вихід них

даних; - перебудова режиму роботи алгоритму для зниження впливу перевантаження в зв’язку з втратою

інфо рмації про хід діагностичного процесу.



Ці методи можуть істотно розрізнятися не тільки за величиною пе рекручувань результатів, що виправля ються, але і за тривалістю прояву наслідків помилки. Засто сування цих методів вимагає аналізу характеру про яву помилки, стану інформації про хід процесу діагностування, інформації в повідомленнях, що надходять, стану системи та ОД тощо. При цьому схема прийняття рішень на застосування методів захисту повинна забезпечу вати оперативне нагромадження й індикацію виявлених перекручувань, а також довгострокове нагро мадження результатів контролю для більш детального аналізу джерела помилок і виявлення мож ливості їхньої локаліза ції й усунення шляхом коректування тесту чи виправлення роботи системи. Оперативний захист повинний також передбачати реєстрацію й індикацію перекручувань для аналізу. Помилки, що виявляються систематично і досить часто, варто аналізувати на можливість виправлення тесту.

Існує досить багато методів захисту діагностичного процесу. Розглянемо захист від за циклювання тестів. У діагностичних тестах ши роко використовуються однотипні діагностичні операції, що утворять цикли для по шуку, упо рядкування й однотипного перетворення інформації. Причиною зациклення можуть бути не тільки помилки в тесті й перекручування вихідної інформації, але і збої в апаратурі системи діагностування. Тому при виявленні пер винного зациклення доцільно повторити включення тестів при тих же вихідних даних. Якщо зациклення не повторюється, то, швидше за все, воно відбулося в результаті випадкового збою. Повторне зациклення при од накових вихідних даних може бути обумовлено помилкою в тесті при правильної вихідної інформації, перекру чуванням вихідної чи інформації частковим відмовленням апаратури. При багаторазових зацикленнях з різними вихідними даними причиною є, швидше за все, часткове відмовлення в апаратурі чи перекручування інформації про процес діагностування.

Захист від зупинок методично близька до захисту від зациклення. У цьому випадку також припиняється рішення тестових задач і система зупиняється на деякій довільній команді. Зупинка системи може відбутися або через помилку при формуванні тесту (часткове чи відмовлення збій), або через помилку в тесті, що приводить до виходу на ділянку тесту, що містить команду зупинка. Автоматичне виявлення зупинок аналогічно вияв ленню зациклення, наприклад, періодичним порівнянням часу завершення підпрограми тесту чи функціональ ного алгоритму з поточним часом лічильника у системі. При виявленні зупинок логіка відновлення функціону вання системи аналогічна логіці захисту від зациклення, тобто послідовно перевіряється можливість повторення даного алгоритму, можливість його пропуску і необхідність переходу на справну систему.

Захист від перекручувань взаємного переривання підпрограм, що приводять до блокування можливості де яких типів переривань, а отже, до блокування прийому і видачі інформації відповідним ОД, здійснюється, в основному, апаратними методами. При цьому контролюється правильність виконання операцій переривання, переходу до програми, що перериває, і наступного повернення до перерваної програми. Для захисту від таких помилок, а також від апаратних збоїв при перериваннях повинний передбачатися контроль виконання перери вань і періодичний контроль взаємодії з всіма ОД. Для виконання цих функцій спеціальна періодична програма повинна підготовляти контрольні тести і видавати їх ОД. При порушенні періодичного обміну з яким-небудь ОД, що може бути наслідком як тестової помилки, так і безлічі інших причин, порушення обміну звичайно усувається позапрограмними методами.

Захист від помилок, що призводять до пропуску тесту чи їхніх частин, виробляється, в основному, ме тодом контролю ключових кодів, що визначають перелік підпрограм, що повинні бути включені. Захист від пропуску підпрограм тестів застосовується переважно при включенні періодичних підпрограм, а також для окремих функціональних тестів, де порушення послідовності їхньої роботи може істотно відбитися на функціонуванні всієї системи.

Захист від помилок, що приводять до виходу на тести чи їхні частини, що різко спотворюють ре зультати, методично близький до захисту від пропуску підпрограм тестів. Однак у даному випадку може бути більше варіантів, тому що внаслідок помилкових сполучень чи формувань команд в принципі можливий помилковий перехід, з будь-якої підпрограми на будь-яку іншу підпрограму тесту. Тому цілком захиститися від помилкових під ключень підпрограм неможливо, але деякі особливо небезпечні, неприпустимі сполучення підпрограм іноді має сенс заблокувати.

Захист від перевантаження системи по пропускній здатності припускає виявлення і зниження впливу наслідків швидкого алгоритмічного розподілу ресурсів, обумовлених неправильним визначенням необхідної пропус кної здатності системи для роботи у реальному масштабі часу. Крім цього, перевантаження можуть бути наслідком неправильного функціонування джерел інформації з ОД і перевищення нормального (розрахункового) рівня інтенси вності потоків повідомлень. Для виявлення перевантаження по пропускній здатності системи можна використову вати:

- контроль тривалості збереження повідомлень, що підлягають обробці за нижчими пріоритетами;

- контроль заповнення буферних нагромаджувачів повідомленнями низьких пріоритетів; - контроль заповнення буферних нагромаджувачів повідомленнями високих пріоритетів; - контроль часу включення диспетчером алгоритму нижчого пріоритету при наявності за явок на

включення; - контроль частоти включення диспетчера з послідовним аналізом усіх пріоритетних рів нів без

рішення задач.



При виявленні перевантаження бажана також оцінка її величини і причини появи. Контроль завантаження буферних нагромаджувачів організується дуже просто шляхом перевірки записуваних адрес, підлягаючих обробці повідомлень і корисний не тільки при прийомі, але й при видачі повідомлень. Це дозволяє, зокрема, виявляти помилки в тестах, що ведуть до по рушення нормального темпу формування тестів для деяких ОД.

Застосовуючи алгоритмічні методи захисту, можна істотно знизити шкідливий вплив перевантажень ре сурсів системи і адаптацію алгоритмів на рівень припустимого завантаження. Зокрема така адаптація істотно знижує вплив помилок у структурі побудови алгоритмів, що ведуть до невеликих короткочасних переванта жень.

Висновки. Особливості забезпечення стійкості діагностичного процесу, оперативний захист від перекручувань інформації й об числювального процесу може викори стовуватися як засіб виявлення помилок які складно виявляються, що особливо необхідно на завершальних ета пах діагностування та у процесі експлуатації системи діагностування. Головна задача оперативного захисту від різних перекручувань складається в забезпеченні безперервності процесу керування з припустимими помилками у вихідних повідомленнях ОД. В системі діагностування використовуються наступні міри для забезпечення стійкості діагностичного процесу: відновлення інформації та збереження стійкості процесів діагностування, ігнорування виявленого перекручування внаслідок його слабкого впливу на весь процес діагносту вання і на вихідні результати, повторення функціонального алгоритму чи тесту при тих же вихідних даних, виключення тесту з обробки внаслідок його перекрученості чи труднощів відновлення діагностич ного процесу, короткочасне припинення розв’язання задач даного функціонального алгоритму до відновлення вихід них даних, перебудова режиму роботи алгоритму для зниження впливу перевантаження в зв’язку з втратою інфо рмації про хід діагностичного процесу.


1. Хмельницький Ю.В. Метод адаптивного діагностування комп’ютерних мереж Вісник ТУП, 3 /

Хмельницький Ю.В. – Хмельницький : ХНУ, 2003. – С. 43– 48. 2. ДСТУ 2389-94. Технічне діагностування та контроль технічного стану. Терміни та визначення. –

К. : Держстандарт України, 1994. – 24 с. 3. Хмельницький Ю.В. Дослідження та аналіз несправностей локальних обчислювальних мере

Вісник ТУП, 2 / Хмельницький Ю.В. – Хмельницький : ХНУ, 2003. – С. 152– 155.

Надійшла 25.9.2012 р. Рецензент: д.т.н. Мясіщев О.А.

УДК 681.518

В.П. НЕЗДОРОВІН, К.Л. ГОРЯЩЕНКО Хмельницький національний університет

Є.Г. МАХРОВА Буковинський державний медичний університет

РЕАЛІЗАЦІЯ ПРОТОКОЛУ MODBUS В СЕРЕДОВИЩІ CODESYS 2.3

Розглянуто застосування сучасних програмних середовищ розробки програмного забезпечення для

програмованих логічних контролерів на прикладі CoDeSys. Application of modern software development environments software for programmable logic controllers on the

example of CoDeSys. Ключові слова: програмований логічний контролер, SCADA. Задачі автоматизації технологічного процесу на підприємстві можуть бути розв’язані шляхом

використання засобів комп’ютерної та мікропроцесорної техніки. Основу реалізації автоматизації сучасного промислового підприємства складають промислової комп’ютери – ПЛК (програмовані логічні контролери), задача яких полягає у виконанні програми користувача із високим ступенем автономності. Найперший в світі програмований контролер MOdular DIgital CONtroller (Modicon) 084, що мав пам’ять всього 4 кбайт, був виготовлений у 1968 р. ПЛК розроблені для заміни релейних схем керування, які виготовлені із застосуванням дискретних елементів: реле, таймери, лічильники, елементи жорсткої логіки.

Принцип роботи ПЛК полягає у зборі та обробці даних згідно прикладної програми користувача. Наслідком виконання програми є формування вихідної послідовності сигналів на виконавчі пристрої.

Найбільш типові галузі застосування програмованих (інтелектуальних) контролерів: - Автоматизація невеликих агрегатів для виробництва, збирання, обробки і упаковки; - Автоматизація сільськогосподарських сфер (системи іригації, теплиці); - Автоматизація шлагбаумів, відкатних воріт, систем контролю доступу; - Автоматизація компресорів та систем кондиціонування повітря;



- Управління освітленням відповідно до різних заданих алгоритмів; - Регулювання температури і вентиляції в житлових приміщеннях і на підприємствах; - Управління водопостачанням будинку, фонтанами, акваріумами, насосними станціями; - Управління транспортерами і змішувачами; - Управління апаратурою на рухомий техніці, верстатами, виробничими лініями; - Забезпечення сигналізації та оповіщення. Ринок засобів і систем автоматизації насичений промисловими контролерами самих різних

виробників, серед яких такі відомі фірми, як ABB, Allen Bradley, Honeywell, Omron, Moore Products, PEP Modular Computers і багатьох інших.

Побудова системи збору та обробки інформації можлива лише із застосуванням двох типових підходів. Перший шлях – це створення контролера, що має у своєму складі всі необхідні порти вводу та виведення. Другий шлях – використання універсального контролера, який реалізує можливість обміну даними за допомогою сторонніх блоків вводу-виведення, які підключені до нього.

Використання спеціалізованого контролера доречно лише за умови розміщення джерел інформації та виконавчих вузлів безпосередньо біля контролера або на достатній відстані від нього, при якій не має місця втрат інформації при передачі від джерела до ПЛК та назад. На промисловому підприємстві зазвичай немає можливості розмістити всі вузли на прийнятній відстані. Часто система збору інформації мусить працювати з окремими вузлами системи збору даних, що розміщені на відстанях порядку 20-1000 м від контролера.

ПЛК

Пристрої вводу

-виводу

Шина обміну

Рис. 1. Застосування універсального контролера

Збір інформації з системах збору та обробки даних виконується відповідно до обраного режиму, наприклад, циклічного опитування в системі Master-Slave або оновлення даних на складальному контролері шляхом передачі повідомлення по події при мульти-мастерній системі. Таким чином, до системи в цілому ставляться такі вимоги:

- гнучкість топології - легкість зміни як самої структури мережі, так і додавання в неї нових сегментів і інтелектуальних пристроїв;

- прийнятно висока швидкість обміну інформацією, що забезпечить своєчасну реакцію пристроїв системи на запити і керуючі команди від пульта управління;

- пропускна здатність каналу лінії зв'язку, що дозволить зменшити можливість виникнення колізій і забезпечить передумови для подальшого розширення функцій системи в цілому;

- адресація і (або) маршрутизація в мережі - запити зверху надходять тільки певному сегменту, в якому знаходиться запитувана пристрій, що зменшить інформаційну завантаження мережі;

- висока завадозахищеність передачі інформації - система повинна гарантувати доставку даних протягом певного інтервалу часу.

Для реалізації таких сукупностей вимог від ПЛК вимагається використання апаратних та програмних елементів реалізації певного протоколу взаємодії. Оскільки в вимогах є вимога топології мережі та її гнучкість, то це обумовлює або створення в процесорному комплексі власного протоколу обміну даними та реалізації або використання універсального протоколу.

Створення власного протоколу обміну даними є достатньо складною задачею, яку може собі дозволити лише відносно крупна фірма-виробник, яка має людський ресурс програмістів, інженерів-конструкторів, зв’язок з виробництвом та розгалужену мережу представництв. Лише за цих умов, розроблений власний протокол та його реалізація можуть бути витребувані кінцевими споживачами.

Використання універсального протоколу є більш прийнятним варіантом. Будь-який виробник ПЛК або окремих модулів вводу-виводу мусить лише використати один з відкритих або ліцензованих протоколів і забезпечити повну або часткову в межах допустимого реалізацію. Тоді споживач зможе використати модуль вводу-виводу та замінити його на модуль іншого виробника.

Одним зі зручних протоколів є протокол Modbus. Протокол Modbus фірми MODICON є необхідною частиною роботи системи. Він визначає наявність модулів як Master (MS, Майстер або Головний) і Slave (SL, Підлеглий). Протокол управляє циклом запиту і відповіді, який відбувається між пристроями MS і SL. Хоча його і зараховують до прикладних протоколів, тим не менш таким способом однозначно його визначити не можна. Річ у тому, що протокол Modbus крім власне передачі даних, ще і виконує такі завдання: контроль цілісності повідомлення (транспортний рівень), виконує задачі комутації (мережевий рівень), визначає початок і кінець передачі повідомлення (канальний рівень). Така невизначеність протоколу Modbus пояснюється тим, що він призначений для комунікації простих пристроїв, в яких немає достатнього об’єму пам’яті та обчислювальної потужності.

Протокол Modbus передбачає на загальній шині лише одного MS-пристрою і до 247 SL-пристроїв. Хоча протокол і підтримує до 247 SL, деякі прилади обмежують число SL, що підключаються до загальної



шини. Кожному SL-пристрою присвоєно унікальну адресу пристрою в діапазоні від 1 до 247. Тільки MS-пристрій може ініціювати передачу. Передачі бувають або типу запит / відповідь (адресується тільки один SL), або широкомовні / без відповіді (адресуються все SL). Передача містить один кадр запиту і один кадр відповіді, або один кадр широкомовного запиту.

Деякі характеристики протоколу Modbus фіксовані. До них відносяться формат кадру, послідовність кадрів, обробка помилок комунікації і виняткових ситуацій, і виконання функцій. Інші характеристики вибираються користувачем. До них відносяться тип засоби зв'язку, швидкість обміну, перевірка на парність, число степових біт, і режим передачі (ASCII або RTU). Параметри, обрані користувачем, встановлюються (апаратно або програмно) на кожній станції. Ці параметри не можуть бути змінені під час роботи системи.

При передачі по лініях даних, повідомлення поміщаються в «конверт». «Конверт» залишає пристрій через «порт» і «пересилається» по лініях до пристрою. Протокол Modbus описує «конверт» у формі кадрів повідомлень. Інформація в повідомленні представляє адресу потрібного одержувача, що одержувач повинен зробити, дані, необхідні для виконання цього, і механізм контролю достовірності.

Коли повідомлення досягає інтерфейсу SL, воно потрапляє в пристрій, що адресується через схожий «порт». Адресується пристрій розкриває конверт, читає повідомлення, і, якщо не виникло помилок, виконує необхідну задачу. Потім воно поміщає в конверт відповідь повідомлення і посилає його «відправникові». Інформація у відповідному повідомленні являє собою адресу адресується пристрою, виконану задачу, дані, отримані в результаті виконання завдання, і механізм контролю достовірності. Якщо повідомлення було широкомовним (повідомлення для всіх SL), на що вказує адресу 0, то у відповідь повідомлення не передається.

У більшості випадках, MS посилає наступне повідомлення іншому SL або після прийому коректного відповідного повідомлення, або після проходження певного користувачем інтервалу часу, якщо Вам відповідь не був отримано. Всі повідомлення можуть розглядатися як запити, що генерують відповідні повідомлення від SL. Широкомовні повідомлення можуть розглядатися як запити, які не потребують відповідних повідомлень від SL.

Для розробки прикладного програмного забезпечення ПЛК перед розробником виникає задача реалізації алгоритму виконання поставленої задачі. Одночасно з цим мають бути розв’язані і супутні задачи забезпечення взаємодії базової програми з процедурами обміну даних з зовнішнім середовищем.

Для ПЕОМ функції обміну розміщуються на рівні операційної системи. А тому, взаємодія з ними виконується через виклики стандартних процедур та функцій. Можливості налаштування процедур обміну також у більшості випадків залишаються поза можливостями доступу. Наприклад, взаємодія із жорстким диском, така як запис, зчитування, послідовність зчитування та буферізація – визначаються безпосередньо розробником операційної системи.

Для ПЛК ситуація кардинально різниться. ПЛК має реалізовувати максимальну взаємодію з зовнішнім середовищем із можливістю встановлення потрібних параметрів доступу. Розглянемо взаємодію програми користувача в середовищі CoDeSys 2.3 з реалізацією протоколу Modbus. На рис. 2 показано конфігураційне вікно обраного ПЛК. В даному прикладі показано ПЛК фірми ОВЕН типу ПЛК-110-60.

Рис. 2. Встановлення конфігурації ПЛК та включення протоколу Modbus

В середовищі CoDeSys 2.3 за реалізацію протоколу Modbus відповідає вже розроблена бібліотека, а

тому залишається встановити потрібні параметри. Для цього потрібно виконати декілька послідовних дій. По перше, це обрати потрібний порт взаємодії. Для ПЛК-110-60 доступні два порти RS-485, а також

два порти RS-232. Для реалізації мережі пристроїв обираємо RS-485. Наступним кроком необхідно підключити так званий "Universal Modbus device" – віртуальний

елемент взаємодії, який дозволяє описати такі параметри як швидкість обміну, адреса підлеглого пристрою



та режим обміну між ним та ПЛК (рис. 3).

Рис. 3. Параметри Universal Modbus device

В розділі "Параметры" параметр ModuleSlaveAddress визначається адреса підлеглого пристрою (в

прикладі – 190). Наступним важливим параметром є режим роботи – Work mode. Пропонується: 1) By poll time – за часом опитування. Всі операції обміну затримуються в часі, поки не пройде

певний час, значення якого визначається в змінній Polling time. В цьому режимі обмін виконується циклічно, навіть якщо жодні данні не були змінені. Зазвичай цей режим краще використовувати при необхідності виконання зчитування з підлеглого пристрою.

2) By value change – при зміні значення. В цьому випадку, взаємодія із підлеглим пристроєм буде виконана лише за умови зміни значення вихідної змінної. Якщо такої зміни не буде, то і циклу виводу також не буде.

3) Both – комбінація попередніх двох режимів. 4) By command. В цьому випадку, Universal Modbus device може бути ввімкнено або вимикнено у

довільний момент часу шляхом запису відповідної команди у керуючий регістр. Адреса цього регістра автоматично генерується. В прикладі на рис. 3 це байт за адресою %QB7.0.1. Найкраще використання цього режиму для реалізації періодичної зупинки каналу та відповідного звільнення ресурсів системи для виконання інших задач обміну даними.

Важливий елемент модуля – послідовність видачі байт. Визначається змінною Byte Sequence, яка приймає значення Trace_mode та Native. Порядок визначається пристроєм згідно документації на модуль. Причому слід зауважити, що модулі одного виробника можуть оперувати різними режимами роботи. Так модулі вводу-виводу МВ110-224.4ТД, МУ110-16Р-32 фірми ОВЕН вимагають порядку типу Trace_mode. В той же час як панель СП270 тієї ж фірми – порядок типу Native.

Наступний крок це додавання змінних, значення яких будуть зчитуватить або записуватить в модулі – рис.4, 5.

Рис. 4. Додавання змінних Рис. 5. Змінні типу 32 та 8-біт Взаємодія зі змінними відбувається також без складних маніпуляцій. У ресурсах проекту в розділі

"Global variables" необхідно описати змінні та прив’язати їх до модуля Modbus. Однією з особливостей слід відзначити можливість оперувати бітами 8-бітної змінної (змінна адресою %IB7.1.1.0 на прикладі):

VAR_GLOBAL IntVar AT %QD7.1.0.0 : INT; FlagByte AT %IB7.1.1.0 : BYTE; FlagBit1 AT %IB7.1.1.0.3 : BOOL; (* 4-й біт *) END_VAR

Відповідна взаємодія з цими змінними відбувається з тіла програми як з простими внутрішніми змінними:

FUNCTION MODBUSIO : BOOL IF (FlagBit1) OR (FlagByte = 33)



THEN IntVar := 450; ELSE IntVar := 124; END_IF;

Висновки 1. Середовище CoDeSys надає дуже зручний механізм розробки прикладної програми взаємодії з

протоколом Modbus, повністю забираючи на себе всі необхідні процедури та функції з реалізації обміну, встановлення порядку обміну даними із зовнішним обладнанням.

2. Прикладне програмне забезпечення в середовищі програмування вимагає від розробника лише адекватного опису змінних та їх типу.


1. Руководство пользователя по программированию ПЛК в CoDeSys 2.3// 3S - Smart Software

Solutions GmbH, Редакция RU 2.4, для CoDeSys V2.3.6.x. – 2006. – 453 с. 2. Минаев И. Г. Программируемые логические контроллеры в автоматизированных системах

управления / И. Г. Минаев, В. М. Шарапов, В. В. Самойленко. – 2-е изд., перераб. и доп. – Ставрополь: АГРУС, 2010. – 128 с.


Рецензент: д.т.н. проф. Троцишин І.В.

УДК 621.391 О.В. КАЛЬВАТИНСЬКИЙ

Центр прийому і обробки спеціальної інформації та контролю навігаційного поля

А.А. ТАРАНЧУК, О.О. ПОЄДИНЧУК


ЕФЕКТИВНІСТЬ ВИКОРИСТАННЯ ЗАВАДОСТІЙКОГО КАСКАДНОГО КОДУВАННЯ В ЗАДАЧАХ ДИСТАНЦІЙНОГО ЗОНДУВАННЯ ЗЕМЛІ Розроблена імітаційна модель каналу зв'язку «супутник – приймальна станція» на базі пакета

математичного моделювання MATLAB/SIMULINK, підтверджена ефективність використання каскадних кодових конструкцій, зокрема, спільного використання згорткових кодів та кодів Ріда – Соломона в системах дистанційного зондування Землі.

The simulation model of communication link "the satellite receiving station" of the base a packet mathematical simulation of MATLAB/SIMULINK is developed. Efficiency of use of the cascade code constructions, on the basis of sharing convolution codes with Reed – Solomon codes in system of remote sensing of Earth is shown.

Ключові слова: канал зв’язку, завадостійке кодування, згортковий код, код Ріда – Соломона, енергетичний виграш.

Постановка проблеми. Подальший розвиток космічної галузі в області вирішення задач

дистанційного зондування Землі (ДЗЗ) характеризується кластерним запуском космічних апаратів (КА) (запуск до шести КА малої маси одним ракетоносієм). Прикладом таких запусків є запуск з космодрому Байконур одним російським ракетоносієм «Дніпро» п’яти КА RapidEye (Німеччина) вагою 150 кг (рис. 1), а також запуск в одному кластері: білоруського комічного апарата БКА (вага 400 кг), російського "Канопус - В" вагою 450 кг, малого космічного апарату для фундаментальних космічних досліджень (МКА-ФКД) вагою до 100 кг, німецького ТЕТ-1, канадського ADS-1B одним російським ракетоносієм "Союз/Фрегат" [1].

Рис. 1. Супутники RapidEye на космодромі Байконур

Загальна тенденція по зменшенню маси КА призводить до погіршення енергозабезпечення

космічних апаратів і відповідно до зменшення потужності їх передавальних пристроїв. При цьому, за специфікацією CCSDS 131.0-B-1 для систем космічного зв’язку значення вірогідності похибки на біт (англ. Bit Error Rate – BER) не повинне перевищувати рівень 10-6 при енергетичному відношенні сигнал/шум



не менш 5 дБ. У цьому випадку проявляється характерний недолік згорткових кодів, який полягає в зменшенні ефективності кодування при збільшенні енергетичного співвідношення сигнал/шум, що не дозволяє забезпечити коефіцієнт BER<10-6 при прийнятній складності декодування. Усунення цього недоліку можливе шляхом використання каскадних кодових конструкцій на основі спільного використання згорткових кодів з кодами Ріда – Соломона у трактах приймання інформації дистанційного зондування Землі [2].

Метою даної роботи є дослідження ефективності каскадних кодових конструкцій в системах ДЗЗ та визначення вимог до енергетичних показників в супутникових каналах зв’язку.

Вирішення проблеми. Для дослідження ефективності каскадного кодування в системах ДЗЗ та визначення вимог до енергетичних показників супутникових каналів зв’язку побудуємо модель каналу зв’язку "супутник-наземна станція" з використанням пакету програм математичного моделювання MATLAB/SIMULINK у відповідності до специфікації [2], яка дозволить дослідити залежність вірогідності виникнення помилки передачі бітів (коефіцієнт BER) від співвідношення сигнал/шум (С/Ш) в каналі зв’язку (рис. 2).

Рис. 2. Модель супутникового каналу зв’язку

Модель каналу зв’язку "супутник – наземна станція" складається із наступних блоків: передавача

супутника (Sattelite), який містить блок пам'яті (Memory), пристрій кодування, QPSK модулятор (QPSK Modulator Baseband block); каналу зв’язку з адитивним білим гаусовським шумом (AIR-AWGN Channel block ) та приймача наземної станції (Graund Station), який містить QPSK демодулятор (QPSK Demodulator Baseband block) і пристрій декодування (рис. 2).

У свою чергу система кодування/декодування (рис. 3) складається з пристрою кодування, який містить кодер Ріда – Соломона (RS-encoder), перемішувач (Interleaver), згортковий кодер (Convolutional Encoder) та пристрою декодування, який складається із декодера Вітербі (Viterbi Decoder), зворотного перемішувача (De-Interleaver) та декодера Ріда – Соломона (RS-decoder).

Розглянемо принципи роботи основних блоків моделі (рис. 2, 3). В блоці пам'яті (Memory) зберігається інформація, яка взята за основу як кадр (послідовність

розміром 223 байти) інформації, яка передається з супутника і сформована за специфікацією [2]. Блок пам'яті реалізований в MATLAB/SIMULINK/COMMUNICATIONS SYSTEM TOOLBOX за допомогою двох блоків: Сonstan та Вuffer. Отримана з блоку пам’яті інформація зі швидкістю 15 Мбіт/с поступає на кодер Ріда – Соломона (RS-Encoder). Відомо [3], що коди Ріда – Соломона є блоковими циклічними кодами з генеруючим поліномом:

kn

i

ibxxg1

)()( , (1)



де b – один із елементів поля GF(q).

Рис. 3. Схема системи кодування/декодування

Кодер Ріда – Соломона (RS-Encoder) складається із регістрів зсуву, суматорів та помножувачів

(рис. 4). Регістр зсуву, в свою чергу, містить комірки пам’яті, в кожній із яких знаходиться один елемент поля Галуа.

При операції кодування в кодері Ріда – Соломона інформаційний поліном перемножується з породжуючим багаточленом [3].

Рис. 4. Структура кодера Ріда – Соломона РС (n,k)

Коди Ріда - Соломона РС застосовуються в якості зовнішніх кодів у каскадній кодовій конструкції.

У даних конструкціях q-і символи коду РС кодуються внутрішніми згортковими кодами. Для моделі (рис. 2) задані параметри коду Ріда - Соломона RS (255, 223) з 8-бітними символами.

Отже, кожне кодове слово містить 255 байт, або 2040 біт з яких 223 є інформаційними й 32 є байтами парності. Для даного коду: n=255; k=223; q=8; 2t=32, t=16. Це означає, що кодер Ріда –Соломона отримує k=223 інформаційних символів по q=8 бітів кожний і додає 2t символів парності для формування n=255 символьного кодового слова. При розмірі символу q, максимальна довжина кодового слова n для коду Ріда – Соломона дорівнює n = 2q – 1, а отже, для нашого випадку, 255 байт.

Структура кодового слова після операції кодування за допомогою кодера Ріда – Соломона представлена на рис. 5.

Рис. 5. Структура кодового слова після операції кодування кодером Ріда – Соломона



Код Ріда – Соломона забезпечує безпомилкову передачу інформації на мінімальній кодовій відстані d, яка визначається з виразу d=n-k+1 і становить d=33. Звідси, кількість виправлених помилок Е, які може коректувати кодер Ріда – Соломона, з виразу E=(d-1)/2, становить Е=16 символів на кадр інформації.

Разом з кодуванням Ріда – Соломона використовується блок, який виконує операцію перемішування символів (Interliving) за допомогою блоку перемішувача (Interleaver) – пристрою, що змінює порядок передачі символів детермінованим способом і який призначений для придушення пакетних похибок [3].

У якості перемішувача в моделі SIMULINK (рис. 3) використаний матричний перемішувач (Matrix Interliver) з параметрами матриці 17x15, в яку запис даних здійснюється по горизонталі, а їх зчитування – по вертикалі.

Після операцій кодування РС з перемішуванням бітова послідовність поступає до внутрішнього згорткового кодера з відносною швидкістю коду 1/2 та з довжиною слова К=7 та породжуючими поліномами згортки G1(x)=x7+x6+x5+x4+1 і G2(x)= x7+x5+x4+x2+1. Блок-схема внутрішнього згорткового кодера зображена на рис. 6.

При завадостійкому згортковому кодуванні перетворення інформаційних послідовностей у вихідні й кодові відбувається безупинно. Кодер двійкового згорткового коду містить 6-розрядний регістр зсуву і суматори по модулю 2 для утворення кодових символів у вихідній послідовності. Входи суматорів з'єднані з відповідними розрядами регістру. Комутатор на виході встановлює черговість посилки кодових символів у каналі зв'язку [4].

Використання кодів Ріда – Соломона та згорткового кодування утворює каскадну кодову конструкцію, яка у блоці QPSK модулятора (QPSK modulator Baseband block) блока SIMULINK перетворюється на модульоване коливання.

В розробленій моделі (рис.2) співвідношення С/Ш змінюється в діапазоні від 0 дБ до 8 дБ і задається в блоці SIMULINK AWGN Chanel разом з іншими параметрами радіолінії [5].

Рис. 6. Блок-схема згорткового кодера з відносною швидкістю 1/2

Фазовий портрет, що отриманий за допомогою блоку SIMULINK Scatter plot block представлений на рис. 7. Шуми, що виникають на вході приймача, пошкоджують декілька сусідніх байтів інформації. Декодер Вітербі (Viterbi Decoder) (рис. 3) не може відновити повністю передану супутником ДЗЗ інформацію, так як шуми займають величину більшу від мінімальної кодової відстані.

Рис. 7. Фазовий портрет AWGN каналу супутникового зв’язку

На рис. 8 представлений результат обробленої інформації на виході декодера Вітербі (зображення збільшене за рахунок виникнення смуг знизу при введенні надлишковості сигналу пристроєм кодування), отриманого за допомогою блоків SIMULINK моделі (рис. 2) Image Video Viewer.

В приймачі наземної станції q-і символи декодуються жорстким алгоритмом Вітербі, який вважається ефективним у каналах з AWGN. Такий декодер буде виправляти одиночні помилки в q-х символах. Якщо виникнуть пакетні помилки й деякі пакети q-х символів будуть декодовані неправильно, тоді зовнішній декодер Ріда – Соломона (RS-decoder) спільно з зворотнім перемішувачем (De - Interleaver) виправить пакети цих помилок. Таким чином, буде досягнута необхідна надійність передачі інформації в супутниковій лінії зв’язку [5].

Результат використання завадостійких каскадних кодових конструкцій при декодуванні сигналу представлений на зображенні рис. 9.

Як видно з рис. 9 каскадні кодові конструкції достатньо ефективні під час прийому інформації в системах ДЗЗ. Так як роздільна здатність систем ДЗЗ обмежена, кожний «вибитий» піксель містить важливу інформацію про Земну поверхню та перешкоджає отриманню дійсної інформації про об'єкти які находяться на поверхні Землі (льодова обстановка, переміщення суден, стан лісового насадження, прогноз врожайності сільськогосподарських культур та ін.). Відповідно до даних представлених у [2] для систем ДЗЗ при коефіцієнті BER=10-6, на мільйон переданих символів лише один з них може бути невірним.



Рис. 8. Результат декодування інформації декодером Вітербі Рис. 9. Результат декодування інформації декодером Вітербі, та декодером Ріда – Соломона

За допомогою розробленої моделі супутникового каналу зв’язку проведено дослідження

характеристик супутникового каналу від співвідношення С/Ш, при якому BER <10-6 (згідно зі специфікацією CCSDS 131.0-B-1) для двох випадків:

1) випадок 1. Використання для обробки інформації прийнятої з супутника згорткового завадостійкого кодування й декодера Вітербі.

2) випадок 2. Використання каскадних кодових конструкцій (згорткового завадостійкого кодування, використання декодера Вітербі та декодера Ріда – Соломона).

Визначення BER здійснювалась за допомогою блоків моделі SIMULINK (рис. 2) Eror rate calculation на виході декодера Вітербі (Viterbi Decoder) та декодера Ріда – Соломона (RS-decoder) при порівнянні прийнятої бітової інформаційної послідовності з виходів передавача та приймача каналу зв’язку.

За результатами моделювання побудовані графіки залежності BER від відношення С/Ш, заданого в каналі AWGN (рис. 10), з яких видно, що при вірогідності виникнення помилки на біт BER<10-6 на наземній станції у першому випадку (крива 1, рис. 10) необхідно забезпечити мінімальне співвідношення С/Ш >7,2 дБ в супутниковому каналі зв’язку, а для другого випадку (крива 2, рис.10.) – С/Ш >4,8 дБ відповідно.

Відомо [1], що потужність передавача супутників призначених для задач ДЗЗ складає 13-15 Вт, а отже отриманий енергетичний виграш від використання завадостійкого каскадного кодування при прийомі супутникової інформації дає змогу зменшити потужність випромінення супутниками у 1,7 разів, при цьому розрахункова мінімальна потужність передавача супутника становитиме від 7,65 до 8,85 Вт.

BE

R

С/Ш, дБ

Рис. 10. Залежність BER від відношенні С/Ш в каналі супутникового зв’язку

Висновок Таким чином, використання завадостійкого каскадного кодування забезпечує зменшення вимог



щодо співвідношення С/Ш у каналі супутникового зв’язку в межах 2,5 дБ, що надає можливість по зменшенню потужності випромінення КА до 1,7 разів, при потужності передавача супутника на рівні від 7,65 до 8,85 Вт. Розроблена імітаційна модель супутникового каналу зв’язку може бути використана при проектуванні приймальних трактів наземних станцій.


1. Роскосмос [Электронный ресурс]. – Режим доступу : http://www.federalspace.ru/. – Название с

экрана. 2. CCSDS 130.1-G-1. TM Synchronization and Channel Coding, Washington, DC, USA, June 2006. – 89 p. 3. Robert H. The Art of Error Correcting Coding / H. Robert, R. Morelos-Zaragoza. – First Edition, John

Wiley & Sons, 2002. – 221 p. 4. Richard E. Blahut. Theory and Practice of Error Control Codes. – Addison-Wesley Publishing Company,

Massachusetts, 1984. – 576 p. 5. William A. Geisel, Tutorial on Reed–Solomon Error Correction Coding, NASA, August 1990. – 144 p.


УДК 621.3.087.92 В.О. ВАРЕШКО


ЛІНІЙНА РІВНОМІРНА ШКАЛА ДЛЯ АЦП ПРЯМОГО ПЕРЕТВОРЕННЯ

З ВИКОРИСТАННЯМ ДВОХ НАБОРІВ РЕЗИСТОРІВ, ЩО ВІДРІЗНЯЮТЬСЯ НА ОДИНИЦЮ

Розглядаються основні характеристики та типи АЦП. Описується можливість покращення АЦП прямого

перетворення за рахунок двох наборів резисторів. Створена принципово нова лінійна шкала, що дозволяє позитивно впливати на розрядність перетворювача. За рахунок цього зменшується одиниця квантування і збільшити точність приладу.

Basic descriptions and types of ADC are considered. Possibility of improvement of ADC of direct conversion is described due to two sets of resistors. A new linear scale has been created on principle, that allows positively to influence on the digit capacity of the converter. It decreases the unit of quantization and increases the device precision.

Ключові слова: АЦП, квантування, шкала, рівномірна шкала.

Вступ Сучасний етап розвитку комп’ютерних технологій, телебачення, радіомовлення, запису та

відтворення звуку має на меті представлення інформації у цифровому форматі. Більшість інформації у первозданному вигляді є аналоговою, тому для її обробки за допомогою ЕОМ аналогова інформація перетворюється в багаторозрядний цифровий код. В цифровому вигляді вона зберігається. Пристрої, які перетворюють аналогову інформацію в цифрову, називаються аналого-цифровими перетворювачами (АЦП). Для її відтворення використовують пристрої зворотної дії – цифро-аналогові перетворювачі (ЦАП) [1].

Основними характеристиками ЦАП й АЦП є частота перетворення (швидкодія) та розрядність (точність). Частота перетворення зазвичай виражається у відліках в секунду (samples per second – SPS), розрядність – в бітах. Чим вищі вимоги до швидкості і розрядності, тим важче отримати необхідні характеристики, та тим дорожчий і складніший перетворювач [2]. Зрозуміло, що швидкість перетворення та розрядність пов’язані між собою – для підвищення точності жертвується швидкість.

Аналіз першоджерел За період існування АЦП створено багато їх типів. Ось деякі з них: 1) АЦП паралельного перетворення (прямого перетворення, flash ADC); 2) АЦП послідовного наближення; 3) сигма-дельта АЦП; 4) конвеєрні АЦП; 5) диференціального кодування. Кожен з типів АЦП призначений для підвищення точності або швидкості, одні види дорожчі та

складніші, інші – дешевші та відповідно простіші. Найшвидшим є АЦП паралельного перетворення. У ньому вхідний сигнал прикладається одночасно до входів всіх компараторів. У кожному компараторі він порівнюється з опорним сигналом, значення якого еквівалентно певній кодовій комбінації. Опорний сигнал

refU знімається з вузлів резистивного дільника, що живиться від джерела опорної напруги. Число можливих

кодових комбінацій (а, отже, число компараторів) рівне 2 1m , де m є числом розрядів АЦП [5]. АЦП прямого перетворення володіють найвищою швидкодією серед інших типів АЦП, визначуваною швидкодією компараторів і затримками в логічному дешифраторі. Їх недоліком є необхідність у великій



кількості компараторів. Так, для восьмирозрядного АЦП потрібно 255 компараторів. Це ускладнює реалізацію багаторозрядних АЦП в інтегральному виконанні. Крім того, точність перетворення обмежується точністю і стабільністю кожного компаратора і резистивного дільника. Проте на основі даного принципу будують найбільш швидкодіючі АЦП з часом перетворення в межах десятків і навіть одиниць наносекунд, але обмеженій розрядності (не більше шести розрядів) [3].

АЦП послідовного наближення (Successive Approximation Register – SAR) реалізує алгоритм “зважування”. АЦП вимірює величину вхідного сигналу, здійснюючи ряд послідовних “зважувань”, тобто порівнянь величини вхідної напруги з рядом величин, що генеруються наступним чином.

1. На першому кроці на виході вбудованого ЦАП встановлюється величина, рівна 1

2refU [2], де

припускається, що сигнал знаходиться в інтервалі 0; refU .

2. Якщо сигнал більше цієї величини, то він порівнюється з напругою, що лежить в інтервалі, який

залишився посередині, тобто, в даному випадку, 3

4refU . Якщо сигнал менше встановленого рівня, то наступне

порівняння проводитиметься з меншою частиною інтервалу, що залишився (тобто з рівнем 1

4refU ).

3. Крок 2 повторюється N разів. Таким чином, N порівнянь (“зважувань”) породжує N біт результату.

Перевагою пристрою є відносно висока швидкість перетворення: час перетворення N -бітного АЦП складає N тактів. Точність перетворення обмежена точністю внутрішнього ЦАП і може складати 16 – 18 біт (зараз почали з’являтися і 24-бітові SAR ADC, наприклад, AD7766 і AD7767) [2].

Існує багато алгоритмів та структур, які перетворюють аналогову величину в цифрову. З роками досліджень їх характеристики вдосконалюються: зменшуються шуми, похибки зводяться до мінімуму, швидкодія АЦП зростає. Проте кожен з них має свої недоліки. Найшвидші АЦП поступаються своєю розрядністю та великою кількістю використання резисторів та компараторів, багаторозрядні відстають в частотних швидкостях та поступаються простотою конструювання. Далеко не всі характеристики перетворювачів досконалі, а тому здебільшого певний тип АЦП використовується у вузькій спеціалізації.

Мета статті Дослідимо можливість покращення АЦП прямого перетворення за допомогою вдосконалення його

шкали з використанням двох наборів резисторів, що відрізняються на одиницю. Проведемо математичні дії над значеннями отриманих даних з обох наборів резисторів для одержання удосконаленої шкали. Також перевіримо шкалу на рівномірність і, якщо вона нерівномірна, виведемо для неї алгоритм, який зможе зробити її рівномірною.

АЦП прямого перетворення з двома наборами резисторів Створення принципово нової лінійної шкали АЦП прямого перетворення дозволяє позитивно

впливати на розрядність перетворювача. Для АЦП з новою лінійною шкалою потрібно, зокрема, m n

( m n p ) резисторів. Для максимальної кількості значень обираємо 1p , оскільки при 1p й

однаковій кількості резисторів кількість отриманих значень буде помітно зменшуватись, тому надалі p

приймаємо за одиницю. Проте при створенні лінійної шкали отримуємо mn значень в межах напівінтервала

0; 1 . Для цього потрібно АЦП прямого перетворення з деякими змінами, а саме з різницею значень

отриманих даних з обох наборів m та n резисторів. В результаті з’явиться m n -матриця, де певна кількість елементів матриці буде від’ємною, тому всі елементи будуть братись по модулю, хоча певна кількість отриманих значень дублюється за рахунок від’ємних елементів, взятих по модулю (наприклад, при

7 8 56mn маємо 27 від’ємних значень, 28 додатних і нуль – всього 56 значень, з яких (6 7) / 2 21

повторюються). Для визначення кількості повторюваних значень використаємо формулу 1 1

2repeat

m nn

. (1)

Ця формула показує кількість repeatn повторюваних значень для m n -матриці ( 1m n , де

3, 4, 5, ...m ), обчислюваної методом абсолютної різниці. Тому для отримання кількості позначок

(елементів) лінійки (відкинувши повторення від загальної кількості значень) має місце формула

repeatk mn n , (2)

де k – кількість елементів лінійки. Одиницю квантування або ціну поділки отриманої шкали буде визначати міра

1q

mn , (3)



де q – одиниця квантування.

Нехай вектор i maA вміщує в собі множину m значень

i

ia

m , (4)

а вектор j nb B вміщує в собі множину n значень

j

jb

n . (5)

Для отримання m n -матриці ij m nd

D знайдемо абсолютну різницю між кожним елементом

вектора A та кожним елементом вектора B . Значення отриманої матриці обчислюються так:

ij

in jmd

mn

. (6)

Елементи матриці D лежать в межах напівінтервала 0;1 . Якщо з неї видалити повторювані

елементи і відсортувати за зростанням залишені k елементів, то отримаємо вектор

s kcC , (7)

який утворює лінійку кількістю в k елементів, проте шкала в такої лінійки нерівномірна. Це видно з формули (6), де при певних значеннях m та n матриці D , і відповідно вектора (7), упускаються їх значення, тобто неможливо отримати певні значення за допомогою операції віднімання.

Зрозуміло, що довжиною лінійки l з кількістю елементів k та ціною поділки q є

1l k q . (8)

Проте максимальне значення вектора C більше за довжину лінійки l :

1,max ss k

c l

(9)

або для відсортованої за зростанням

kc l . (10)

Це пояснюється тим, що одиниця квантування q залежить від усієї кількості mn утворених

елементів, які вміщує в собі вектор C , а довжина лінійки залежить від кількості елементів без повторення k mn (рис. 1). Тому цю невідповідність потрібно вирішити.

Починаючи з ( m n )-го елементу впорядкованого за зростанням вектора C , наступні 1m

( 1m n ) елементів мають відхилення від лінійки на q вверх вздовж осі ординат, наступні 2m

елементів відхиляються від попередніх 1m елементів на 2q , а від еталонної лінійки на 2 3q q q . Кожні

наступні m h ( 1, 2h m ) елементи за тим самим принципом будуть відхилятись від попередніх

елементів на hq , а від еталонної лінійки – на суму всіх попередніх стрибків. Звідси випливає, що відхилення

від еталонної лінійки відбувається стрибками в певних точках або на інтервалах осі абсцис. Точки, в яких відбуваються стрибки, визначаються за формулою:

1j jx x m j ( 1 ; 1,x m n j m ). (11)

Відстань на яку відхиляються поділки шкали від еталонної шкали знаходиться по формулі:

1 1i i iy y q ( 1 ; 1,y q i m ). (12)

Отже, на інтервалі 1;j jx x відбувається стрибок вверх по осі ординат на iy . Тому, щоб отримати

з вектора (7) еталонну лінійку, потрібно на інтервалі 1;j jx x значень вектора C відняти відстань

відхилення iy . Так утвориться новий вектор EC , який визначає еталонну лінійку:

jE ix

kc y

C ( , 1,i j m ). (13)

В результаті опрацювання даних з m n резисторів одержано відповідний вектор E s kcC і

лінійку з k за (2) елементами, одиницею квантування якої є q за (3) (рис. 2).



Рис. 1. Графічне відображення значень нумерованих елементів вектора s kcC . Еталонна частина лінійки знаходиться в

інтервалі 0; 14 , частина лінійки зі зміщенням – в інтервалі 15; 35

Рис. 2. Графічне відображення утворене зі значень нумерованих елементів вектора E s kcC з урахуванням відхилення (13)

повністю визначає еталонну лінійку Висновки Таким чином, за допомогою урахувань стрибків створено нову лінійку для АЦП прямого

перетворення з двома наборам резисторів, що значно покращує розрядність перетворювача. Для цього задіяний метод абсолютної різниці щодо отриманих даних з обох наборів резисторів. Це дало змогу побудувати нерівномірно розподілену шкалу з кількістю поділок (2). Нова шкала зведена до лінійної рівномірно розподіленої шкали згідно з формулою (13). В результаті вдалось зменшити одиницю квантування, що, в свою чергу, збільшить точність перетворення.


1. Analog-to-digital converter [Електронний ресурс]. – Режим доступу : http://en.wikipedia.org/wiki/

Analog-to-digital_converter



2. Successive approximation ADC [Електронний ресурс]. – Режим доступу: http://en.wikipedia.org/ wiki/Successive_Approximation_ADC

3. Измерения и контроль в микроэлектронике: учебное пособие по специальностям электронной техники / [Н. Д. Дубовой, В. И. Осокин, А. С. Очков и др.]. – М. : Высш. шк., 1984. – 367 с.

4. Глинкин Е. И. Технология аналого-цифровых преобразователей : [монография] / Е. И. Глинкин, М. Е. Глинкин. – Тамбов : Изд-во Тамб. гос. техн. ун-та, 2008. – 140 с.

5. Троцишин І. В. Напрямки квантової теорії вимірювального перетворення фізичних величин на основі єдиної дробово-раціональної шкали вимірювань / І. В. Троцишин // Вісник Хмельницького національного університету. Технічні науки. –2011. – 1. – С. 196 – 201.

6. Гуляс О. Й. Вимірювання постійної напруги методом коінциденції / О. Й. Гуляс, О. П. Войтюк, І. В. Троцишин // Вісник Хмельницького національного університету. Технічні науки. – 2011. – 1. – С. 89 – 93.

7. Троцишин І. В. Шляхи підвищення роздільної здатності шкали вимірювального перетворення ЦАП і АЦП / І. В. Троцишин, О. П. Войтюк, Н. І. Троцишина // Вісник Хмельницького національного університету. Технічні науки. – 2010. – 2. – С. 236 – 242.

8. Кестер У. Аналого-цифровое преобразование / У. Кестер. – М. : Техносфера, 2007. – 1019 с.

Надійшла 22.9.2012 р. Рецензент: д.т.н. Троцишин І.В.

УДК 621.78/ (66.088+537.52+66.046)

І.М. ПАСТУХ, М.В. ЛУК’ЯНЮК, В.О. КУРСКАЯ, В.І. КУХАР Хмельницький національний університет

ПРОЦЕС РОЗМИКАННЯ СТРУМУ В УСТАНОВЦІ ДЛЯ АЗОТУВАННЯ

В ТЛІЮЧОМУ РОЗРЯДІ З НЕСТАЦІОНАРНИМ ЖИВЛЕННЯМ Виконано аналіз зміни електричних параметрів в установці для азотування в тліючому розряді зі

змінним живленням при вимкненні напруги. The analysis of change of electric parameters is executed in a nitridings plant in a gas discharge with a variable

feed in case of setting off tension. Ключові слова: азотування, тліючий розряд, нестаціонарне живлення, розмикання, електричні

параметри. В попередніх роботах, присвячених перехідним процесам в установці для азотування в тліючому

розряді з нестаціонарним живленням, розглянуті ввідні положення стосовно цих процесів, а також питання зміни в часі напруги та струму в момент замикання силового ключа [1– 4]. Таким чином, досліджені перехідні явища, які мають місце в установках в той момент, коли напруга стрибкоподібно збільшується від нульового значення до певного номінального, характерного у відповідності до технологічних параметрів модифікаційного процесу. Встановлено, що деякі з електричних характеристик в цей момент у значній мірі відрізняються від номінального значення параметра, регламентованого режимом, що при незначній тривалості циклу наявності напруги на електродах камери, характерній, наприклад, для циклічно комутованого та йому подібних процесів, може відігравати суттєву роль у формуванні поверхневого модифікованого шару, його фазової структури та, відповідно, властивостей. При цьому слід мати на увазі, що частота процесів зміни параметрів живлення порядку десятка кілогерц, тому доля впливу фаз їх стабілізації суттєва, що обов’язково потрібно враховувати в аналітичному апараті прогнозування наслідків модифікації [2]. В цій роботі передбачається розглянути перехідні процеси, які притаманні установкам азотування в тліючому розряді з нестаціонарним живленням у фазі вимкнення напруги. При цьому передбачається, що нестаціонарні явища при замиканні та розмиканні електронного ключа (ЕК) не перекриваються, що дозволяє розглядати ці процеси незалежно.

Еквівалентна схема установки в режимі розмикання електронного ключа ЕК показана на рис. 1.

На рис. 1 використані умовні позначення: Е – електрорушійна сила (ерс) джерела живлення, Rф, Сф – відповідно опір та ємність фільтра згладжування, Rб – баластний опір, L – еквівалентна індуктивність камери, CЭК – ємність електронного ключа в розімкнутому стані, RК – резистивний опір камери змінному струмові. Позитивний напрямок напруги u та струму і камери відповідають

Рис. 1. Еквівалентна схема установки в режимі розімкнення ключа



загальноприйнятій в технологічній практиці. Для аналізу схеми на рис. 1 представимо її у

вигляді операторної схеми заміщення (рис. 2), в якій всі елементи початкової схеми замінено операторними відображеннями. При цьому позначення елементів зберігається аналогічно прийнятим в роботі [3], тобто

( )E p E p ,

а для зручності подальших викладок перепозначено RФ=R1, Rб=R2, CФ=С.

Значення параметрів UC (0), i (0) знаходяться шляхом використання результатів, наведених в роботі [3] для стаціонарного режиму

1

1 2

(0)C

ERU E

R R

,

Рис. 2. Операторна схема заміщення

де ГE E U ,

UГ – ерс фіктивного джерела, чисельно рівна напрузі горіння на електродах камери в усталеному режимі;

1 2

(0)E

iR R

.

З метою спрощення аналізу слід врахувати наступні обставини. По-перше, метою дослідження є короткочасні процеси, тривалість яких не перевищує час деіонізації розрядного проміжку після розімкнення ключа. Ємність С фільтра настільки велика, що протягом цього часу напруга на ємності практично не зміниться, а це дозволяє розглядати в ході аналізу тільки правий контур схеми на рис. 2. По-друге, оскільки ємність С практично послідовно включена стосовно значно меншої (більш, ніж в тисячу разів) ємності Сек, то впливом ємності С на процес допустимо знехтувати. Спрощена операторна схема приведена на рис. 3.

Рис. 3. Спрощена операторна схема

Операторний опір ланцюга

2 22 0

1( ) 2K

ек

LZ p R R pL p p

pC p ,

де 20 1 екLC – резонансна частота послідовного коливального контуру,

2 BR L (опори R1 та R2 об’єднані в один загальний опір втрат контуру 1 2BR R R ).

Операторне відображення струму камери

2 2 2 21 2

(0)(0) 1 (0)

( ) (0) (0)( ) 2 2

C

C

Up

U E p aLiI p Li i

p Z p p p R R p p

,



де 2 1(0)

(0)C ГU ER U R

aLi L E

.

Оригінал струму у відповідності до формули розкладу

1 21 2

1 2 1 2

( )2( ) 2( )

p t p tp a p aEi t e e

R R p p

,

де р1, р2 – корені рівняння 2 22 0p p .

Після підстановки значень коренів 2 2

1,2p

та після певних перетворень отримаємо вираз для зміни струму в часі

1 2

1( ) t

aE

i t e ch t sh tR R

,

де 2 21 .

Найбільш ймовірнішим в цьому випадку буде коливальний режим, при якому ω2>δ2,

j ,

де 2 2 1 0 .

Тоді

1 2

1( ) cos sint

aE

i t e t tR R

.

При переході до безрозмірного часу х=δt

1 2

1( ) cos sinx

aE

i t e x xR R

.

З отриманих рівностей з очевидністю слідує можливість негативних викидів струму як за рахунок складової з косинусом, так і за рахунок складової з синусом в дужках. Внесок складової з синусом визначається коефіцієнтом

1a

A

,

де 2 1 2 1

2 2

(1 )2 2

( )Г

K K

ER U R x R Ra

E R R x R R

, при цьому Г

Ex

U

, а величину β можна виразити

через добротність послідовного коливального контуру 2 2

202 2

1 4 1 4 1П

QR

.

Через ЕК

L

C позначено характерний опір контуру.

Слід зазначити, що наявність синусної складової струму обумовлює наявність не тільки негативного, але і позитивного викиду безпосередньо вслід за моментом комутації. Величина позитивного викиду залежить від величини А.

Розглянемо для ілюстрації приклад. Нехай RRR 21 , 2RRK , 25,0 ГUEx .

В цьому випадку



14

17172

Q

A .

При Q>>1 Q

A5,8

/

В цьому випадку при наведених умовах величина А залежно від Q може змінюватись в широких межах – від значень порядку одиниці до надзвичайно малих величин. В останньому варіанті відносним вкладом синусної складової можливо знехтувати.

Напруга на електродах камери знаходиться як сума

iRdt

diLu K ,

звідки отримаємо

1 2

2

1 2

cos sin cos sin

1 cos sin2

t t

tK

di ELL e A t t e t A t

dt R R

R REe A t A t

R R

,

1 2

cos sintKK

ERiR e t A t

R R

.

Для подальшої ілюстрації використаємо дані з попереднього прикладу, при цьому

1716cos sin

4

174cos 0,25 sin

t

t

Eu e t t

E e t t

.

Для випадку високої добротності контуру Q>>1

1 8,54cos 2 sin

4

2,25sin 4cos

2

t

t

u E e t Q tQ

QE e t t

Q

,

що демонструє можливість позитивного викиду напруги при високій добротності контуру. Висновок. Проведений аналіз перехідних процесів зміни струму при розмиканні живлення свідчить

про можливість при певних умовах різкого короткочасного підвищення напруги та струму.

Література 1. Пастух І. М. Вихідні положення визначення електричних характеристик при азотуванні в

тліючому розряді з нестаціонарним живленням / І. М. Пастух, М. В. Лук’янюк, В. О. Курская // Вісник Хмельницького національного університету. – 2012. – 1. – С. 7– 10.

2. Пастух І. М. Аналітичні критерії утворення нітридів при азотуванні в тліючому розряді з нестаціонарним живленням / І. М. Пастух, М. В. Лук’янюк, В. О. Курская // Вісник Хмельницького національного університету. – 2012. – 2. – С. 25– 33.

3. Пастух І. М. Перехідні процеси вмикання струму в установці для азотування в тліючому розряді з нестаціонарним живленням / І. М. Пастух, М. В. Лук’янюк, В. О. Курская // Вісник Хмельницького національного університету. – 2012. – 3. – С. 11– 15.

4. Пастух І. М. Зміна напруги при вмиканні струму в установці для азотування в тліючому розряді з нестаціонарним живленням / І. М. Пастух, М. В. Лук’янюк, В. О. Курская // Вісник Хмельницького національного університету. – 2012. – 4. – С. 7– 12.


Статтю представляє: д.т.н. Пастух І.М.



УДК 004.9 С.М. ЛИСЕНКО, А.Ф. КРИЩУК


Ю.П. ДЗЮБАК Нововолинський електромеханічний коледж

ДОСЛІДЖЕННЯ ПЕРЕВАГ ЗАСТОСУВАННЯ LATEX

ПРИ ОФОРМЛЕННІ НАУКОВИХ ПРАЦЬ В роботі досліджено актуальність застосування мови розмітки даних та пакетів макросів TeX для

високоякісного оформлення документів. В роботі також подано основні прийоми створення наукового TeX документу. В статті представлені якісні переваги використання системи LATEX як засобу створення математичних і технічних текстів для публікації в наукових виданнях.

In the article the urgency of the using of a typesetting system and TeX macro package for high quality documentation is researched. Also in the paper a scientific techniques of the TeX document creating is presented. The article presents advantages of LATEX system as a means of creating mathematical and technical texts for publication in scientific journals.

Ключові слова: TEX, LATEX, Springer, IEEE, IEEE data Xplore, TEX‐верстка, стилі в TEX.

Вступ Складність процесу підготовки матеріалів до видання, яка пов’язана з некомпетентністю і

неуважністю користувачів при ознайомленні з матеріалами вимог створює проблему і незручності як для редакторів, так і для замовників та користувачів. Використання текстового процесора Latex дозволяє позбутись більшості даних проблем і прискорити процес виходу друкованих видань.

Латекс являє собою набір програм і є продовженням оригінальної програми TEX, написаної Дональдом Кнутом [1].

У більшості текстових процесорів операції введення тексту, форматування рядків, абзаців і сторінок, виведення редагованого тексту на екран, а згодом на принтер, об'єднані в одному додатку. Програма верстки TEX відповідає тільки за форматування рядків, абзаців і сторінок. Таким чином, набір документу, використовуючи TEX, здійснюється введенням тексту документа і необхідних команд форматування в текстовому редакторі (наприклад, блокнот в Windows), а потім його компіляцією. Після цього документ можна переглянути за допомогою попереднього перегляду або друку з використанням драйвера принтера.

TEX також є мовою програмування, що дозволяє написання коду для додаткових функцій, що забезпечує зручне використання даного продукту для написання наукових робіт різного спрямування.

Сьогодні найбільш відомі видавництва приймають матеріали лише у форматі Latex, зокрема міжнародна видавнича компанія, що спеціалізується на видавництві академічних журналів та книг з природничо-науковим спрямуванням Springer [2].

Структура LATEX документу Лістинг LATEX документу з підтримкою української мови: \documentclassarticle \usepackage[utf8]inputenc \begindocument \beginthesesukrainian Це мій \emphперший документ в \LaTeX. \endtheses \enddocument Для роботи з даним документом необхідно зберегти файл на жорсткому диску з іменем file.tex,

або з іншим іменем, яке дозволене операційною системою. Подальші дії користувача залежать від типу операційної системи [3-4].

GNU / Linux У командному рядку необхідно ввести: latex myfile На екрані видно кількість рядків прокручування тексту. Для перегляду результатів у вікні терміналу

необхідно ввести наступну стрічку: xdvi myfile З'явиться вікно, яке показує результат зображений на рисунку 1.

Рис.1. Результат виводу стрічки тексту із стилізованим позначенням



Перший рядок \documentclassarticle повідомляє LATEX, що результатом буде стаття. Для написання книг, або інших підготовлених матеріалів, параметр article має бути змінено на відповідний тип. Весь текст документу, який буде набрано, повинен бути розміщеним між командами \begindocument і \enddocument.

З 1998 року діє офіційний стандарт з підтримки кирилиці в TeX/LaTeX (включно з українською мовою). Він включає підтримку кирилиці в LaTeX 2ε (починаючи з версії від 31 грудня 1998 р.), підтримку української мови в babel, кириличні LH шрифти і українські переноси. Команди \beginthesesukrainian і \endtheses забезпечують можливість введення українських літер за наявності відповідного стилю в поточному каталозі документу.

З рисунку 1 видно, що перші два слова виводяться як типізовані. У позиціях тексту, де \emphперший є командою LATEX, виконується верстка тексту, а у фігурних дужках в курсив («italic»). Команда \LaTeX виводить у вихідний файл стилізоване позначення LATEX [2,5-8].

Основне призначення TEX - це вірно відформатований технічний документ, який може містити багато математичних описів. Виправляти складні математичні формули, використовуючи текстовий процесор LaTeX, маючи початковий лістинг, досить просто.

Верстка документу Для створення латекс-документу текст друкується разом з деякими командами LATEX. Слова

мають бути розділені пробілами (не важливо скільки). Для створення нового абзацу потрібно залишити порожній рядок. Хоча довжина рядка тексту, що вводиться, буває різною, у вихідному файлі вона є однаковою.

Зміна відстані між словами здійснюється системою TEX. Можлива ситуація, коли необхідний додатковий відступ після закінчення речення, наприклад: В кінці абзацу задається порожній рядок на вході. Тобто для початку

нового абзацу, потрібно залишити порожній рядок. Лістингом даного тексту буде: В кінці абзацу задається порожній рядок на вході\@. Тобто для початку

нового абзацу, потрібно залишити порожній рядок. Команди \@ використовуються перед крапкою для створення додаткового відступу після закінчення

речення. Приклад випадку, коли речення після знаку «.» (крапка) продовжується з малої літери: Робота була виконана д.т.н., проф. Петренком П.П. Лістингом даного тексту буде: Робота була виконана д.\ т.\ н.\ , проф.\ Петренком П.П. В даному випадку використовується команда \ (зворотній «слеш» і пробіл). Дана команда також

використовується для позначення пробілу у вихідному коді. Можливі ситуації, коли команда \ є корисною для вставки спеціальних команд і спеціальних

символів. Наприклад: Я думаю \LaTeX це цікаво. Результат зображено на рисунку 2.

Рис. 2. Результат виконання лістингу без використання команди « \ »

Як видно з рисунку 2, TEX усуває всі пробіли після команд. Для отримання потрібної послідовності

у вихідному файлі необхідно змінити вхідну послідовність на наступну: Я думаю \LaTeX\ це цікаво. Використання лапок у лістингу LaTeX відрізняється від загально відомого. Результат виконання лістингу TEX: Зверніть увагу на праві і ліві лапки ‘одинарні лапки’ і “подвійні

лапки”. Це описується наступним лістингом: Зверніть увагу на праві і ліві лапки ‘одинарні лапки’ і ‘подвійні

лапки’’. Сучасні клавіатури містять клавішу для введення символу `, яка інтерпретується як ліва лапка TEX.

(У наведеному моделюванні вхідного лістингу, цей символ відображено як ‘). Крім того, клавішу ‘інтерпретує ліва лапка в TEX. Подвійні лапки компілюються шляхом введення одинарних лапок двічі. ‘ Також ‘ подвійні лапки ‘‘ можуть бути використані для закриття подвійних лапок в TEX [3, 9-13].

Якщо на клавіатурі немає клавіші лівих лапок, можна використовувати команду \lq для вставки їх у текст. Відповідна команда \rq встановлює праві лапки. Таким чином, наведений вище текст може бути виконано наступним чином:

Зверніть увагу на праві і ліві лапки \lq одинарні лапки \rq\ і \lq\lq



подвійні лапки \rq\rq. Нові версії компіляторів допускають використання відкриваючих і закриваючих подвійних лапок у

лістингу для відображення їх у вихідному тексті. Символи тире у тексті використовуються для різних цілей. У TEX тире мають різну довжину. Таким

чином, короткі тире використовуються для дефісів, більші використовуються для позначення діапазонів номерів і ще більші тире використовуються для зауважень та пояснень. Приклад використання тире в TEX, вихідний текст:

Троянські програми розглядаються на сторінках 110–150 том 5—захист комп’ютерних мереж.

Лістинг TEX: Троянські програми розглядаються на сторінках 221--225 том 5--- захист

комп’ютерних мереж. Один символ тире у лістингу - компілює перенос слова у вихідному файлі, два тире -- компілює

більше тире (–) і три тире --- компілює найдовше довге тире (-) на виході. При наборі іноземних слів, можливе використання позначень над літерами різних типів. На рисунку

3 приведені позначки доступні в LATEX.

Рис. 3. Спеціальні позначення в LATEX для роботи з іноземними словами

Букви i та j можуть потребувати спеціального відображення і не повинні мати свої звичайні точки.

Команди \i і \j відображають менші точки, ніж стандартні [14-15]. Таким чином, щоб отримати результати, що вказані на рисунку 4, необхідно написати:

\’El est\’a aqu\’\i

Рис. 4. Результат виконання коду

Деякі символи, які характерні для англійської мови, також доступні в LATEX, як показано на

рисунку 5.

Рис. 5. Спеціальні символи в LATEX

Значення \LaTeX виводить стилізований у емблему LATEX у вихідний файл, а символ \ виводить

пробіл. TEX використовує символ \ для спеціальних цілей, щоб вказати програмі, що далі слідує не набраний текст, а команда для виконання. Тому, якщо необхідно отримати \ у вихідному файлі, потрібно ввести команду \textbackslash , результатом виконання якої і буде \ .

Таким чином, \ є символом, який має особливе значення для TEX, і він не може бути отриманий шляхом прямого введення [1, 4,17]. Також можлива наступна ситуація:

Я щось дізнався про % \ LaTeX. Результатом буде наступний текст: Я щось дізнався про TEX використовує в символ % відсотків як символ коментаря. TEX розглядає наступний текст як

"коментар", а не як набраний текст. Це корисно для TEX-програміста, щоб пояснити особливості спеціалізованих частин коду.



Для виводу знаку відсотка в лістингу потрібно ввести команду \% . Я щось дізнався про \% \LaTeX. Повний перелік зарезервованих символів системи TEX наступний: ˜ # $ % ˆ & _ \ Для відображення цих символів у вихідному документі необхідно ввести комбінації, які наведені в

таблиці 1.

Таблиця 1. Результати введення команд у TEX документ

Вихідне значення Вхідне значення Вихідне значення Вхідне значення ˜ & # _ $

\textasciitilde \& \# \_ \$

\ % ˆ

\textbackslash \% \ \

\textasciicircum

Згідно таблиці 1 більшість символів відображаються з додаванням символу \. Для символів ˜ \ та ˆ

використовуються спец команди [18-20]. Два символи \\ створюють обрив рядка, наприклад: Це перша лінія.\\ Це друга лінія Результат зображений на рисунку 5.

Рис. 5. Результат виконання лістингу

Також можна змінювати аргумент команди \\ для збільшення відстані між рядками. Наприклад: Це перша лінія.\\[15] Це друга лінія Результат зображений на рисунку 6.

Рис. 6. Результат виконання коду

На рисунку 6 показано наявність додаткових 15 точок між рядками (1 точка має розмір 1/72 дюйма). З наведених вище прикладів видно, що TEX вирівнює текст по-своєму, незалежно від способу

форматування тексту в початковому файлі. Якщо необхідно створити форматований лист, як зображено на рисунку 7, то необхідно ввести наступний лістинг:

\beginflushright Директору ТзОВ ``Програмування''\\ Петренку П.П.\\ Провідного інженера \\ Степаненка С.С.\\[.75cm] \endflushright \begincenter Заява\\[.75cm] \endcenter \noindent Прошу Вас надати мені відпустку з 1.09.2012 р. на 30

календарних днів.\\[.75cm] 15.08.2012 р. \qquad С. С. Степаненко



Рис. 7. Приклад форматованого тексту

Використана команда \qquad визначає пробіл подвійного розміру (2 точки). Конструкція \begincenter ... \endcenter визначає розміщення тексту точно в

центрі сторінки. Конструкція \beginflushright ... \endflushright визначає розміщення тексту з

правого краю сторінки. Конструкція \beginflushleft ... \endflushleft визначає розміщення тексту з

лівого краю сторінки. Вказані приклади ілюструють LATEX конструкцію, яка називається середовищем. Конструкція має

вигляд: \beginназва ... \endназва ,де назва є назвою середовища. В LATEX тип стилю визначається сімейством, серією і формою, які показані в таблиці 2.

Таблиця 2. Команди визначення типу стилю в LATEX

Тип стилю Стиль Команда Сімейство roman

sans serif typewriter

\textrmroman \textsfsans serif \texttttypewriter

Серія medium boldface

\textmdmedium \textbfboldface

Форма upright italic slanted SMALL CAP

\textupupright \textititalic \textslslanted \textscsmall cap

Будь-який тип стилю у вихідному файлі являє собою комбінацію з цих трьох характеристик. За

замовчуванням встановлено сімейство roman, medium серію, та форму upright у вихідному LATEX документі. Набір roman, medium, italic реалізує команда \textit. Набір roman, boldface, upright реалізує команда \textbf. Є можливість об'єднати ці команди для побудови широкого спектру типів стилів. Наприклад:

\textsf\textbfsans serif family, boldface series, upright shape \textrm\textslroman family, medium series, slanted shape Результат зображений на рисунку 8.

Рис. 8. Приклад використання стилів

Деякі з цих типів стилів можуть бути недоступні. У такому випадку LATEX дає попередження під

час компіляції і пропонує здійснити заміну іншим доступним типом стилю, який система вважає наближеним до необхідного.

Команда \emph. Якщо є звичайний (upright) текст, то при використанні команди \emph отримуємо курсивний текст. Але якщо поточна форма вказана як slanted або italic , тоді отримуємо текст upright форми. Наприклад:

\textitДаний текст надруковано курсивом, але \emphтепер стандартно і знову курсив \emphі стандартно

Результат:



Даний текст надруковано курсивом, але тепер стандартно і знову курсив і стандартно В той же час: \textbf Даний текст жирний, але \emph тепер курсивом і знову жирний \emphі курсивом Результат: Даний текст жирний, але тепер курсивом і знову жирний і курсивом Кожна з цих команд зміни типів стилів має альтернативну форму. Наприклад,

\textbfboldface можна також ввести \bfseries boldface, щоб отримати boldface. Команда може виконувати іншу за змістом функцію. Наприклад:

Під трикутником, ми розуміємо полігон з трьома сторонами. Якщо набрати Під \bfseriesтрикутником, ми розуміємо полігон з трьома сторонами. Отриманий результат буде таким: Під трикутником, ми розуміємо полігон з трьома сторонами. Таким чином, щоб задіяти конкретний фрагмент тексту, декларація та текст повинні бути розміщені

в дужках.

Рис. 9. Команди та декларації для отримання типів стилів

Розмір шрифту

Традиційно кегль вимірюється в точках (так званих принтер-точках). За замовчуванням тип TEX має розмір 10 пт. В системі LATEX наявні декларацій для зміни розміру шрифту. Вони приведені в таблиці 3.

Таблиця 3

Декларації в LATEX для зміни розміру шрифту Результат Вхідне значення Результат Вхідне значення

Розмір \tiny розмір розмір \large розмір Розмір \scriptsize розмір розмір

\Large розмір

Розмір \footnotesize розмір розмір \LARGE розмір

Розмір \small розмір розмір

\huge розмір

Розмір \normalsize розмір

розмір

\Huge розмір

Вхідне значення розміру шрифта \normalsize відповідає розміру за замовчуванням. Розміри

утворюють упорядковану послідовність від найменших \tiny до великих \Huge. Допускається об'єднання зміни стилю зі зміною розміру. Наприклад, заява, подана на рисунку 7,

може бути відредагована: \beginflushright \scshape\large Директору ТзОВ ``Програмування''\\ Петренку П.П.\\ Провідного інженера \\ Степаненка С.С.\\[1cm] \endflushright \begincenter \bfseries\huge Заява\\[.75cm] \endcenter



\noindent Прошу Вас надати мені відпустку з 1.09.2012 р. на 30 календарних днів.\\[.75cm]

15.08.2012 р. \qquad С.С. Степаненко Скомпільований результат зображений на рисунку 10.

Рис. 10. Приклад використання зміни стилю і розміру шрифтів

Оформлення документу

Виконання роботи у LATEX дає можливість створення глав і розділів у документі. Усі файли LATEX слід розпочинати з вказівки виду документа. Це здійснюється за допомогою команди \documentclass.... Для коротких статей записується \documentclassarticle. Для книги вказується команда \documentclassbook. Також присутні інші класи документів доступні в LATEX, такі як звіт і лист.

LATEX не має класу за замовчуванням . До визначення типу документу можна вказати деякі опції, які модифікують формат за замовчуванням. Синтаксис команди \documentclass є наступним:

\documentclass [опції] клас Опції (варіанти) вказуються в квадратних дужках. Типовим для LATEX-команд є те, що параметри

задаються у квадратних дужках, після чого обов'язкові аргументи вносяться у фігурні дужки [21-23]. Текстовий процесор LATEX дає змогу вибрати розмір шрифту для звичайного тексту у всьому

документі. Наприклад команди: 10pt 11pt 12pt \documentclass[12pt]article

встановлюють розмір звичайного тексту в документі із значенням 11 пт. Якщо не вказувати розмір шрифта, то за замовчуванням встановлюється 10пт.

LATEX має власний метод розмітки для створення параграфів. Він також має методи, щоб зробити вертикальні розриви для здійснення виведення різних сторінок. Для застосування обривів компілятору необхідно знати ширину і висоту паперу. Приклад наведено на рисунку 11.

Рис. 11. Команди встановлення розміру сторінки

З ростом розмірності вертикалі збільшується висота сторінки. За замовчуванням встановлена

розмірність letterpaper. Можливі варіанти для розміщення вмісту кожної сторінки в одну або дві колонки. Це

встановлюється наступними опціями: onecolumn twocolumn За замовчуванням встановлено onecolumn. Існує також можливість вказати, чи буде документ остаточно надрукований тільки на одній стороні

паперу чи з обох сторін. Це забезпечується наступними опціями: oneside twoside У класах «доповідь» і «книга» є положення, щоб вказати різні глави. Глави завжди починаються з

нової сторінки. При цьому залишається порожній простір на попередній сторінці, якщо це необхідно. У класі «книга» є додаткові обмеження, які полягають в тому, що глави починаються тільки на непарних сторінках. При цьому, залишається вся порожня сторінка, якщо це буде необхідно. Дані дії контролюються опціями:

openany openright



За замовчуванням встановлена опція openany для класу reportclass і опція openright для класу «книга».

В LATEX також існує положення для форматування "заголовків" документа (назва документа, автор(и) та ін.). В класі article ця частина документа друкується разом з текстом на першій сторінці, а для доповіді і книги - на окремій сторінці. Ці параметри встановлюються опціями:

notitlepage titlepage За замовчуванням notitlepage для статті та titlepage для звіту і книги. Як і у випадку інших

варіантів, дії за умовчанням можуть бути скасовані явно вказавши в команді опцію documentclass. Стиль сторінки Вказавши загальний тип документа за допомогою команди \documentclass з його різними

варіантами, можна встановити стиль для окремих сторінок. На мові LATEX кожна сторінка має так звані «голову» і «ногу». Вони містять таку інформацію, як номер поточної сторінки, поточного пункту або розділу. Стиль встановлюється за допомогою команди:

\pagestyle... , де обов'язковим аргументом може бути один зі стилів, які подано в таблиці 4. Крім того, можна налаштувати стиль для поточної сторінки за допомогою команди: \thispagestylestyle де style є назвою одного зі стилів. Наприклад, номер сторінки може бути відсутнім для поточної

сторінки за допомогою задання команди \thispagestyleempty. На наступній сторінці нумерація буде продовжуватись.

У стилі myheadings, можна задати текст, який з'явиться у «голові» кожної сторінки. Це робиться однією з команд:

\markbothleft headright head \markrightright head де left head – текст, що з'явиться в «голові» лівої сторінки, і right head - текст, що з'явиться

в «голові» правої сторінки.

Таблиця 4 Перелік стилів у LATEX

Стиль Опис plain «Голова» сторінки порожня і «нога» містять лише номер сторінки, в центрі по

відношенню до ширини тексту. Це значення за замовчуванням для класу article, якщо команда \pagestyle не зазначена в преамбулі.

empty «Голова» і «нога» порожні. Зокрема, відсутні номери сторінок. headings Це значення за замовчуванням для класу «книга». «Нога» порожня, «голова» містить

номер сторінки і назву розділу або підрозділу, в залежності від класу документа та його параметри.

myheadings Інформація розділу в «голові» не вказані, але може бути вказаною явно за допомогою команди \markright або \markboth.

Команда \markboth використовується з опцією twoside, де парними сторінками вважаються

ліві, а непарними - праві. З опцією oneside всі сторінки вважається правими, і в даному випадку може бути використана команда \markright. Ці команди також можуть бути використані для перевизначення стандартних «голів», що встановлені стилями. Вони дають лише обмежений контроль над «головою» і «ногою» листа. Загальний формат, шрифти, використовування і розміщення номерів сторінок фіксуються системою LATEX [4,15].

Стиль нумерації сторінок може бути заданий за допомогою наступної команди: \pagenumbering... Можливі аргументи для цієї команди, і результати залучення стилю показані у таблиці 5. Аргумент команди нумерації сторінок за умовчанням встановлюється arabic. Ця команда

обнулює лічильник сторінок. Наприклад, якщо до числа всіх сторінок входить «Передмова» з римськими цифрами та іншою частиною документа з індійсько-арабськими цифрами, то необхідно вказати команду \pagenumberingroman на початку передмови. Після цього необхідно виконати команду \pagestylearabic після першої команди \chapter, яка починає нову главу.

Допускається встановлення нумерації сторінки будь-яким числом за допомогою наступної команди: \setcounterpagenumber де number необхідний номер для поточної сторінки. Сторінка LATEX складається не тільки з «голови» і «ноги», але й тіла, що містить власне текст. У

форматуванні сторінки система LATEX використовує ширину і висоту цих частин сторінки та інші параметри, такі як ліве і праве поля. Значення цих параметрів встановлюють розмір паперу, опції і формат сторінки та команд стилю. Наприклад, команда:

\setlength\textwidth15cm встановлює ширину тексту 15 см. Додатковий пакет geometry надає простіший інтерфейс для



налаштування формату сторінки [23].

Таблиця 5. Перелік аргументів команди нумерації сторінок

Значення аргументів Опис аргументів arabic Індо-арабська нумерація roman Римські цифри Roman Римські цифри у верхньому регістрі Alph Латинські букви Alph Латинські букви у верхньому регістрі

Висновок В роботі досліджено основні можливості та переваги використання системи Латекс для створення

наукових документів. Результати дослідження показують наступні переваги LaTeX-системи як засобу форматування технічної літератури:

- висока якість створеного документа, який відповідає типографським стандартам (зручні засоби відтворення алфавітного покажчика, списків літератури, графічних об’єктів і таблиць, автоматична нумерація математичних формул, посилань та інших об’єктів поряд із ефективним механізмом перехресного цитування);

- можливість встановлення системи LaTeX на будь-якому персональному комп’ютері та безкоштовне її розповсюдження;

- можливість набору вхідного файлу у будь-якому текстовому редакторі (на відміну від файлу, створеного в редакторі Microsoft ®Word, LaTeX-файл має невеликий розмір і не потребує додаткової архівації);

- наявні засоби форматування математичних виразів; - можливість миттєвого представлення результатів у вигляді графіків, діаграм, тощо.

Література 1. Knuth Donald E. The TeXbook / Donald E. Knuth. - Addison-Wesley Professional, 1984. - 496 p. 2. International Publisher Science, Technology, Medicine - Режим доступу до ресурсу :

http://www.springer.com. 3. Abrahams Paul W. Tex for the Impatient / Paul W. Abrahams, Kathryn A Hargreaves, Karl Berry. -

Addison Wesley Publishing Company, 2000. - 357 p. 4. Kopka Н. Guide to LaTeX / Helmut Kopka , Patrick W. Daly ; [4 edition]. - Addison-Wesley

Professional, 2003. - 624 p. 5. Kottwitz S. LaTeX Beginner's Guide / Stefan Kottwitz. - Packt Publishing, 2011. - 336 p. 6. Griffiths David F. Learning LaTeX / David F. Griffiths, Desmond J. Higham. - SIAM: Society for

Industrial and Applied Mathematics, 1997. - 184 p. 7. Lamport L. LaTeX: A Document Preparation System / Leslie Lamport ; [2nd Edition]. - Addison-

Wesley Professional, 1994. - 288 p. 8. Mittelbach F. The LaTeX Companion / Frank Mittelbach, Michel Goossens, Johannes Braams, David

Carlisle, Chris Rowley [Tools and Techniques for Computer Typesetting]. - Addison-Wesley Professional, 2004. – 1120 p.

9. Grätzer G. More Math Into LaTeX / George Grätzer [4 edition]. – Springer, 2007. - 654 p. 10. Довідн; За ред. Р.В. Бойка. – 3-є вид., випр.. і допов. – К.: Ред. «бюл. Вищої атестац. Коміс.

України»; Вид-во «Толока», 2006. – 70 с. 11. Goossens M. The LATEX Graphics Companion / Michel Goossens, Sebastian Rahtz and Frank

Mittelbach Addison-Wesley, Reading, Massachusetts, 1997, ISBN 0-201-85469-4. 12. Volovich V. Cyrillic languages support in LATEX / Vladimir Volovich, Werner Lemberg and

LATEX3 Project Team Comes with the LATEX2" distribution as cyrguide.tex. 13. Режим доступу до ресурсу.: http://www.ctan.org/tex-archive/info/symbols/comprehensive/, July

2001. 14. Williams G. The TeX Catalogue is a very complete listing of many TEX and LATEX related packages

/ Graham Williams. - Режим доступу до ресурсу.:CTAN: //help/Catalogue/catalogue.html. 15. Reckdahl K. Using EPS Graphics in LATEX2" Documents, which explains everything and much more

than you ever wanted to know about EPS files and their use in LATEX documents / Keith Reckdahl. - Режим доступу до ресурсу.: CTAN://info/epslatex.ps.

16. Kristoffer H. Rose. XY-pic User’s Guide / Kristoffer H. Rose. - Режим доступу до ресурсу.: CTAN with XY-pic distribution.

17. Hobby John D. A User’s Manual for METAPOST / John D. Hobby. - Режим доступу до ресурсу.: http://cm.bell-labs.com/who/hobby.

18. Hoenig A. TEX Unbound / Alan Hoenig. - Oxford University Press, 1998, ISBN 0-19-509685-1; 0-19-



509686-X (pbk). 19. Oswald U. Graphics in LATEX2", containing some Java source files for generating arbitrary circles

and ellipses within the picture environment, and METAPOST / Urs Oswald [A Tutorial] . - Режим доступу до ресурсу.: http://www.ursoswald.ch.

20. Tantau T. TikZ&PGF Manual / Till Tantau. - Режим доступу до ресурсу.: CTAN://graphics/pgf/base/doc/generic/pgf/pgfmanual.pdf.

21. Burt, John. Using poemscol for Critical Editions of Poetry / Burt, John [In:.e PracTEX Journal 3. 2005]. - Режим доступу до ресурсу.: http://www.tug.org/pracjourn/index.html.

22. Braams. LATEX2 / Braams, Johannes et al. - Режим доступу до ресурсу.: http://www.tug.org/texlive/Contents/live/texmf-dist/doc/latex/base/source2e.pdf.

23. Fenn, Jürgen. Managing Citations and Your Bibliography with BibTEX / Fenn, Jürgen [PracTEX Journal]. - Режим доступу до ресурсу.: http://www.tug.org/pracjourn/2006-4/fenn.


Рецензент: д.т.н. Поморова О.В,

УДК 681.3.04 І.А. ДИЧКА, М.В. ОНАЙ, О.В. ВАЩІЛІН

Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут»

АПАРАТНА РЕАЛІЗАЦІЯ ОПЕРАТОРІВ ТА ФУНКЦІЙ В ПОЛЯХ ГАЛУА

У статті обґрунтовано, що швидкодії при завадостійкому кодуванні даних та при виконанні

криптографічних перетворень існує доцільність з метою побудови спеціалізованих апаратних засобів для виконання операцій в полях Галуа. Запропоновано два підходи для апаратної реалізації операторів та функцій в полях Галуа та докладно розглянуто побудову функціонального вузла для кожного оператора.

In paper it was grounded that to improve performance when noiseless coding of data and when performing cryptographic transformations there is a necessity of building specialized hardware for performing operations in Galois fields. Two approaches have been proposed for the hardware implementation of operators and functions in Galois fields and it has been considered in detail the construction of a functional node for each operator.

Ключові слова: скінченне поле, схема цілочислового ділення, примітивний елемент.

Вступ Основні принципи теорії скінченних полів (які часто називають полями Галуа) як одного з розділів

математики, розроблені в працях Ферма, Ейлера, Гауса, Галуа та інших видатних вчених [1– 3]. До недавнього часу теорія скінченних полів розвивалась як галузь класичної математики [3]. Але у зв’язку з розвитком завадостійкого кодування та криптографії активно розвиваються прикладні аспекти теорії [4– 7].

Обчислення у скінченних полях мають свою специфіку, і їх програмна реалізація з використанням універсальних комп’ютерів та мов програмування є не завжди ефективною з точки зору забезпечення потрібної швидкодії. Тому актуальною є проблема апаратної або апаратно-програмної реалізації обчислень у полях Галуа [8].

Постановка задачі Аналіз класів задач, які мають місце в завадостійкому кодуванні та при криптографічному захисті

інформації, показує, що можливі два підходи до створення апаратних засобів для реалізації обчислень в полях Галуа – побудова спеціалізованих комп’ютерних систем (СКС) та побудова проблемно-орієнтованих процесорів (ПОПр).

Для реалізації зазначених обчислювальних засобів, перш за все, необхідно розглянути питання створення спеціалізованих функціональних вузлів, на основі яких слід проектувати СКС та ПОПр.

Апаратний синтез операторів та функцій у скінченних полях Розглянемо апаратну реалізацію операторів та функцій (табл. 1), які використовуються як

функціонально завершені вузли для побудови функціональних блоків (спеціалізованих процесорів), орієнтованих на реалізацію арифметики полів Галуа.

Оператор обчислення лишку числа A за модулем ΩN ΩNmodA . Нехай NGFA , A –

ціле число. У загальному випадку для обчислення NA mod (мнемонічне позначення – ARES , RESidue

– лишок) слід скористатися схемою цілочислового ділення (СЦД) A на N (рис. 1), результатом якого є

частка і остача. Остачу позначимо NA mod , вона є лишком числа за модулем N (часткою при цьому

нехтують). СЦД можна реалізувати мікропрограмно.



A mod NΩ

СЦД

(А:NΩ)

А

остача A mod NΩ A mod NΩ

x

x mod NΩ

Рис. 1. Схемна реалізація оператора A mod NΩ у загальному випадку

Таблиця 1 Оператори та функції в полях Галуа, які використовуються в завадостійкому кодуванні та

криптографії Призначення оператора (функції)

Назва оператора (функції) Аналітичне Мнемонічне

Примітка

Обчислення лишку числа за модулем

N NA mod ARES Реалізується мікропрограмо (рис. 1)

Обчислення протилежного елемента поля NGF NA mod ACONTR Реалізується схемно (рис. 2)

Додавання елементів поля NGF BA BA,ADD Реалізується схемно (рис. 3)

Віднімання елементів поля NGF BA BA,SUB Реалізується схемно (рис. 4)

Множення елементів поля NGF BA BA,MUL Реалізується мікропограмно та схемно (рис. 5)

Піднесення примітивного елемента

поля NGF до степеня Nz mod ZEXP Реалізується мікропограмно та схемно (рис. 6, 7)

Обчислення логарифма [від значення] елемента поля NGF

Alog ALOG Реалізується схемно (рис. 8)

Обчислення оберненого елемента поля NGF

1A AINV Реалізується схемно (рис. 9)

Ділення елементів поля NGF BA BA,DIV Реалізується схемно (рис. 10)

Обчислення значення многочлена в заданій точці

Wc Wxc ,GRN Реалізується схемно (рис. 11)

Оператор знаходження протилежного елемента поля. Нехай NGFA . Необхідно

обчислити елемент NGFA , такий, що 0 AA .

У полі NGF є справедливою рівність ANA . Тому для знаходження протилежного

елемента поля потрібно виконати операцію AN (рис. 2), для реалізації якої необхідно використати

комбінаційний суматор (См) та регістр (Рг) для зберігання значення модуля N .

– A mod NΩ

x

– x mod NΩ

Рг NΩ

См

А

+1

– A mod NΩ

– A mod NΩ

Рис. 2. Схемна реалізація оператора – A mod NΩ

Даний оператор позначатимемо аналітично Ωmod NA , мнемонічно ACONTR ; CONTRary –

протилежний.



Додавання елементів поля за модулем NΩ. Нехай BA, – елементи поля NGF .

Для реалізації операції необхідні два комбінаційні суматори, регістр та мультиплексор (рис. 3). Результат додавання BAC тимчасово зберігається в Рг, а на См2 виконується

операція NCD . Якщо 0D , то на вихід мультиплексора (МХ) надходить C, інакше – D.

См1

A B

Зн См2

Рг (С)

NΩ

+1

МX

D=C–NΩ

A + B

(A+B) mod NΩ

x

(x+y) mod NΩ

y

Рис. 3. Схемна реалізація оператора A + B

Даний оператор позначатимемо: аналітично BA , мнемонічно BA,ADD .

Віднімання елементів поля за модулем NΩ. Нехай YX , – елементи поля. Необхідно

обчислити YX . У полі NGF YNXYXYX . Тобто операцію віднімання можна замінити

операцією додавання елемента X та протилежного елемента Y . Таким чином, для виконання X– Y необхідно послідовно виконати два оператори: оператор

знаходження протилежного елемента поля та оператор додавання елементів поля (рис. 4). Мнемонічно даний оператор позначатимемо BA,SUB , а аналітично BA .

(A – B) mod NΩ

x

(x – y) mod NΩ

y

См

X –Y

Зн См

Рг+1

МX

X – Y

(A + B) mod NΩ

Рг NΩ

См +1

Y

–A mod NΩ

Рис. 4. Схемна реалізація оператора A – B

Множення елементів поля за модулем NΩ. Нехай BA, – елементи поля, NGFBA, .

Необхідно обчислити BAC , NGFC . Операцію BAC можна реалізувати за два прийоми:

спочатку виконати множення двійкових чисел без знаку A і B з використанням схеми множення (СхМн) двійкових чисел, а потім до результату C застосувати оператор Ωmod NA (оператор обчислення лишку

числа C за модулем N ) (рис. 5).



AB mod NΩ

x

xy mod NΩ

y

A mod NΩ

СЦД

(C:NΩ)

C

остача

C mod NΩ

СхМн

B A

Рис. 5. Схемна реалізація оператора AB

Аналітично оператор позначатимемо BA , а мнемонічно BA,MUL .

Оператор піднесення примітивного елемента α поля GF (NΩ) до цілого степеня. У загальному

випадку для обчислення Nz mod необхідно мати блок піднесення значення до степеня z z

та СЦД (рис. 6).

αz mod NΩ

x

αx mod NΩ αz mod NΩ

СЦД

(V:NΩ) остача αz mod NΩ

αz

z

α V α

Рис. 6. Узагальнена схема реалізації оператора αz mod NΩ

Даний оператор позначатимемо: аналітично Ωmod Nα z , мнемонічно ZEXP .

Але на практиці зазвичай дорівнює 2, 3 або 5. Якщо заздалегідь відоме, то схему

обчислення Nz mod можна істотно спростити.

Нехай 2 . Побудуємо схему обчислення Nz mod2 (рис. 7).

В лічильник (Лч), який працює в режимі декременту, записуємо величину z показника степеня, а в Рг1 значення 2 2 .

2x mod NΩ

2z mod NΩ

x

α

МX

Рг1 (W)

ПС "α"(α = 2)

Лч –1

Зc 0 0

СТОП

ПС "z"

Pг2 NΩ

Зн См+1

Wi – NΩ

Wi

Рис. 7. Схемна реалізація оператора αz mod NΩ при α = 2

Для отримання значення z2 достатньо здійснити z зсувів Рг1 вліво. З метою зменшення розрядності

доцільно в Рг1 зберігати не i2 , а Ni mod2 . Для забезпечення цього у кожному такті роботи схеми

обчислюємо значення NW i

i mod22 1 (в регістрі Рг1) та значення NWi (на См). Якщо знаковий

розряд в См дорівнює 1, то це означає, що NWi , і в Рг1 через МХ надходить значення iW ; якщо ж у

знаковому розряді 0, то це означає, що NWi , і в Рг1 записується значення NWi . В такий спосіб



фактично здійснюється мікрооперація NWi mod , і, отже, перед черговим зсувом Рг1 завжди

маємо Ni mod2 (лишок числа i2 за модулем N ). Після z -го такту ((Лч) = 0) в Рг1

отримаємо Nz mod2 .

Особливістю схеми є те, що вона не потребує вузла цілочислового ділення (див. рис. 6). Оператор знаходження оберненого елемента A– 1 поля. Нехай NGFA . Необхідно

знайти NGFA 1 такий, що 11 AA .

Кожний елемент поля можна подати у вигляді степеня . Нехай aA . Тоді aNaA 1 .

Даний оператор позначатимемо: 1A – аналітично, AINV – мнемонічно (INVerse – обернений).

Оператор обчислення логарифма елемента поля за основою α. Для знаходження Aa log у

полі NGF необхідно послідовно починаючи з 1a (а потім 3,2 , і т.д. можливо до 1N )

обчислювати Na mod та порівнювати його зі значенням A (рис. 8). При деякому a значення a

збіжиться з A, тоді Aa log .

ЛчПС "1"

αz mod NΩ ПС "α"

СПК A

α

Рг

= α a

ПК logαA logαA mod NΩ

x

logαx

Рис. 8. Схемна реалізація оператора обчислення логарифма від елемента поля GF (NΩ)

Максимальна кількість ітерацій при цьому може становити 1N .

Таким чином оператор Alog служить для знаходження показника степеня, до якого слід піднести

примітивний елемент поля, щоб отримати значення A .

Тоді для знаходження оберненого елемента 1A необхідно:

1) обчислити Alog ;

2) обчислити AN log (рис. 9).

logαA A

Смα

NΩ +1

αz mod NΩ NΩ – α A–1 A–1

x

x–1

Рис. 9. Схема обчислення оберненого елемента (A– 1) у полі GF (NΩ) Оператор ділення елементів поля GF (NΩ). Для реалізації оператора ділення BA ,

де NGFBA, скористаємось поданням елементів поля у вигляді степеня . Нехай aA , bB .

Оскільки AaA log , а BbB log , то baBABA loglog . Тоді для реалізації

ділення необхідно скористатися оператором обчислення логарифма елемента поля та оператором піднесення до степеня (рис. 10).

A/B mod NΩ

x

x/y

y

logαA B См b = logαB

+1

αz mod NΩ α – b α a –b = A/B

logαA A a = logαA

Рис. 10. Схемна реалізація оператора A/B ділення елементів поля GF (NΩ)



Оператор обчислення значення многочлена в заданій точці. Нехай задано многочлен

1

0

n

i

ii xcxc , коефіцієнти ic якого є елементами поля NGF , і необхідно обчислити його значення у

точці W Wx .

Оскільки будь-який елемент поля можна подати у вигляді степеня , вважатимемо, що wW . Обчислимо значення многочлена в точці Wx за схемою Горнера:

01321 ...0... cWcWcWcWcWc nnn

Спроектуємо схему для обчислення Wc с (W) (рис. 11). Вважатимемо, що коефіцієнти ic

многочлена розміщено в пам’яті.

ЛчА

ПС "0"

адреса сn – 3

сn – 2

сn – 1

Пам’ять

.

.

.

с1

с0 Рг (W)

W

МХ

"1"

См

СхМн A mod NΩ

Рг2 (с(W))

n – 1

ПС "0" с(W)

с(W)

с = (сn – 1, …, с0)

Рис. 11. Схемна реалізація оператора обчислення значення многочлена с (x) в точці W за схемою Горнера

У початковому стані 1Рг1 W ; 0Рг2 , 0ЛчА . З пам’яті зчитуємо 1nс і на См

додаємо з нулем (з Рг2). Схема множення виконує операцію Wcn 10 . Лишок результату

запам’ятовується в Рг2. У поточному такті виконується така послідовність операцій: читання ic з пам’яті;

підсумовування Рг2ic ; множення на W : Wci Рг2 ; обчислення лишку результату (оператор

Ωmod NA ); запис в Рг2.

В останньому ((n – 1)-y) такті у схему множення замість значення W подається одиниця. Даний оператор позначатимемо: мнемонічно – Wxc ,GRN , аналітично – Wc .

Особливості організації обчислень в полях Галуа

При завадостійкому кодуванні інформації особливістю обчислень в полях Галуа є мала розрядність даних та використання лише одного формату даних – цілих чисел без знаку, що дозволяє будувати спеціалізовані обчислювальні засоби з малою розрядністю даних, спрощеною архітектурою і системою команд. При цьому забезпечується обробка інформації в реальному часі.

Обчислення можуть здійснюватися за допомогою спеціалізованої системи, що складається з функціональних блоків, кожен з яких реалізує певну обчислювальну процедуру, з’єднаних між собою відповідно до алгоритму обробки. Її особливістю є апаратна реалізація переважної більшості обчислювальних процедур на основі операцій в полях Галуа, що завдяки високій швидкодії забезпечує обробку в реальному часі з більш високою продуктивністю порівняно з універсальними обчислювальними засобами.

Іншим варіантом організації обчислень є застосування структури проблемно-орієнтованого процесора (рис. 12), яка складається з універсального процесора (М-процесор) та спеціалізованого розширювача – співпроцесора Галуа (G-процесора), який реалізує операції у скінченних полях. За рахунок введення до системи команд універсального процесора спеціальних команд (табл. 1), які позначають процедури, що найчастіше зустрічаються в задачах обробки даних у скінченних полях і реалізуються G-процесором, підвищується продуктивність системи і забезпечується обробка в реальному часі.

Особливостями архітектури G-процесора є мала розрядність даних, один формат даних – цілі числа без знаку, спрощена система команд та мікропрограмний спосіб реалізації спецкоманд.



G-процесор з’єднується з М-процесором за допомогою шини даних (ШД) адреси (ША) та керування (ШК). Для з’єднання може використовуватися також контролер переривань (КП) (рис. 12).

READY

М-про- цесор

NINT

INTA INTR

ШД ША ШК

BUSY

G-про- цесор

IRQ

A D КП INT

IR

INTA

A

D

C

A

D

C

Рис. 12. Узагальнена структурна організація ПОПр для реалізації арифметики скінченних полів

Характерною особливістю обчислень у криптографії є велика довжина даних. У цьому випадку при

виконанні операцій слова даних слід ділити на декілька частин так, щоб вони відповідали розрядності співпроцесора (наприклад, 32-розрядні слова), обробляти частини слів окремо та об’єднувати їх в єдине результуюче слово.

За таких обставин апаратна реалізація процедур та функцій є чи не єдиним способом досягнення потрібної швидкодії.

Висновки Реалізація обчислень у полях Галуа може бути ефективною лише за умови створення

спеціалізованих обчислювальних засобів. При цьому можливі два шляхи спеціалізації – створення спеціалізованої обчислювальної системи або проблемно-орієнтованого процесора. В обох випадках слід розробляти спеціалізовані функціональні вузли, на основі яких слід проектувати обчислювальні засоби. Такі вузли мають виконувати специфічні оператори та функції, що характерні для обчислень у скінченних полях при криптографічних застосуваннях та завадостійкому кодуванні інформації.

Це дозволить істотно підвищити ефективність обчислень порівняно з універсальними обчислювальними засобами.


1. Lidl R. Finite fields / Lidl R, Niederreiter H. Addison Wesley. – 1983. 2. Lejla Batina Hardware architectures for public key cryptography / Lejla Batinaa, Sıddıka Berna Ors,

Bart Preneel, Joos Vandewalle. – INTEGRATION, The VLSI journal 34, 2003. – P. 1– 64. 3. Miguel Morales-Sandoval An area/performance trade-off analysis of a GF (2m) multiplier architecture

for elliptic curve cryptography / Miguel Morales-Sandoval, Claudia Feregrino-Uribe, René Cumplido, Ignacio Algredo-Badillo. – Computers and Electrical Engineering 35, 2009, P. 54– 58.

4. Ernest M, Klupsch S, Hauck O, Huss SA. Rapid prototyping for hardware accelerated elliptic curve public key cryptosystems. In: Proceedings of 12th IEEE workshop on rapid system prototyping, RSP’2001, Monterey, CA; June 2001, p. 24– 31.

5. G. Orlando, C. Paar, A scalable GF (p) elliptic curve processor architecture for programmable hardware, in: C.K. Ko- c, D. Naccache, C. Paar (Eds.), Proceedings of Workshop on Cryptograpic Hardware and Embedded Systems (CHES 2001), Lecture Notes in Computer Science, Vol. 2162, Springer, Berlin, Paris, France, 2001, pp. 356– 371.

6. W. Stallings, Cryptography and network security, second ed, Prentice-Hall, Englewood cliffs, 1999. 7. Serdar S. Erdem Polynomial Basis Multiplication over GF (2m) / Serdar S. Erdem, Tu grul Yanık, Çetin

K. Koç. – Acta Appl Math, 2006. P. 33 – 55. 8. Wu, H.: Bit-parallel finite field multiplier and squarer using polynomial basis. IEEE Trans. Comput. 51

(7), 750– 758 (July 2002).

Надійшла 10.9.2012 р. Рецензент: д.т.н. Поморова О.В.



УДК 519.7: 378.147 Н.Р. ПАСІЧНИК

Тернопільський національний економічний університет

МЕТОД ФОРМУВАННЯ ОНТОЛОГІЙНОГО КОНТЕНТУ НА ОСНОВІ

АНАЛІЗУ ІНФОРМАЦІЇ СПЕЦІАЛІЗОВАНИХ ВЕБ-САЙТІВ У статті запропоновано метод автоматизованого формування та підтримки соціально значимих

онтологій, який уможливлює зменшення завантаженості експертів. Створено алгоритм формування онтологійного наповнення на основі структурного аналізу наповнення тематичних вебсторінок з відсівом не ключових термінів за частотним принципом.

The article offers method of the automated generation and support of socially meaningful ontologies, which makes the decrease of experts’ overload possible. The algorithm of generation of ontologic content is created basing on the structural analysis of the thematic Webpage’s content, with filtration of nonkey terms basing on the frequency principle.

Ключові слова: спеціалізований Веб‐сайт, онтологійне наповнення, структурний аналіз, частотний відсів.

Вступ

Розроблення веб-сайту розпочинається із проектування його структури, яку доцільно розбивати на типову семантичну компоненту та компоненту, що подає особливості об’єкта, що репрезентується даним сайтом. Формування першої зі згаданих компонент, оскільки вона є спільною для цілої множини тематичних сайтів, можна формалізувати [1].

Для підвищення інтересу веб-спільноти до окремого сайту його інформаційне наповнення повинно відповідати критеріям актуальності та унікальності. Виходячи із аналізу основних типів наповнення сайтів, серед його компонент відзначимо інформаційні ресурси, які складали основу технології веб 1.0 [2, 3]. Серед цих ресурсів виділяємо публікації редакторів програмного продукту, які повинні представляти актуальну інформацію як про об’єкт, який представляє веб-сайт, так і про пов’язані з ним питання, що цікавлять певний сегмент веб-спільноти. Створення такого контенту вимагає копітких зусиль розробників, актуальність роботи яких швидко знижується.

В цьому плані більш продуктивним є підхід із застосуванням он-лайн-сервісів, які надають користувачам різноманітні інформаційні послуги, як у здійсненні певних непростих функцій при роботі з веб, так і при аналізі тематичного наповнення веб-простору. Такий підхід є одним із базових технології веб 2.0 [2, 3]. Функціональні сервіси спрощують виконання певних Web-функцій своїм користувачам, а синтезуючі сервіси наповнюють слабо структуровані актуальні поняття змістом, що встановлюється на основі інформації, представленої на тематичних Веб-сайтах. Залежно від того, яку інформацію вони обробляють (структурну із формалізованих меню або виділену іншими методами інформацію Веб-сторінок) ми поділяємо їх на сервіси синтезу структур та понять. Якщо статичні статистичні сервіси можна формувати на основі сформованих баз даних, то синтезуючі сервіси працюють з масивами даних, що динамічно міняють свою структуру. Для їх організації необхідно створювати та поновлювати тематичні онтології. Тому розробка таких сервісів здійснюється в рамках технологій Semantic Web, тобто технологій, об’єднаних умовною назвою Веб 3.0. Розробці методів наповнення таких онтологій присвячена дана робота.

Постановка задачі Понятійні онтології ефективно використовуються для аналізу формалізованих характеристик

понять, що зазнають динамічних структурних змін. Структура загальних понять визначається через систему пов’язаних часткових понять з врахуванням багатомовності та синонімічності можливих мовних реалізацій. Тому необхідно спроектувати структури даних, які дозволяли б створювати, зберігати та модифіковувати онтології.

Після розробки онтологічних структур можна здійснювати їх наповнення та використання. Однак створення онтологій на основі лише експертних суджень є достатньо трудомістким з важко контрольованою прийнятністю для окремих користувацьких спільнот та суб’єктивізмом у проведенні їх реструктуризації. Поряд із цим зовсім виключити втручання експертів можна лише у випадку, коли варіанти онтологійних структур уже реалізовані і потребують лише систематизації та узагальнення. Така ситуація зустрічається при аналізі структур сайтів, але для формалізації змісту понять на основі Веб-контенту вона не актуальна. Тому необхідно розробити метод формування онтологічного наповнення з мінімізацією зусиль залучених експертів. Перевірка ефективності розробленого методу вимагає його програмної реалізації, а отже і формалізацію відповідного алгоритму.

Таким чином реалізація завдання даної роботи передбачає розробку структури понятійної онтології, методу та алгоритму формування її наповнення, а також проведення чисельних експериментів, що буде розглянуто в ході подальшого викладу.

Структура понятійних онтологій При розгляді деталізації загального поняття отримуємо деревоподібну структуру. При мовній

реалізації кожного із понять цієї структури знову отримуємо дерево, гілками якого служать синонімічні слова або фрази, які описують поняття. Такі зв’язки зручно описувати за допомогою наступної сукупності



кортежів MetaCnIdCnStrO ,Pr,_ , (1)

BsIdIdFmIdBsIdPhIdLgIdCnPhrO Pr,,,,,_ , (2)

WBaseIdBsIdLgBsO ,,_ , (3)

WFormIdFmIdLgFrmO ,,_ . (4)Перший з кортежів визначає деревоподібну структуру загального поняття, деталізуючи його на

основі ідентифікаторів часткових IdCn понять та визначаючи зв’язки за допомогою вказівника на ідентифікатор батьківського поняття CnPr . При цьому загальне поняття відрізняється від часткових

відсутністю батьківського )(Pr NULLCn . Окрім формалізованих понять онтології, що відбираються з

використанням формалізованих процедур, використовуються пояснюючі мета-поняття, які вводяться безпосередньо експертом і маркуються логічним значенням True атрибуту Meta .

Кортеж PhrO _ забезпечує мовні реалізації понять за допомогою окремих слів або словосполучень

і представляє також деревоподібну структуру. Він включає ідентифікатори мови реалізації IdLg , фрази

IdPh , основи IdBs та форми IdFm слова. Аналогічно попередньому зв’язки слів у фразах та фраз з поняттям визначаються за допомогою вказівника на ідентифікатор батьківської основи слова поняття BsId Pr . Кортежі основ BsO _ та форм FrmO _ слів служать для збереження відповідних

словесних представлень WBase , WForm . Метод формування онтологійного наповнення

Для формування онтологійного наповнення, значимого для певного сегменту Веб-аудиторії, зручно використати описи, представлені на відповідних Веб-сторінках. Для підвищення значимості такої інформації для аналізу необхідно експертним шляхом відбирати лише певні спеціалізовані Веб-сайти. Наповнення сторінок таких сайтів формується для сприйняття користувачами, а тому не є строго структурованим за певними жорсткими правилами. Окрім того, на цих сторінках розташовано багато додаткової інформації, яка з точки зору онтологійного наповнення може розглядатися як інформаційний шум. Варто вимагати також, щоб інформація на Веб-сторінках була структурована, а не просто розбита на параграфи чи абзаци. Така вимога дозволяє значно звужувати сферу пошуку, тим самим піднімаючи його ефективність. В даному випадку під структурованістю мається на увазі оформлення інформації у вигляді спискових структур. Однією з ключових умов відсіву сторонньої інформації є включення ключових слів з множини KWS , що характеризують вибране загальне поняття в множину LIS значень елементу It деякого списку Lst аналізованої веб-сторінки Pg:

PgLstItLISKWS ,, (5)

Ця умова є достатньо жорсткою, тому в множину ключових слів включаємо мінімальну кількість елементів. Виконання умови (5) хоча б для одного елементу списку приводить до включення всього списку в аналізовану структуру. В цю структуру включаються також списки, які містять елементи зі сформованої онтології.

Аналізована структура також є деревоподібною і має наступний вид: BsIdIdFmIdBsIdItIdLstIdPgAS Pr,,,,, (6)

Вона багато в чому еквівалентна структурі (2), однак містить ідентифікатори сторінки, вибраного списку на ній а також елемента самого списку, оскільки він може складатися зі декількох слів. Для виділення елементів списку використовуються роздільники, які утворюють спеціальну множину сепараторів:

"*",)"",("",:"","","","","","","",/"","",",",";" абоіилииandorSS , (7)

а також, звичайно, теги li li/ елементів списку. Словоформи вибираються безпосередньо із елемента списку і розпізнаються за допомогою відношення форм FrmO _ або поповнюють його. Основи

розпізнаних словоформ вибираються із відношення основ BsO _ , а якщо вони не розпізнані, то будуються

за допомогою відкидань елементів, що входять в множину закінчень En . Після ідентифікації основи слова відбувається її пошук у відношенні частот основ, структура якого задається наступним кортежем

PhnIdLPgBsFrIdBsBF ,,, (8)

Якщо основа знайдена і номер поточної сторінки не співпадає з номером останньої врахованої, то індекс частоти BsFr збільшується на 1, а номер поточної сторінки заноситься в поле IdLPg . При такому

підході на частоту основи впливає її використання лише на різних сторінках. Якщо основа не знайдена, вона заноситься у відношення частот основ із індексом частоти рівним 1 та номером поточної сторінки.

Для прийняття адекватного рішення основи пропонуються в тому контексті, в якому вони зустрічаються на Веб-сторінках. Це дає змогу виділяти поняття, які складаються із кількох слів а також не пропонувати повторно основи, які не вибрані експертом для включення в онтологію при аналізі попередніх контекстів. Для кожного входження основи в відношення AS вибираються словоформи, що формують



елемент списку, який містить дану основу. Цей елемент включається в контекст, якщо аналогічного елемента в ньому ще немає а також він не входить в перелік фонових контекстів PhC . Допускається невідповідності лише у так званих стоп-словах.

Після сформування контексту він подається експертові для аналізу. Після відбору експертом елементів для онтології, елементи списку, жодна компонента якого не була відібрана, запам’ятовуються для виключення їх повторної подачі в контексті іншого терміна. З цією метою формується спеціальна структура фонових контекстів

BsIdIdBsIdCPhC Pr,, (9)Також фіксуються часто згадувані основи, які не ввійшли в жоден відібраний термін. Вони

маркуються як фонові і не будуть служити основами наступних контекстів. Алгоритм формування онтологійного наповнення

На основі наведених теоретичних положень сформуємо алгоритм автоматизованого формування онтологійного наповнення:

1. Встановлюємо перелік релевантних спеціалізованих сайтів StL а також множину KWS ключових слів мінімальної потужності, які характеризують найважливішу особливість предметної області.

2. Будуємо запит, що включає слова з множини KWS до кожного сайту з множини StL та формуємо множини HTML кодів веб-сторінок.

3. Якщо сторінка містить список, хоча б один елемент якого містить слова з множини KWS , або, що описують один із термінів побудованої онтології, то елементи списку заносяться у відношення AS . При цьому вони розбиваються на елементарні терміни за допомогою роздільників з множини SS , а елементарні терміни розбиваються на слова. Основи відібраних слів заносяться у відношення BF , а якщо вони вже там

зареєстровані з сторінки, що не співпадає з поточною і також не належать до фону, їх кратність збільшується на 1 та оновлюється ідентифікатор сторінки реєстрації.

4. Якщо при зміні кратність основи перевищить деяке наперед задане значення 0BF , кількість

кандидатів на включення в онтологію OMC збільшується на 1. Якщо 0BCOMC , то контекст

кандидатів на включення в онтологію подається експертові. 5. Для кожного входження основи-кандидата у відношення AS вибираються словоформи, що

формують елемент списку, який містить дану основу. Цей елемент включається в контекст, якщо аналогічного елемента в ньому ще немає, а також він не входить в перелік фонових контекстів PhC .

6. Після сформування контексту він подається експертові для аналізу. Після відбору експертом елементів для онтології, елементи списку, жодна компонента якого не була відібрана, запам’ятовуються у відношенні PhC для виключення їх повторної подачі в контексті іншого терміна.

7. Основи, які не ввійшли в жоден відібраний термін онтології, а також основи, що ввійшли в онтологію, маркуються як фонові. Перехід до пункту 2.

Чисельні експерименти На основі запропонованого методу

досліджено перші стадії процесу побудови онтології кваліфікаційних вимог до Веб-програміста, який спеціалізується на PHP програмуванні. Цю діяльність можна розглядати як надання високо технологічних програмістських послуг, особливості виконання яких можна описати онтологією поняття “PHP програміст” (“PHP programmer”). Для побудови онтології, значимої для софтверних українських компаній вибрано множину сайтів, що спеціалізуються на пропозиціях вакантних посад на підприємствах України, зокрема ”rabota.ua”, “jobs.ua”, “work.ua” і містять спеціальні розділи вакансій в сфері ІТ. Серед цих сайтів для проведення перших експериментів вирано сайт ”rabota.ua” та множину ключових слів, яка складається з єдиного елемента ""PHPKWS .

Серед 20 перших сторінок, що описують вакансії по даному запиту лише 10 містили спискові структури зі входженням ключового слова ”PHP”.

Рис. 1. Онтологія, побудована на основі автоматизованого

аналізу п’яти Веб-сторінок Сама онтологія, побудована на основі автоматизованого аналізу п’яти Веб-сторінок, подана на

рисунку 1. Як бачимо, навіть при аналізі незначного числа слабоформалізованих вимог онтологія включає базові напрямки аналізованої спеціалізації. Для їх позначення експертом введено відповідні мета-терміни. Окрім 9 термінів онтології також відібрано 8 фонових термінів, які марковані за допомогою атрибуту Phn відношення BF . Сюди були віднесені наступні терміни: “Понимание”, “Программирование”,



“Проектирование”, “Knowledge”, “Опыт ”, “Работа”, “Хорошее”, “Знание”. Всього експертові для перегляду з врахуванням контексту було подано 23 стрічки, з яких відібрано 17 понять. При перегляді повних текстів 5 аналізованих сторінок експерт повинен був би переглянути біля 200 стрічок. Тобто вдалося принаймні на порядок зменшити завантаженість експерта і частково зняти інформаційну зашумленість даних.

За критерієм результативності відбору важливої інформації ([кількість відібраних термінів]/[кількість переглянутих стрічок]) ефективність роботи експерта зросла від значення 0.085 до 0.739.

Висновки У статті розглянуто один з можливих шляхів формування онтологійного наповнення шляхом

аналізу зашумленої слабо структурованої інформації спеціалізованих Веб-сайтів. В основу автоматизованого методу формування онтологійного наповнення покладено структурний аналіз тематичних сторінок спеціалізованих Веб-сайтів, відсів фонових термінів за частотним критерієм та залучення експерта для остаточного відбору термінів та структурування онтології.

У результаті проведених досліджень отримано наступніі наукові та практичні результати. Вперше запропоновано формування онтологійного наповнення шляхом аналізу зашумленої слабко структурованої інформації тематичних Веб-сторінок спеціалізованих Веб-сайтів. Це уможливлює формалізацію процедури побудови та підтримки онтологій вимог до високотехнологічних продуктів та послуг, значимих для певних сегментів Веб-спільноти. Ефективність запропонованого методу та алгоритму підтверджено при аналізі початкового етапу структурування онтології “PHP програміст”, значимої для працедавців софтверних компаній України.


1. Пасічник Н.Р. Формалізм в постановці задачі створення якісного сайту / Н.Р. Пасічник, М.П.

Дивак // Наукові праці ДонНТУ. Інформатика, кібернетика та обчислювальна техніка. – 2011. – Вип. 14 (188). – С. 325– 329.

2. Глибовец Н.Н. Становление технологии WEW 3.0. [Електрон. ресурс] / Н. Н. Глибовец, Л. О. Шыпович. – Режим доступу: http://dspace.nbuv.gov.ua/dspace/handle/123456789/18769

3. Анатольев А.Г. Перспекивы развития веб-технологий [Електрон. ресурс]. – Режим доступу: www.4stud.info/web– programming/lecture9.html


Рецензент: д.фіз-мат.н. Боднар Д.І.

УДК 621.317 К.Л. ГОРЯЩЕНКО


ОГЛЯД КЛАСИЧНИХ МОДЕЛЕЙ ПРОВІДНИКОВИХ

РЕГУЛЯРНИХ ЛІНІЙ ПЕРЕДАЧІ В статті розглядаються класичні моделі провідникових регулярних ліній передачі, що застосовуються в

загальному аналізі провідникових ліній. Показано, що відомі прості моделі є спрощеними і не дають можливості врахування частотозалежних параметрів лінії у первинних та вторинних параметрах лінії.

The article deals with the classical model of regular conductor transmission lines used in the overall analysis of conductor lines. The famous simple model is simplified and does not allow for incorporation of frequencydependent parameters of the line in the primary and secondary parameters line.

Ключові слова: провідникова регулярна лінія, проста модель лінії.

Вступ За останні роки суттєво зросла зацікавленість у моделюванні провідникових ліній із застосуванням

різного програмного забезпечення. Причини такого зростання є цілком очевидні. Високі капітальні витрати, невідновлювана ізоляція та висока вартість на обслуговування та заміну кабельних мереж у випадку руйнування ізоляції або провідникового осердя. Крім того, необхідність визначення поточного стану лінії, її параметрів, тенденцій в роботі та інші – всі ці фактори стимулюють створення та дослідження математичних моделей провідникових ліній. Кожна з моделей має бути максимально адекватна до досліджуваної реальної лінії.

Постановка задачі Математична модель провідникової лінії повинна відповідати визначеному типу лінії або окремої

групи ліній. Під відповідністю моделі приймають відтворення характеристик цієї кабельної лінії. Це дає можливість визначати особливості будови, взаємодію елементів між собою, взаємодію між елементами та зовнішнім середовищем, визначати умови роботи із сигналом, що розповсюджується в лінії та обов’язково надавати можливість проводити аналіз роботи цієї лінії, так і повинна дозволяти проаналізувати роботу та зміну характеристик різноманітних з’єднань, що утворені відрізками кабелю та підключені до зовнішніх



пристроїв. В загальному випадку, якщо в процесі виробництва кабельної лінії не порушуються технологічні

норми виробництва, то геометричні параметри лінії, а також властивості матеріалів, з яких виготовлена лінія лишаються стабільними по всій довжині. Тоді ці лінії називаються регулярними [1], а самі лінії належать до класу лінійних систем. Для лінійних систем можна використати принцип суперпозиції, згідно якого, знаючи реакцію на вплив гармонійних коливань з різними частотами j .

Відомо, що прийнявши відоме значення первинних параметрів для лінії передачі індуктивності –

1L , ємності – 1C , опору – 1R та провідності – 1G , можна визначити погонні параметри лінії [1]:

- погонний комплексний опір:

1 1 1Z R j L , (1)- погонна комплексна провідність:

1 1 1Y G j C . (2)Вирази (1) та (2) в загальному дозволяють охарактеризувати фізичні властивості окремих

елементарних чотириполюсників, якими може бути представлена проста лінія. Фактично ці два рівняння і встановлюють одну з найперших моделей провідникової лінії як

сукупності послідовно розміщених Г-подібних ланок (рис. 1), за допомогою якої відбувається вивід рівнянь стану лінії – телеграфних рівнянь.

Друга відома класична модель – це так звана П-подібна модель, в якій використовуються два симетрично включених провідності із величиною 1 2Y z , але результат її застосування

є аналогічним Г-подібній моделі [1]. Не зважаючи на те, що класична модель

описує параметри лінії зв’язку, все ж залишається проблемою застосування або приведення класичної моделі до реальної системи. Так на практиці зустрічається застосування декількох варіантів еквівалентних моделей кабельних ліній зв’язку (рис. 2). Представлені моделі не відображують всієї сукупності моделей, що використовуються.

1Z z 1Z z 1Z z

1Y z 1Y z

Zz z z

I z I z z

U z U z z

Рис. 1. До виводу телеграфних рівнянь в класичному вигляді [1]

Рис. 2. Варіанти еквівалентних схем ліній зв’язку

Наслідком використання класичної моделі є відомі телеграфні рівняння [1]:

1

1

dUZ I

dz

dIZ U

dz

(3)

та рівняння Гельмгольца [1]: 2

1 120

d UZ YU

dz

та

(4.1)

(4.2)



2

1 120

d IZ Y I

dz

Принципова різниця між рівняннями (3) та (4) є те, що телеграфні рівняння визначають часові, а рівняння Гельмгольца – просторові характеристики процесу.

При розв’язку рівнянь Гельмгольца виділяють ряд значень, що дозволяють визначити вторинні параметри кабельної лінії. Один з найбільш цікавих параметрів є коефіцієнт розповсюдження сигналу в

лінії [1]:

1 1Z Y ,

або в розгорнутій формі: j ,

де – коефіцієнт амплітудного затухання – дійсна частина; – коефіцієнт фазового зсуву хвилі напруги, що проходить через лінію, або коефіцієнт фази –

уявна частина; Відповідно, кожна з цих величин визначається як:

2 2 2 2 2 2 21 1 1 1 1 1 1 1

1

2R G L C R L G C

, (5.1)

2 2 2 2 2 2 21 1 1 1 1 1 1 1

1

2L C R G R L G C

. (5.2)

Окрім коефіцієнта розповсюдження можна визначити і інші вторинні параметри кабельної лінії. Серед таких є:

– хвильовий опір лінії хвZ (повздовжній опір лінії) [1]:

1 11 1

1 1

jхв хв

R j LZ R j L Z e

G j C

(6)

– поперечна сумарна провідність лінії:

хвY G j C (7)

Коефіцієнт розповсюдження сигналу в загальному випадку тоді буде представляти такий вираз:

1 1 1 1R j L G j C (8)

Відомі елементарні розрахунки приводять нас до виразів хвильового опору та кута фазового зсуву між комплексними амплітудами напруги та струму в біжучий хвилі [1]:

2 2 21 142 2 2

1 1в

R LZ

G C

,

1 1

1 1

1 12

1 1

1

2 1

G R

C Larctg

G R

L C

.

(9.1)

(9.2)

Кабельні системи із декількома провідниками призводять до утворення більш складних еквівалентних моделей, що обумовлено врахуванням взаємовпливу між групами з провідників. Так на рис. 3. показана еквівалентна схема заміщення витої пари довжиною у 100 м згідно стандарту IEEE 802.3 [10].

Рис. 3. Еквівалентна схема заміщення витої пари довжиною у 100 м згідно стандарту IEEE 802.3.



Створення адекватної моделі лінії є також не тривіальною задачею, над якою працювали та продовжують працювати вітчизняні та закордонні вчені – Felipe Alejandro Uribe, Juse Luis Naredo, Pablo Moreno, Leonardo Guardado (Mexico), Andre D. Filomena, Mariana Resener, Rodrigo H. Salim, Arturo S. Bretas (Brazil), Alecio B. Fernandes, Washington L.A. Neves (Brazil), U. S. Gudmundsdottir , C. L. Bak and W. T. Wiechowski (Denmark), Рожновський М.В. (Україна), Павликевич М.Й. (Україна) [4-9].

Ускладнює створення моделі провідникової лінії частотна залежність параметрів кабельної лінії. Таки важливі параметри як індуктивність, ємність, опір та провідність в реальних лініяє є частотозалежними величинами. На рис. 4. показана узагальнена характеристика зміни значень погонних параметрів провідникової лінії від частоти.

Тому, виходічи з рис. 4, зрозуміло наскільки спрощеною є розглянуті моделі ліній. Значення провідності лінії, індуктивності, ємності та провідності є частотозалежними. Отже, вирази (9.1) та (9.2) не дозволяють охарактеризувати хвильовий опір та кут фазового зсуву єдиними значеннями.

Рис. 4. Узагальнена характеристика зміни значень погонних

параметрів провідникової лінії [3]

Висновки 1. Представлені класичні моделі є ідеалізованими моделями без врахування частотних параметрів її

змінних. 2. Частотна залежність погонних параметрів провідникової лінії вимагає створення частотозалежної

моделі кабельної лінії або частотонезалежної моделі лінії з можливістю виведення частотозалежних параметрів з цієї моделі.

3. Наявність частотнозалежних параметрів в провідниковій лінії призводить до необхідності встановлення граничних параметрів за частотою при яких класичні або сучасні моделі провідникових ліній є найбільш адекватними для практичного застосування.


1. Баскаков С.И. Радиотехнические цепи с распределенными параметрами : учеб. пособие для вузов

/ С.И. Баскаков. – М. Высшая школа, 1980. – 152 с. 2. Павликевич М.Й. Математична модель багатопровідного кабеля типу "скручена пара" / М.Й.

Павликевич // Вісник Національного університету "Львівська політехніка". – Серія "Радіоелектроніка та телекомунікації". – 2011. – 705. – С.112-118.

3. Арутюнян А.Р. Построение математической модели передачи данных по интерфейсу RS-485 для промышленных сетей / А.Р. Арутюнян, А.Л. Масюк, С.Р. Арутюнян // Наукові праці ДонНТУ, серія "Машинобудування і машинознавство", 2006. – С.117-123.

4. Felipe Alejandro Uribe. Electromagnetic transients in underground transmission systems though the numerical Laplace transform / Felipe Alejandro Uribe, Juse Luis Naredo, Pablo Moreno, Leonardo Guardado / Electrical power & Energy systems. P.215-221.

5. Fault location for underground systems with capacitive current compensation / Andre D. Filomena, Mariana Resener, Rodrigo H. Salim, Arturo S. Bretas // 16th PSCC, Glasgow, Scotland, July 14-18, 2008

6. Frequency-dependent low order approximation of transmission line parameters / Alecio B. Fernandes, Washington L.A. Neves // IPST'99 – International Conference on Power Systems Transients. – June 20-24, 1999, Budapest, Hungary. – p. 43-48.

7. Modeling of long high voltage AC underground cables / U. S. Gudmundsdottir , C. L. Bak and W. T. Wiechowski // Paper submitted to the PhD Seminar on Detailed Modelling and Validation of Electrical Components and Systems 2010 in Fredericia. – p. 16-22.

8. Рожновский М.В. Исследование витой пары при экспофункциональных воздействиях / М.В. Рожновский // Наукові праці ОНАЗ ім. О.С. Попова. – 2010. – 2.

9. Павликевич М.Й. Математична модель багатопровідного кабеля типу "кручена пара" / М.Й. Павликевич // Вісник Національного університету "Львівська політехніка", серія "Радіоелектроніка та телекомунікації". - 705. – С. 112-118.

10. IEEE Standard for Information technology: Telecommunications and information exchange between systems ― Local and metropolitan area networks. Part 3: Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection (CSMA/CD) Access Method and Physical Layer Specifications: IEEE Std 802.3 ― 2002. ― 1538 p. (Международный стандарт).

Надійшла 21.9.2012 р. Рецензент: д.т.н. Троцишин І.В.



УДК 74.202 Л.А. ТАРАНДУШКА, С.М. ОДОКІЄНКО Академія пожежної безпеки імені Героїв Чорнобиля, м. Черкаси

ПОБУДОВА АЛГОРИТМУ ДЛЯ АВТОМАТИЗАЦІЇ ВИБОРУ ОПТИМАЛЬНОЇ

МЕТОДИКИ ДЛЯ ДИСТАНЦІЙНОГО НАВЧАННЯ СТУДЕНТІВ В даній статі запропоновано алгоритм вибору оптимальної методики для дистанційного навчання

студентів на базі 3дольного 3однорідного гіперграфа розробленого раніше. За допомогою даного алгоритму можливо прогнозувати ту методику, яка базуючись на існуючому рівні знань студентів призведе до значного підвищення ефективності навчання.

In this article the algorithm of choice of optimum method is offered for the controlled from distance studies of students on a base of the hypergraph developed before. By this algorithm it is possible to forecast a that method which, being based at existent level of knowledges of students will bring studies over to the considerable increase of efficiency.

Ключові слова: дистанційне навчання, алгоритм, математична модель, методика. Вступ. Системи дистанційного навчання є складними інтернет-орієнтованими інформаційними

системами. Для таких складних обчислювальних комплексів з великою кількістю параметрів як на етапі розробки, так і на етапі впровадження актуальна задача оцінки якості та оптимізації функціонування [1].

Одним із складних завдань, які становлять важливу сторону багатогранної проблеми навчання, є приведення методів навчання у відповідність з вимогами життя [2]. Проблема методів навчання має дві сторони теоретичну і практичну. Вона обговорювалась і вирішувалась поколіннями педагогів багатьох країн. Спеціально цій темі присвячували свої роботи Автухов І.Г., Алексюк О.М., Бондар В.І., Гончаренко С.У., Жиделєв М.О., Левіна М.М. та інші вченні. Вивчення робіт М.Д. Нікандрова і В.А. Параїла дало підставу констатувати, що багаточисленні дослідження закордонних, у тому числі і американських дидактиків, присвячені удосконаленню та підвищенню ефективності організаційних форм навчання, у більшій кількості своїй носять виключно інформаційний характер.

Методи навчання неможливо розглядати за зв’язком з іншими компонентами навчального процесу. В методі навчання знаходять відображення об’єктивні закономірності, цілі, зміст, принципи, форми навчання.

Діалектика зв’язку методу з іншими категоріями дидактики взаємообернена. Ні цілі, ні зміст, ні форми роботи не можуть бути введені без врахування можливостей їх практичної реалізації, саме таку можливість забезпечують методи. Вони задають темп розвитку дидактичної системи навчання прогресує настільки швидко, наскільки дозволяють йому рухатися вперед методи, які застосовуються [3].

В структурі методів навчання виділяються перш за все об’єктивна і суб’єктивна частини. Об’єктивна частина методу обумовлена тими сталими положеннями, які обов’язково присутні в любому методі, незалежно від його використання різними педагогами. В ній відображаються загальні для всіх дидактичні положення, вимоги законів і закономірностей, принципів і правил, а також постійні компоненти цілей, змісту, форм навчальної діяльності. Суб’єктивна частина методу обумовлена особистістю педагога, особливостями осіб, що навчаються, конкретними умовами. Дуже складним і не зовсім розв’язаним є питання про співвідношення об’єктивного і суб’єктивного в методі. Саме наявність в методі постійної, загальної для всіх об’єктивної частини дозволяє дидактикам розробляти теорію методів, рекомендувати практиці найкращі шляхи, а також успішно вирішувати проблеми логічного вибору, оптимізації методів [4].

В зв’язку з цим появляється множина класифікацій методів. Класифікація методів навчання це впорядкована за певною ознакою їх система. В нинішній час відомі десятки класифікацій методів навчання. Нинішня дидактична думка гласить про те, що не варто намагатися встановити єдину і незмінну номенклатуру методів. Навчання – надзвичайно рухомий, діалектичний процес. Система методів повинна бути динамічною, щоб відображати цю рухомість, враховувати зміни, які постійно відбуваються в практиці застосування методів. Тому автором пропонується алгоритм вибору оптимальної методики для дистанційного навчання студентів, який розроблений на основі 3-дольного 3-однорідного гіперграфа, що відображає математичну модель процесу дистанційного навчання.

Математична модель процесу дистанційного навчання базується на 3-дольному 3-однорідному

гіперграфі , який будується таким чином [5]. Вершини першої долі, тобто , взаємно однозначно відповідають елементам множини дидактичних матеріалів U. Кожній вершині , яка відповідає дидактичному матеріалу , приписано число, яке визначається кількістю студентів групи.

Кожна вершина другої долі однозначно відповідає деякому елементу з множини методик навчання T. Вершини третьої долі взаємно однозначно відповідають елементам множини груп K. Для побудови множини ребер розглядаються всі можливі трійки вершин такі, що

. Всяку таку трійку називаємо допустимою, якщо дидактичний матеріал може використовуватися для навчання групи , використовуючи методику вчення .

Кожному ребру гіперграфа G = (V, E) приписано три значення , , які означають



наступне: – очікувана зміна коефіцієнта мотивації учбово-пізнавальної діяльності студентів групи (у %) у разі, коли дидактичний матеріал, представлений вершиною , призначений в

групу, представленою вершиною 3v з використанням методики навчання, представленою вершиною ;

– очікувана зміна (у тому ж випадку) коефіцієнта знань студентів групи (у %); – очікувана зміна показника ефективності активної самостійної розумової діяльності

студентів (у %) в цьому ж випадку. Якість допустимих рішень цієї задачі оцінюється за допомогою векторної цільової функції

(ВЦФ) , (1)

де – критерій вигляду MAXMIN, , що означає очікуваний рівень мотивації учбово-пізнавальної діяльності студентів групи, які знаходяться на найнижчому рівні учбово-

організаційних вмінь; і – критерії вигляду MAXSUM , , ,

, де критерій означає сумарна зміна очікуваного рівня знань студентів всіх груп по предмету, а критерій – сумарна зміна очікуваного рівня активної самостійної розумової діяльності студентів всіх груп.

Визначається лексико-графічний оптимум (ЛГО) цієї задачі. Критерії ВЦФ пронумеровані у порядку їх відносної важливості, тобто це означає, що для деканату вищого навчального закладу в першу чергу необхідне підвищення очікуваного рівня мотивації учбово-пізнавальної діяльності студентів групи, які знаходяться на найнижчому рівні учбово-організаційних вмінь, а потім підвищення сумарної зміни очікуваного рівня знань студентів всіх груп по предмету, та сумарної зміни очікуваного рівня активної самостійної розумової діяльності студентів всіх груп.

Визначається )1(X – підмножина всіх елементів , оптимальних за першим критерієм,

)(1 xF ; )2(X – підмножина всіх елементів )1(Xxn , оптимальних за критерієм )(2 xF та робиться

висновок про найкраще рішення, яке визначається відповідним nx .

Для розробки алгоритму вибору оптимальної методики для дистанційного навчання студентів

необхідно мати наступні вихідні дані: uU – множина дидактичних матеріалів, які можуть

застосовуватися при навчанні, tT – множина методик навчання, kК – множина груп студентів,

які формуються залежно від рівня базових знань. Висновки. Існуючі системи з можливістю адаптації, розроблені без врахування методів та засобів

самоорганізації, не відповідають сучасним вимогам навчання. Основні підходи до розробки адаптивних систем навчання базуються або на індуктивних методах, які в основному є областю використання сучасної математики. Але при цьому забувається, що методи навчання – це методи “виробництва” нової інформації, яку не можна отримати безпосередньо з зовнішнього середовища. Ця інформація – це осмислені суб’єктом навчання знання. Інформаційна сутність задач адаптивного навчання дозволяє використовувати для їх рішення методи та підходи інформатики.

Як показує досвід, традиційні форми і методи автоматизованого навчання неефективні. Тому для рішення існуючих в освіті проблем необхідно використовувати нові підходи, які базуються на моделюванні процесу інформаційної взаємодії в предметній області навчання з використанням для цього ідей та методів теорії інформаційної взаємодії. Реалізація цих ідей виконується в рамках автоматизованих систем навчання.

Сучасні підходи до побудови автоматизованих систем контролю знань та навчання вимагають підвищення інтелектуальності таких систем, вимагають не просто детермінованого відображення навчального матеріалу, а й співучасті в організації і проведенні навчального процесу.

За допомогою розробленого алгоритму вибору оптимальної методики для дистанційного навчання студентів можливо прогнозувати ту методику яка, базуючись на існуючому рівні знань призведе до значного підвищення ефективності навчання.



Початок

uU

tT

kК

=

2

1

Рис. 1. Алгоритм вибору оптимальної методики для дистанційного навчання студентів



, де

)(1 xF

)(2 xF

Кінець

1

2

так ні

Рис. 1. Алгоритм вибору оптимальної методики для дистанційного навчання студентів (продовження)


1. Сергиенко И.В. Моделирование дистанционного обучения как системы интегративных

образовательных технологий / Сергиенко И.В. – Казань: Изд-во КГУ, 2005 – 365 с. 2. Гузеев В.В. Методы и организационные формы обучения / Гузеев В.В. – М.: Народное

образование, 2001. – 128 с. 3. Подласый И.П. Педагогика. Новый курс: [учебник для студентов пед. вузов]: в 2 кн. Общие

основы. Процесс обучения / Подласый И.П. – М.: Центр ВЛАДОС, 1999. – Кн. 1– 576 с. 4. Методы организации и обработки баз знаний / [Бакаев А.А. и др.]. – К.: Наукова думка, 1993. –

148 с. 5. Тарандушка Л.А. Вибір оптимальної методики для навчання студентів в системі дистанційного

навчання / Л.А. Тарандушка // Вісник Хмельницького національного університету. – 2009. – 3. – С. 160– 163.


Статтю представляє: к.т.н. Тарандушка Л.А.



УДК 621.3 О.І. ПОЛІКАРОВСЬКИХ


СПОСОБИ ПОБУДОВИ ШВИДКОДІЮЧИХ ЦИФРОВИХ

ОБЧИСЛЮВАЛЬНИХ СИНТЕЗАТОРІВ БАГАТОРІВНЕВИХ СИГНАЛІВ Розглянуто способи побудови швидкодіючих цифрових обчислювальних синтезаторів – DDS. Наведено

класифікацію таких способів. Розглянуто структурні схеми синтезаторів із підвищеними характеристиками швидкодії.. Застосування запропонованих структур синтезаторів дозволить покращити спектральні характеристики синтезованих сигналів та динамічний діапазон синтезаторів.

The methods of constructing highspeed digital computer synthesizer was proposed. The classification of these methods was proposed. Structural scheme of synthesizers uprated performance .. Application of the proposed structure will improve the spectral synthesizer specifications of the synthesized signal and dynamic range of synthesizers.

Ключові слова: : АЦП, ЦАП, прямий синтезатор частоти, фазовий акумулятор, ADC, DAC, direct frequency synthesizer (DDS).

Постановка задачі

Прямі цифрові синтезатори частоти відіграють важливу роль у сучасних радіоелектронних пристроях. Це забезпечується багатьма значними перевагами: швидкість пере налаштування частоти, висок розрізнювальна здатність , широка синтезована смуга частот. Багаторівневі DDS у силу своєї, технологічності, надійності, можливості мікромініатюризації та унікальності технічних характеристик (нерозривність фази під час перемикання з частоти на частоту, можливість формування сигналів складної форми, цифрове керування амплітудою, частотою та фазою вихідного коливання) на сьогодні знайшли застосування у системах зв’язку. Особливо перспективним є використання DDS у радіотехнічних системах передачі інформації з підвищеною завадостійкістю та захищеністю.

Аналіз досліджень та публікацій Розглянемо методи побудови швидкодіючих DDS частот та сигналів. З аналізу доступних на

сьогодні публікацій можна зробити висновок про розвиток таких синтезаторів у двох основних напрямках. Перший напрямок - пошук нових рішень з підвищення швидкодії основних функціональних вузлів DDS (НК – накопичувача коду, ФП – фазового перетворювача, БК – блоку керування синтезатором). Другий напрямок – синтез DDS з підвищеним діапазоном частот шляхом помноження частоти або перенесення

спектру сигналу, що формується DDS на відносно низькій тактовій частоті його роботи clkf на більш високу

(носійну) частоту.

Гранично допустимі значення максимальної синтезованої частоти maxf суттєво залежать від від

характеристик НК які у них використовуються. Через те, що двійкові накопичувачі коду (за модулем 2) за мінімальних апаратних та енергетичних затрат мають вищу швидкодію ніж накопичувачі коду за модулем 10, тож у сучасних швидкодіючих синтезаторах використовуються накопичувачі коду за модулем 2. Проте для синтезу частот з точними значеннями синтезованої частоти – 5,10,20,50,100 МГц, необхідно вводити у схему коректор коду, або за рахунок зміни ємності накопичувача коду.

Також швидкодія DDS в значній мірі визначається швидкістю виконання операції перетворення фаза-синус. Тому задача вибору швидкодіючої структури ФП є актуальною задачею.

Наведемо класифікацію способів підвищення швидкодії DDS – рис.1. Найбільш поширеною технологією на сьогодні є технологія функціонального перетворювача з запам’ятовуючим пристроєм, проте такі DDS мають низьку швидкодію за великої кількості апаратурних затрат. На початкових етапах розвитку напрямку цифрового синтезу частоти було запропоновано скоротити об’єм ПЗП перетворювача фази шляхом комбінації звернень до ПЗП з арифметичними обчисленнями функції )sin(x . Такі синтезатори у

класифікації позначені як гібридні фазові перетворювачі з мінімальним запам’ятовуючим пристроєм. Такі фазові перетворювачі відрізняються більш високою швидкодією із збереженням потрібної точності виконання операції перетворення (обчислення) фаза-синус. Існують також реалізації фазових перетворювачів без ЗП у вигляді простих кодо-перетворювачів, які вимагали включення у свій склад спеціалізованих ЦАП, що працюють у базисі функцій Уолша. Також існують ФП без ЗП із формуванням трикутного сигналу, один раз відсіченого трикутного сигналу, два рази відсіченого трикутного сигналу, які є за своїми спектральними характеристиками є максимально близькими до синусоїдального коливання в області низьких частот. Тут постає питання про оптимальний вибір структури DDS в двох аспектах: спектральної чистоти та апаратурних затрат. Наступним кроком на шляху підвищення швидкодії DDS є підвищення швидкодії структури в цілому. Одним з найбільш відомих способів є перенесення сигналу, що сформований на низькій частоті, на більш високу носійну частоту. Для збереження високої швидкості переналаштування частот перенесення сигналу з частоти на частоту здійснюється керованими фазообертачами з лінійним законом модуляції. У сучасних швидкодіючих DDS частот і сигналів у якості керованого фазообертача використовуються багаторівневі дискретні фазообертачі, які здатні забезпечити велику кількість градацій фази у широкому діапазоні частот. Проте такі синтезатори мають гірші



спектральні характеристики у порівнянні з класичною структурою DDS.

Рис. 1. Способи підвищення швидкодії синтезаторів DDS

Для покращення спектральних характеристик з одночасним зростанням clkf синтезатора

застосовують метод одночасного обчислення кодів відліків синтезованих коливань з наступним вибором цих кодів в певній послідовності для отримання необхідної форми вихідного синтезованого коливання. Див. рис.2. Для прикладу, чотириканальний синтезатор складається із чотирьох генераторів кодів синусоїдальних коливань, функції яких можуть відігравати як накопичувачі кодів так і класичні «повні» DDS. Приріст фази попередньо зсуваються для отримання приросту 4 , які надходять на входи

чотирьох паралельно працюючих генераторів коду. На виходах генераторів коду одночасно формуються чотири фазових точки, які на певну величину випереджають повну синусну величину формованого вихідного сигналу, що у подальшому додаються. Для того щоб таке випередження стало можливим, вихідні коди генераторів необхідно зміщувати за фазою на певну величину. Сформовані генераторами коди

додаються з 4-х в 1, в результаті чого формується послідовність кодів K значень функції )sin(x . Ця

послідовність надходить на вхід ЦАП, на виході якого формується вихідний синусоїдальний сигнал потрібної частоти та фази. Така структура отримала назву цифрового синтезатора прямого синтезу з комутацією фазових відліків. В N - канальному DDS з паралельним обрахунком фази синтезованого коливання тактова частота роботи накопичувача кодів, одного з найскладніших вузлів може бути понижена

в N разів і дорівнюватиме Nffclk 0 . Відповідно в DDS з цифровою комутацією відліків вихідна

частота може бути збільшена у відповідну кількість раз у порівнянні з вихідною частотою відомих класичних DDS за рахунок підвищення частоти синхронізації без збільшення тактової частоти роботи накопичувача кодів при збереженні кроку переналаштування з частоти на частоту.



Рис. 2. Структурна схема чотирьох канального синтезатора прямого цифрового синтезу

При визначеному числі каналів необхідне значення кодів фазових приростів у кожному каналі

цифрового обчислювального синтезатора може бути отримано шляхом додавання або віднімання мінімально сформованих коефіцієнтів зсуву фази. Це значно полегшує схемо технічне виконання цифрового обчислювального синтезатора (DDS) та зменшує апаратурні затрати на його реалізацію.

Рис. 3. Діаграма роботи чотириканального синтезатора прямого цифрового синтезу

Можливо комутувати не лише відліки фаз, але й відліки амплітуд синтезованих коливань.

Структури таких DDS отримали назву – з комутацією відліків амплітуд синтезованих коливань. Цифрові обчислювальні синтезатори з комутацією амплітуд мають стільки фазових перетворювачів скільки є каналів синтезатора, в результаті чого апаратні затрати на реалізацію таких синтезаторів різко зростає, що небажано для інтегрального виконання DDS.

Постановка завдання Отже виникає необхідність вибору оптимальної структури DDS синтезатора сигналів з точки зору

максимальної швидкодії та мінімальних апаратних затрат, з одночасним забезпеченням необхідного динамічного діапазону та необхідних спектральних характеристик.

Вирішення завдання Запропонуємо структуру синтезатора, прототипом якого використаємо синтезатори з двічі усіченим



трикутним коливанням. У пропонованому методі перший квадрант косинусоїдального сигналу

,2

cos)(

xxf

10 x (1)

ділиться на us 2 сегментів (де u – ціла величина) і кожен сегмент апроксимується або квадратичним поліномом або лінійним відповідно до виразу :

xcc

xccxP

kk

kk

k )(1

)(0

2)(2

)(0)(

sk

k

1

1

10 x , (2)

де k номер сегмента , )(1

)(0 , kk сс та )(

2kс поліноміальні коефіцієнти і це положення у першому

квадранті, де квадратичний поліном заміняється на лінійну залежність. Оптимальним кутом є 4

3s . [4]

Рис. 4. Комбінований метод кусково-лінійної та кусково-параболічної апроксимації

Пропонований метод є подібним до методу усіченого трикутного коливання, архітектура якого

докладно описана у [1]. До відомої структури ми додаємо квадратор, вихідне слово якого має вдвічі більшу довжину до входу і повинно відсікатись у наступних елементах схеми синтезатора. Блок діаграма пропонованої архітектури фазового перетворювача з комбінованою кусково-лінійною та кусково-параболічною апроксимацією представлена на рисунку 5. Вихід квадратора має вдвічі більшу довжину за вхідне кодове слово, отже потрибує подальшого відсікання молодших біт. Однак більш продуктивним є попереднє відсікання вхідного слова квадратора, що дозволяє зменшити кількість логічних елементів у наступних елементах структури. Таким чином вхідне слово квадратора має довжину 2W і відсікається

на біт так щоб досягти тієї ж самої вхідної розрядності 2W . Коефіцієнти перетворення задаються

двома різними шляхами. Коефіцієнти )(1

kс та )(2kс визначаються апроксимацією їх ідеальних величин

шляхом додавання цілих ступенів двійки

r

j jkg

jkk

i hhс jk

0

)( 1,1,2 , (3)

де r – номер доданка, jkh – це знак кожного доданка, jkg та i визначається наступним чином

,...2,1,0,1,2..., jkg

2

3)43sgn(

ksi .

(4)

(5)



Рис.5.Блок діаграма пропонованої архітектури фазового перетворювача з комбінованою кусково-лінійною та кусково-

параболічною апроксимацією

Ідеальні значення коефіцієнтів )(1

kс та )(2kс оцінюються алгоритмом, що дає максимальний виграш у

динамічному діапазоні вільному від паразитних складових. Таблиця для коефіцієнті буде мати вигляд – табл. 1

Таблиця 1 Таблиця коефіцієнтів перетворення для пропонованого методу з 4-ма сегментами

k=1 k=2 k=3 k=4

kg0 0 0 0 0

kg1 2 3 5 1

kg 2 10 6 8 6

kq 504 498 483 778



В структурній схемі на рис. 5 застосовуються мультиплекс ори для того, щоб не використовувати помножувачі. Це досягається логічним зсувом вправо або вліво виходу квадратора (для квадратичної складової), або зміною фази для лінійної складової та виконання додавання усіх зсунутих доданків. Знак

доданку jkh використовується для формування негативної півхвилі. Така структура призводить до

виникнення спотворень у синтезованому сигналі, для боротьби з яким підбираються коефіцієнти

оптимізації kq .

Висновки Розглянуто принципи організації високошвидкісних цифрових синтезаторів частоти – DDS.

Проведено класифікацію та виконано аналіз функціонування таких синтезаторів. Розглянуто основні напрямки розвитку високошвидкісних синтезаторів. Виявлено, що за мінімальних апаратних затрат найбільший частотний діапазон мають синтезатори з подвійно усіченим трикутником. Проте такі синтезатори мають недостатньо високу спектральну чистоту синтезованих сигналів. Для вирішення цієї проблеми в роботі запропоновано комбінований метод формування багаторівневого сигналу з кусково-лінійною та кусково–параболічною апроксимацією. Запропоновано математичну модель такого метода та структурну схему синтезатора сигналів синусоїдальної форми. Вирахувано оптимальні коефіцієнти перетворення пропонованого методу.


1. Ямпурин Н.П. Формирование прецизионных частот сигналов // Ямпурин Н.П., Болозев В.В.,

Сафонов Е.В., Жалнин Е.Б. / Под ред. Ямпурина Н.П. – Нижнй Новгород., 2003. 2. Byung-Do Yang, Jang-Hong Choi, Seon-Ho Han An 800-MHz Low-Power Direct digital Frequency

synthesizer With an On-Chip D/A converter/ Byung-Do Yang // IEEE Jornal of solid-state circuits, vol.39, 5. – 2004.

3. Николайчук Я.М. П.В. Теоретичні засади та принципи побудови арифметико-логічного пристрою на основі вертикально-інформаційної технології / Николайчук Я.М., Заставний О.М., Гуменний // Вісник ХНУ. – 2012. – 2. – С. 190 – 196..

4. Манассевич В. Синтезаторы частот. Теория и проектирование: Пер. с англ./Под ред. А.С. Галина. – М.: Связь, 1979.

5. Yuanwang Yang, Jingye Cai A Novel DDS Structure with Low Phase Noise and spurs/ Yuanwang Yang // UESTC, Chengdu. – 2011.

6. Vankka J. Direct Digital Synthesizers:Theory, Design and Applications/ Vankka J. // Helsinki University of Technology. – 2000. – С. 192.


Рецензент: д.т.н. Троцишин І.В.

УДК 614.8 Б.Б. ПОСПЕЛОВ

Национальный университет гражданской защиты Украины

О.М. ШИНКАРУК


Р.И. ШЕВЧЕНКО

Национальный университет гражданской защиты Украины

ГРАНИЦЫ ПРИЕМЛЕМЫХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ КАЧЕСТВА ДЛЯ ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ ОБНАРУЖЕНИЯ КРИТИЧЕСКИХ

СОСТОЯНИЙ ОПАСНЫХ ОБЪЕКТОВ Определены границы приемлемых показателей качества для технических систем обнаружения

критических состояний объектов природной и технической сферы в соответствии с современной концепцией приемлемого риска. Показано, что приемлемые показатели качества обнаружения обеспечиваются только при достаточно высоких энергетических соотношениях наблюдаемого фактора опасности и фона.

The limits of acceptable quality for technical systems detect critical conditions of natural and technical sphere in accordance with the modern concept of acceptable risk. It is shown that acceptable quality detection is provided only at sufficiently high energy ratio of the observed risk factors and background.

Ключевые слова: концепция приемлемого риска, техническая система обнаружения критических состояний объектов, границы приемлемых показателей качества обнаружения, критические состояния объектов.

Постановка проблемы. Антропогенное давление на окружающую среду, усиливающееся с

развитием научно-технического прогресса, приводит к существенному росту числа опасных объектов



природной и технической сферы и порождает одну из глобальных проблем настоящего времени – проблему безопасности населения. В этих условиях актуальным становится предотвращение или сведение к минимуму тяжелых последствий чрезвычайных ситуаций (ЧС), обусловленных авариями, загрязнением и разрушением биосферы, а также стихийными бедствиями. Концепция абсолютной безопасности недавнего времени лежала в основе создания и использования различных технических систем обнаружения опасных ситуаций с целью обеспечения безопасности объектов, принимаемых организационных мероприятий, жесткого регламента технологических процессов и работ. Считалось, что такой подход позволяет исключить любую опасность для населения и окружающей среды. До последнего десятилетия этот подход был оправдан. Однако в связи с существенным усложнением современных производств и появления принципиально новых технологий, концепция абсолютной безопасности вступает в противоречие с внутренними законами техносферы и биосферы. Поэтому человеческое сообщество пришло к пониманию невозможности обеспечения “абсолютной безопасности” реальной действительности и необходимости перехода к достижению “приемлемого” уровня риска от возможных ЧС. Его приемлемость обосновывается исходя из экономических и социальных соображений. Это означает, что уровень риска от возможных ЧС является приемлемым, если его величина (вероятность реализации или возможный ущерб) настолько незначительна, что ради получаемой при этом выгоды в виде материальных и социальных благ, человек или общество в целом готово пойти на соответствующий риск. Значения приемлемого риска являются отправными при определении величины целесообразных показателей качества для существующих и перспективных технических систем обнаружения критических состояний объектов. Актуальной при этом следует считать задачу определения по заданным пороговым значениям приемлемого риска соответствующих граничных значений приемлемых показателей качества для современных и перспективных технических систем обнаружения критических состояний объектов природной и технической сферы.

Анализ последних исследований и публикаций. Обоснованию критериев качества для систем обнаружения применительно к радиотехническим приложениям посвящена обширная литература [1]. Возможные критерии и показатели качества для технических систем обнаружения ЧС и технических систем безопасности потенциально опасных объектов рассматривались в работах [2– 5]. Однако в данных работах не решалась важная для проблемы безопасности задача определения границ приемлемых показателей качества для технических систем обнаружения критических состояний объектов природной и технической сферы с учетом реализации современной концепции «приемлемого» риска.

Постановка задачи и ее решение. Целью работы является анализ возможных критериев оптимальности и определение границ приемлемых показателей качества для современных и перспективных систем обнаружения критических состояний объектов природной и технической сферы, а также технических систем безопасности потенциально опасных объектов с учетом концепции «приемлемого» риска.

На сегодняшний день степень внедрения концепции «приемлемого» риска в разных странах различна. Например, в Нидерландах она доведена до закона. Согласно которого, вероятность смерти индивидуума от опасности техногенной сферы более 10-6 в течение года считается недопустимой, а менее 10-8 – пренебрежимо малой. Поэтому обычно приемлемый уровень риска, исходя из экономических и социальных причин, выбирается в диапазоне 10-6– 10-8 в год. Важным фактором при определении приемлемого уровня риска является объективное существование случайной зависимости между частотой F наступления опасных событий и наносимыми ими ущербами N. Ущерб принято выражать в виде числа летальных исходов или в денежном эквиваленте. Такие зависимости получили название «F/N-диаграмм» и приведены в [6].

В зависимости от объектов и решаемых ими задач риск R представляется в виде математического ожидания ущерба или вероятности наступления неблагоприятного события в течение года. В первом случае риск R определяется по формуле:

1R p g , (1)

где p – вероятность наступления ЧС (частота аварий, катастроф) за год; g – ущерб от рассматриваемой ЧС. Размерность риска (1) согласуется с характером ущерба и определяется в виде размерности ущерб/год. Во втором случае риск определяется соотношением вида:

spR 2 , (2)

где s – вероятность наступления неблагоприятного события при условии возникновения ЧС. Размерность риска (2), учитывая размерность параметра s, определяется в виде 1/год. Имея в виду основную задачу – защиту населения, в качестве неблагоприятного события, как правило, рассматривается степень опасности для жизни людей. Вероятность наступления чрезвычайной ситуации p (частота аварии, катастрофы) обычно определяется по картам зонирования опасности или по статистическим данным. Учитывая вероятностный характер процессов, потенциальный ущерб от ЧС определяют как математическое ожидание ущерба [6].

Будем полагать, что процесс контроля опасных факторов, характеризующих состояние объекта, сопровождается воздействием некоррелированных и случайных ненаблюдаемых фоновых факторов ε1 (t), ε2 (t), …, εn (t). Вследствие этого результат порогового испытания (обнаружения наличия критического состояния объекта, предвестника возможной ЧС) носит случайный характер. В случае обнаружения факта



критического состояния (превышения порога) выдается сигнал, инициирующий систему ослабления последствий опасного состояния. Случайный характер результата порогового испытания приводит к двум видам ошибок: ошибки пропуска и ошибки ложной тревоги. Обозначая вероятность ошибки пропуска через pα, а вероятность ошибки ложной тревоги через pβ, средний риск L1 от ошибок обнаружения критического состояния будет определяться величиной:

cc pBppApL 1 , (3)

где A и B – стоимости ошибок пропуска и ложной тревоги: в общем случае A≥0, B≥0; pc, cc pp 1

– априорные вероятности соответственно наличия и отсутствия критического состояния объекта в рассматриваемой области пространства. Сравнивая различные системы обнаружения, следует отдавать предпочтение такой, для которой средний риск L1 оказывается меньше. Следовательно, оптимизация систем обнаружения критического состояния в общем случае должна производиться в соответствии с критерием минимума среднего риска L1, определяемого (3).

В частности, если стоимость ошибок за ложную тревогу и пропуск одинакова и равна единице, то средний риск будет равен сумме вероятностей указанных ошибок обнаружения:

cc ppppL 2 . (4)

Минимум этой вероятности в теории обнаружения обычно называют критерием идеального наблюдателя [1]. Очевидно, что критерий (3) является более общим для систем обнаружения критического состояния опасных объектов по сравнению с критерием (4). Поскольку он учитывает различие в стоимости ошибок ложной тревоги и пропуска. С учетом того, что вероятность пропуска pp 1 , где p

является вероятностью правильного обнаружения, средний риск (3) может быть представлен в виде: )(1 pkpApApL cc , (5)

где cc AppBk / – весовой множитель. Поскольку первое слагаемое положительно, то критерий

минимума среднего риска сводится к критерию sup(max))( pkp , (6)

который представляет собой весовой критерий обнаружения критического состояния объектов. Этот критерий требует такого повышения вероятности правильного обнаружения и понижения вероятности ложной тревоги в системах обнаружения критического состояния, при которых увеличивается взвешенная разность pkp . При этом весовой множитель k в (5) и (6) определяется априорными вероятностями

наличия или отсутствия критического состояния у объектов. Кроме этого он определяется стоимостями каждого вида ошибок. Если зафиксировать вероятность ложной тревоги на заданном уровне, то оптимизация системы обнаружения критического состояния объектов при заданном весовом множителе сводится к максимизации вероятности правильного обнаружения. Такая процедура в радиолокации получила название критерия Неймана-Пирсона. Рассмотренные критерии (3)– (6) качества для систем обнаружения критических состояний объектов природной и технической сферы базируются на знании главных показателей качества p , pα, и pβ обнаружения. При решении практических задач создания,

модернизации и оптимизации, в смысле (3) – (6), систем обнаружения критических состояний объектов необходимо располагать данными о границах приемлемых показателей качества обнаружения с учетом концепции «приемлемого» риска.

Определим границы приемлемых значений для главных показателей качества p , pα, и pβ

обнаружения критических состояний. Общее и частные решения данной задачи можно получить на основе рассмотренных выше критериев оптимальности обнаружения, если определить величину приемлемого риска, требуемые априорные вероятности наличия или отсутствия критических состояний объекта в тот или иной момент времени, а также стоимости соответствующих ошибок. Если невозможно знать их заранее для произвольного момента времени, то стоимости соответствующих ошибок удобно принять одинаковыми и единичными, а априорные вероятности наличия или отсутствия критических состояний равными 0,5. В этом случае соотношения, связывающие главные искомые показатели качества систем обнаружения с величинами приемлемого риска (1) и (2), примут соответствующий вид:

gpRgp 12 , (7)

pRp 22 , (8)

где gα и gβ – ущербы, наносимые ошибками пропуска и ложной тревоги при обнаружении критических состояний объектов.

В качестве примера на рис. 1 приведены, полученные на основе (8), зависимости граничных значений главных показателей качества pα, и pβ для рассматриваемых технических систем обнаружения критических состояний объектов природной и технической сферы. При этом приемлемый уровень риска определялся принятыми допустимыми вероятностями смерти индивидуума от опасностей техногенной сферы. При этом предполагалось, что процесс появления опасности описывается пуассоновским потоком заданной интенсивности λ.



1 1010 1 10

9 1 108 1 10

7 1 106

1 108

1 107

1 106

1 105

1 104

1 103

0.01

Ptmaxk

Ptmink

P k а)

1 1010 1 10

9 1 108 1 10

7 1 106

1 108

1 107

1 106

1 105

1 104

1 103

Ppmaxk

Ppmink

P k б)

Рис. 1. Зависимости границ показателей Pαt и Pαp для систем техногенной сферы (а) и природной сферы (б) от вероятности Pβ Следует отметить, что вероятность возникновения наиболее тяжелых катастроф первых трех

классов в мирное время составляют от (2÷3)·10-2 до (0,5÷1)·10-1 в год, а ущербы от 1 до 100 миллиардов долларов на катастрофу. При этом их риски изменяются в пределах от 10 тысяч долларов в год до 10 миллиардов долларов в год (произведение вероятности аварии или катастрофы и прямого ущерба, который она приносит). По данным [6] частота возникновения ЧС с летальным исходом в техногенной сфере свыше 10000 человек составляет 10-3– 10-4 в год. Аналогичные данные для природных ЧС составляют 10-2– 10-3.

Верхние кривые на рис. 1 (а, б) получены для приемлемого риска, который характеризуется допустимой вероятностью смерти индивидуума от техногенных ЧС (λ=10-3) и природных ЧС (λ=10-2). Вероятность смерти выбиралась равной величине 10-6 и считается недопустимой [6]. Нижние кривые соответствуют приемлемому риску для вероятности 10-8. Такая вероятность считается пренебрежимо малой. Область, лежащая между кривыми, определяет допустимую область значений для главных показателей качества pα и pβ. Существующие и создаваемые системы обнаружения должны иметь показатели качества, принадлежащие указанным областям. Если вероятности появления критических состояний объектов неизвестны (априорная неопределенность условий обнаружения), то полагают их равными 0,5. В этом случае зависимости граничных значений Pαt и Pαp от величины вероятности ложной тревоги Pβ для главных показателей качества систем обнаружения соответственно в техногенной и природной сфере совпадают и приведены на рис. 2.

Из анализа данных, приведенных на рис. 1 и рис. 2 следует, что в условиях априорной неопределенности к главным показателям качества технических систем обнаружения должны предъявляться довольно жесткие требования, выполнение которых может потребовать использования значительного ресурса.

В работе [7] развивается системный подход к оценке риска на основе определения энергетических факторов опасности. Учитывая это, представляется интересной оценка требуемых энергетических соотношений между уровнями определяемого фактора опасности и сопутствующего мешающего фона. Показатели качества обнаружения pα и pβ факторов опасности со случайными параметрами зависят от статистики наблюдений. Статистика должна учитывать

1 1011 1 10

10 1 109 1 10

8 1 107 1 10

61 10

8

1 107

1 106

1 105

Ptmaxi

Ptmini

P i

Рис. 2. Зависимости граничных значений Pαt и Pαp от величины Pβ для систем обнаружения критических состояний в условиях

неопределенности

наличие и отсутствие опасного фактора в смеси с мешающим фоном. Безусловная статистика наблюдений находится на основе интегрирования соответствующих условных статистик наблюдений по указанным случайным параметрам. Сказанное имеет место при наличии энергетических и неэнергетических случайных параметров у определяемого фактора опасности. Можно показать, что в этом случае статистика наблюдений при наличии и отсутствии опасного фактора в смеси описывается законом Рэлея с соответствующими параметрами. При этом показатели pα и pβ оказываются зависимыми от порога h обнаружения. Эти показатели определяются следующими соотношениями:

)2/(exp(1 2 qhp , (9)



)2/exp( 2hp , (10)

где q= 2E/N0 – отношение энергии определяемого фактора опасности к спектральной плотности мешающего фона. Исключив величину h из соотношений (9) и (10) получим, что

1)2/1(1

qpp . (11)

Из выражения (11) следует, что требуемые показатели качества технических систем обнаружения в соответствии концепцией допустимого уровня риска обеспечиваются только при достаточно высоких значениях отношения энергии определяемого фактора опасности к спектральной плотности мешающего фона. Так, например, для обнаружения ЧС техногенной сферы с параметрами качества pα=10-3 и pβ =10-7 из допустимой подобласти (рис. 1) требуемая величина q=3,222·104. Это означает, что мешающий фон, сопутствующий наблюдению энергетического параметра опасности, практически должны отсутствовать. В противном случае обеспечение требуемых приемлемых показателей качества обнаружения критических ситуаций объектов становится весьма проблематичным.

Выводы. Проведен анализ возможных критериев оптимизации и показателей качества для технических систем обнаружения критических состояний опасных объектов природной и технической сферы. Определены соотношения, связывающие искомые главные показатели качества для технических систем обнаружения критических состояний объектов с величинами приемлемого риска. Найдены граничные значения приемлемых показателей качества обнаружения технических систем для техногенной и природной сферы. Показано, что требуемые приемлемые показатели качества обнаружения обеспечиваются только при достаточно высоких значениях отношения энергии определяемого фактора опасности к спектральной плотности мешающего фона.


1. Ван Трис Г.Л. Теория обнаружения, оценок и модуляции : т. I– II / Ван Трис Г.Л.; [пер. с англ. /

под ред. В.И. Тихонова]. – М. : Сов. Радио, 1972. – 744 с. 2. Абрамов Ю.А. Повышение эффективности обнаружения пожара по температуре / Ю.А. Абрамов,

В.М. Гвоздь, Е.А. Тищенко. – Харьков : НУГЗУ, 2011. – 129 с. 3. Поспелов Б.Б. Оптимальный выбор количества пожарных извещателей в системе защиты

резервуара с нефтепродуктом / Б.Б. Поспелов, А.Е. Басманов, А.А. Михайлюк, Я.С. Кулик // Проблемы пожарной безопасности. – Х. : НУГЗУ, 2011. – Вып. 30. – С. 12– 15.

4. Поспелов Б.Б. Структурный метод повышения надежности датчиков первичной информации в системе ослабления последствий чрезвычайной ситуации / Б.Б. Поспелов, А.Е. Басманов // Проблеми надзвичайних ситуацій. – Х. : НУГЗУ, 2011. – Вип. 14. – С. 129– 134.

5. Шевченко Р.І. Визначення показників небезпеки основних елементів аміачної холодильної установки за допомогою багатокретиріальної методики оцінки та управління ризиком виникнення аварій / Р.І. Шевченко, Д.В. Тарадуда, С.М. Щербак // Проблеми надзвичайних ситуацій. – Х. : НУЦЗУ, 2010. – Вип. 12. – С. 155– 166.

6. Надежность технических систем и техногенный риск / [Акимов В.А., Лапин В.Л., Попов В.М. и др.]. – М. : ЗАО ФИД «Деловой экспресс», 2002. – 386 с.

7. Калугін В.Д. Системний підхід до оцінки ризиків надзвичайних ситуацій в Україні / В.Д. Калугін, В.В. Тютюник, Л.Ф. Чорного, Р.І. Шевченко // Восточно-европейский журнал передовых технологий. – Харьков, 2012. – 1/6 (55). – С. 59– 70.


Статтю представляє: д.т.н. Шинкарук О.М.



За зміст повідомлень редакція відповідальності не несе

Повні вимоги до оформлення рукопису

http://visniktup.narod.ru/rules/

http://vestnik.ho.com.ua/rules/

Рекомендовано до друку рішенням вченої ради Хмельницького національного університету,

протокол 3 від 24.10.2012.

Підп. до друку 25.10.2012 р. Ум.друк.арк. 29,9 Обл.-вид.арк. 28,44 Формат 30х42/4, папір офсетний. Друк різографією.

Наклад 100, зам.

Тиражування здійснено з оригінал-макету, виготовленого редакцією журналу “Вісник Хмельницького національного університету”

редакційно-видавничим центром Хмельницького національного університету 29016, м. Хмельницький, вул. Інститутська, 7/1. тел (0382) 72-83-63