1st international conference on innovations in technical ...ppublishing.org/upload/iblock/29b/i...

1st International Conference on Innovations in

Technical and Natural Sciences

20th October, 2017

Vienna • Prague2017

«1st International Conference on Innovations in Technical and Natural Sciences». Proceedings of the Conference (October 20, 2017). Premier Publishing s.r.o. Vienna Prague. 2017. 148 p.

ISBN–13 978-1-77192-371-2ISBN–10 1-77192-371-7

The recommended citation for this publication is:Mark, Smith. Modern European Literature // Proceedings of the 1st International Conference on Innovations in Technical and Natural Sciences. Premier Publishing s.r.o., Accent Graphics Communications LLC, Vienna. 2017. PP. 112-117.

Editor Hong Han, ChinaEditorial board

Andronov Vladimir Anatolyevitch, UkraineBestugin Alexander Roaldovich, Russia

S.R.Boselin Prabhu, IndiaFrolova Tatiana Vladimirovna, Ukraine

Inoyatova Flora Ilyasovna, UzbekistanKambur Maria Dmitrievna, Ukraine

Kurdzeka Aliaksandr, RussiaKhentov Viktor Yakovlevich, Russia

Kushaliyev Kaisar Zhalitovich, KazakhstanMambetullaeva Svetlana Mirzamuratovna,

UzbekistanManasaryan Grigoriy Genrihovich, Armenia

Martirosyan Vilena Akopovna, ArmeniaMiryuk Olga Alexandrovna, Kazakhstan

Nagiyev Polad Yusif, AzerbaijanNemikin Alexey Andreevich, Russia

Nenko Nataliya Ivanovna, RussiaOgirko Igor Vasilievich, UkrainePlatov Sergey Iosifovich, Russia

Rayiha Amenzade, AzerbaijanShakhova Irina Aleksandrovna, Uzbekistan

Skopin Pavel Igorevich, RussiaSuleymanov Suleyman Fayzullaevich, Uzbekistan

Tegza Alexandra Alexeevna, KazakhstanZamazy Andrey Anatolievich, Ukraine

Zhanadilov Shaizinda, UzbekistanProofreading Kristin TheissenCover design Andreas VogelContacts Premier Publishing s.r.o.Praha 8 – Karlín, Lyčkovo nám. 508/7, PSČ 18600

E-mail: [email protected]: www.ppublishing.org

Material disclaimer

The opinions expressed in the conference proceedings do not necessarily reflect those of the Premier Publishing s.r.o., the editor, the editorial board, or the organization to which the authors are affiliated.Included to the open access repositories:

© Premier Publishing s.r.o.

All rights reserved; no part of this publication may be reproduced, stored in a retrieval system, or transmitted in any form or by any means, electronic, mechanical, photocopying, recording, or otherwise, without prior written permission of the Publisher.Premier Publishing s.r.o. is not responsible for the stylistic content of the article. The responsibility for the stylistic content lies on an author of an article.

Typeset in Berling by Ziegler Buchdruckerei, Linz, Austria.Printed by Premier Publishing s.r.o., Accent Graphics Communications LLC, in Vienna,Austria on acid-free paper.

Section 1.Biology

Shehu Matilda,Department of Biology, Faculty of Technical SciencesUniversity of Vlora “Ismail Qemali”, Vlora, Albania

Plant Biotechnology PhD candidateE-mail: [email protected]

Zekaj (Trojani) Zhaneta,Department of Biotechnology,

Faculty of Natural Sciences University of Tirana

COMPARATIVE STUDY OF MORPHO-HISTOLOGICAL TRAITS OF THREE POPULATION OF SCILLA

AUTUMNALIS L. IN VLORE, ALBANIAAbstract: In this study was carried out comparative morpho-histological study

of Scilla autumnalis at three habitats in Vlore area, Albania. For morphological analy-sis has been measured vegetative and reproductive organs. For histological analysis was used the simple technique of peeling off the upper and lower epidermis of the leaves. Within three populations we found morphological and histological differ-ences. Population of Portopalermo differs from the other two populations for strong development of vegetative and reproductive organs. Also it predominates in terms of stomatal index and the size of the stomata. While regarding stomatal density predominates population of Dukat.

I. IntroductionScilla genus includes 125 species, widespread in the temperate zone of Eurasia and

North Africa. It is part of the family Asparagaceae, former Hyacinthaceae. Specie Scilla autumnalis L. is a perennial specie, that flowers between August-October before the leaf growing. In our country genus Scilla represent by two species: Scilla autumnalis L. and Scilla bifolia (L.) 1. Scilla autumnalis (L.) is a mesophyte plant, optional halo-phyte. It is wide distributed in Albania but in other countries it is endangered (specialy

1 Vangjeli et al: Flora of Albania 4. – 1999. – P. 251–252.

Biology 3

Romania) and was taken into protection in Romania 1. The genus is important among geophyte plants, since some Scilla taxa (S. autumnalis L.) are used as decorative or-namental plants 2. Also Scilla aiutumnalis L. has been distinguished for the content of phenolic compounds in bulbs and leaves 3.

Epidermal traits i. e. epidermal cells, stomata and hairs have proved to be an im-portant tool in delimitation of taxa in many plant families 4. It is confirmed that leaf epidermal features can help to elucidate taxonomic relationships at different levels 5.The use of leaf epidermal characters in the taxonomy of Angiosperms is on the increase and has been practiced for decades 6. Reported that before the end of 19th century, taxonomists were confined to features of reproductive organs, as floral characters were considered to provide the most valuable characters to depict taxonomic affini-ties 7. Now opined that of all the non-reproductive organs, the leaf is the most widely used in plant taxonomy while 8 described the leaf epidermis as the second most im-portant character after cytology for resolving taxonomic and evolutionary problems. This study was therefore undertaken to compare morphological and epidermal traits between three populations of Scilla autumnalis L. at intra-specific level.

II. Materials and methodsPlant material collection was carried out during the time of flowering for

easy identification. While taking plant material has been examined ecological (plant assocciation) and morphological traits of Scilla autumnalis L. populations in three habitats of sampling. Specie was collected in three habitats in Vlora region: Dukat,

1 Banciu C. M., Mitoi F., Helepcıuc and Aldea F., In vitro propagation of critically endangered species S. autumnalis b. – 2010.

2 Peryy F. Plants and Flowers. Arnoldo Mondaderi Editore, Milano – 1974.3 Özay C. A., Ermiş E., Evgen A., Kardeşler and Çelik A. Antioxidant and free radical scavenging

activity of S. autumnalis L. bulbs and leaves ethanolic extracts. In: Book of Abstract International Conference Plant Cell Biology and Biotechnology, – 2013. – P. 13–15. – 42 p. February – 2013. Minsk Belarus.

4 Sinclair C. B. and G. K. Sharma. Epidermal and cuticular studies of leaves. J. Tenn. Acad. Sci., 46. – 1971. – P. 2–11.

5 Stebbins G. L. Cytogenetics and evolution of the grass family. Amer. J. Bot., 43. – 1956. – P. 890–905.6 Okeke S. I., Izundu A. I. and Okoli P. U. Foliar Epidermal Studies in Lapoteaa estuans (Urticaceae)

in Nigeria.Natural and Applied Sciences Journal 12 (2). – 2011. – P. 158–208; Abdulrahaman A. A., Oyedotun R. A. and Oladele F. A. Diagnostics Significant of Leaf Epidermal Features in the Family Cucurbitaceae. Insight Botany. 1. – 2011. – P. 22–27.

7 Ahmad F., Khan M. A., Ahmad M., Zafar M., Iqbal Z. and Khan A. Leaf Epidermal Anatomy as an Aid to the identification of genus Setaria weeds, tribe paniceae (Poacea) from the Salt Range of Pakistan. African Journal of Anatomy 1 (1). – 2014. – P. 8–13.

8 Das S., Dash S. K. and Padhy S. N. Ethano-medicinal Information from Orissa State.Human Ecology 4. – 2003. – P. 165–227.

4 Section 1.

Llogora and Portopalermo. Plants are planted in pots for subsequent studies. For morphological analysis has been measured the height of flower stalk, length and width of leaves, number of flowers, bulb dimensions. For histological analysis was the technique of peeling off the epidermis with the help of needles and forceps which consist of taking the traces of stomata in the upper and lower epidermis and was used to define somatal type, somatal dimensions, stomatal density and stoma-tal index. Preparations were made with at least 5 leaves for each population and were observed using a microscope PARALUX with objective magnification 40X and eyepiece 10X. Measurement of stomatal dimensions was realized through the ocular micrometer. Photography was realized with Apple iphone directly in ocular tube. Through the lens tube was conducted count of stomatal cells/field, total number of cells/field, was determined type of stomata, was conducted count of stomata/mm 2. The stomatal index, which indicates the proportion of stomata relative to leaf sur-face, is also a reliable taxonomic character. This is because it is independent of the changes in epidermal cells size brought about by environmental factors 1. For the classification and nomination of types of stomata it is based on the nomenclature of the name suggested by 2. Stomatal index was calculated according to 3and 4by fomula:

SIS

S E=

+×100

SI – Stomatal Index;S – No. of stomata per unit area;E – No. of epidermal cells per unit area.For statistical analysis is used Minitab 17 and Exel 2010 softwares. In this study is

calculated the arithmetic average, the standard deviation and the coefficient of variation.III. Results and discutionsa. Morphological dataScilla autumnalis L. has been collected in thee habitats with geografical coordi-

nates: Dukat 364 m above sea level No. 40.240285, E 19.550811, Llogara 1010 m above sea level No. 40.193677, E 19.603436, and Portopalermo 53 m above sea level No. 40.050565 E 19.798055. Different from two other populations which are far from the sea, S. autumnalis L. of Portopalermo was found very close to the sea

1 Metcalfe C. R., Chalk L. Anatomy of the Dicotyledons. 2nd Edition 1, – 1988. – P. 100–106.2 Prabhakar M. Structure, Delimitation, Nomenclature and Classification of Stomata. Acta Botanica

Sinica, – 2004. – P. 242–252; Freire E. S., Urtubey E., Giuliano A. D. Epidermal Characters of Baccharis (Asteraceae) Species Used in Traditional Medicine Caldasia 29 (1). – 2007. – P. 23–38. URL: http://www.unal.edu.co/icn/publicaciones/caldasia.htm

3 Salisbury E. J. On the causes and ecological significance of stomatal frequency, with special reference to the woodland flora. Philos. Trans. R. Soc. – London B 216, 1±65, – 1927.

4 Cutter E. G. Plant Anatomy. Part I, Edward Arnold, – London.

Biology 5

(100 m). In Dukat and Portopalermo Scilla autumnalis L. was associated by a rich bushy and herbaceous vegetation. While in Llogara the specie was most rare and associated by herbaceous vegetation.

a)

b) c)

Figure 1. Scilla autumnalis L. in three sampling areas a) Dukat; b) Llogara; c) Portopalermo

Scilla autumnalis L. is a geophyte bulbous plant with rosy-purple flowers placed in racemes (6–25 flowers). Flowers has 6 petals, 6 stamens and 1 style. Flower stalk ap-pears before the leaves and it is two times longer than the mature leaves. Individuals of Portopalermo population differ from two other populations for more powerful development of flowers and leaves. In individuals of Portopalermo flower stalk is much longer and with more flowers than two other populations (Figure 2). Llogara popu-lation has the earliest flowering period than two other population (potted plants). Regarding dimensions of bulb, individuals of Llogara appears with bigger dimensions than two other populations Table 1. Morphological measurements has been carried out in potted plants for a three year period and was the same result. Leaf margins have rare papillae longer than wide (Figure 3).

6 Section 1.

Figure 2. Morphological traits of flowers of S. autumnalis L. in three habitats

Table 1. – Morphological traits of S. autumnalis L. at three habitats

S. autum nalis L.

Average length

of leaves (cm)

Average width of

leaves (cm)

Average length of bulb

(cm)

Average width of

bulb (cm)

Average nr. of

flowers (cm)

Average length

of flower stalk (cm)

Dukat 15 1 1.3 1 12 21Llogara 20.2 1.3 2.3 1.6 12 18

Portopal ermo 21.5 2 1.66 0.7 24 44

Figure 3. Leaf margins of S. autumnalis L. with rare papillae

b. Histological dataStomata and asscocciated epidermal cells are proving to be increasingly impor-

tant sources of taxonomic characters 1. Stomatal density can vary signifincantly within leaves, plants or individuals of a single specie within a community and can be modified

1 Naik V. N. “Txonomy of Angiosperms: A synthetic Disipline”, – 1984. – 129 p.

Biology 7

by environmental factors, leaf morphology and genetic composition 1. Observations are realised in the upper and lower epidermis of the leaves of S. autumnalis and resulted that stomata are present on both leaf surfaces (amphystomatous leaves). Comonly in mocotiledones stomata are present in both leaf surface, usually abundant at lower epidermis 2. Stomata resulted to be of anomocytic type (without subsidiary cells) and slightly sunken into epidermal cells (Figure 4).

Figure 4. Left: slightly sunken stomata of S. autumnalis (L.) into epidermal cells (cross section leaf), right: anomocytic stomata (with

no subsidiary cells, surrounded by epidermal cells); sa – stomatal aperture, gc – guard cell, ec – epidermal cell. (× 100 magnification)

(Table 1) summarize stomatal measurements in the upper and lower epidermis. From table we noticed variation regarding stomatal size, stomatal indexand stomatal density. Population of Portopalermo appears with larger stomatal dimensions and stomatal index than the other two populations (Table 2) and (Figure 5).

Figure 5. Stomata of S. autumnalis L. a) Dukat; b) Llogara; c) Portopalermo

1 Willmer C., Fricker M. “Stomata: Second Edition”, – 1996, – 17 p.2 Dalal L. P. Stomatal variation in Dicot and Monocots – 2012.

8 Section 1.

Table 2. – Average values and standard deviation (SD) of traits of adaxial (AD) and abaxial (AB) leaf epidermis of S. autumnalis L. Cv – coefficient of variation

Scilla autumnalis L.

Leaf surface

Length (μm)

Width (μm) SI% SD

Dukat

UECvLECv

35.8 ± 1.313.65

35.7 ± 1.975.53

27.2 ± 2.59.38

26.4 ± 1.786.75

32.5 ± 1.755.39

31.1 ± 2.437.82

136.2 ± 10.856.15

139.4 ± 14.1110.12

Llogara

UECvLECv

35.8 ± 1.314.35

35.4 ± 1.333.78

26.9 ± 1.86.7

26.8 ± 1.535.73

27.9 ± 1.264.54

28.8 ± 1.986.91

114.5 ± 6.575.74

116.2 ± 10.69.12

Portopa lermo

UECvLECv

36.8 ± 1.654.49

36.1 ± 1.43.89

30.6 ± 2.789.1

30.3 ± 2.89.25

35.6 ± 2.025.67

34.9 ± 1.474.2

126.4 ± 10.568.35

129.4 ± 7.776.01

A

B

C Figure 6. Stomatal distribution per microscopic field of leaves of Scilla autumnalis L. in three habitats: A Dukat, B Llogara, C Portopalermo;

Left – Uppper Epidermis, Right – Lower Epidermis

Biology 9

While population of Dukat appears with higher stomatal density than Llogara and Portopalermo populations. We may see it clearly in (Figure 6 and 7).

Scilla autumnalis

SI (%

) LE

SI (%

) UE

Portopa

lermo

Llogora

Dukat

Portopale

rmo

Llogora

Dukat

40

30

20

10

0

Stomatal Index (%)

Scilla autumnalis

SD(m

m2) LE

SD (m

m2) UE

Portopa

lermo

Llogora

Dukat

Portopale

rmo

Llogora

Dukat

140

120

100

8060

40

20

0

Stomatal Density (mm2)

Figure 7. Stomatal Index (SI%) and Stomatal Density (SD mm 2) in upper and lower epidermis of leaves of Scilla autumnalis L.

IV. ConclusionsIn this study was made comparision between three populations of Scilla autum-

nalis L.: Dukat, Llogara and Portopalermo regarding morphological and histological traits.

1. Population of Portopalermo differs from the other two populations in terms of morphological features. Flower stalk is much longer than in two other populations.

3. Regarding dimensions of bulb, individuals of Llogara appears with bigger di-mensions than two other populations.

10 Section 1.

4. Also it predominates in terms of stomatal index and the size of the stomata.5. While regarding stomatal density predominates population of Dukat.The observed variability in some morphological and epidermal traits in these

three locations led us think of the possibility of variability among the populations. In some studies stomatal density and size are dependent by enviromental factors. But these indicators are not considered as the only and definitive, but associated with others like trichome, chromosomes and other leafy parameters create a framework of a cytotype 1.

References:1. Abdulrahaman A. A., Oyedotun R. A. and Oladele F. A. Diagnostics Significant of

Leaf Epidermal Features in the Family Cucurbitaceae. Insight Botany 1. – 2011. – P. 22–27.

2. Ahmad F., Khan M. A., Ahmad M., Zafar M., Iqbal Z. and Khan A. Leaf Epidermal Anatomy as an Aid to the identification of genus Setaria weeds, tribe paniceae (Poacea) from the Salt Range of Pakistan. African Journal of Anatomy 1 (1). – 2014. – P. 8–13.

3. Banciu C. M., Mitoi F., Helepcıuc and Aldea F. In vitro propagation of critically endangered species S. autumnalis b. – 2010.

4. Bangani V., Crouch N. R. and Mulhollond D. A. Homoisoflavanones and stilben-oids from Scilla nervosa. Phytochemistry, 51. – 1999. – P. 947–951. Botanica Si-nica, – 2004. – P. 242–252.

5. Cutter E. G. Plant Anatomy. Part I, Edward Arnold, London.6. Dalal L. P. Stomatal variation in Dicot and Monocots. – 2012.7. Das S., Dash S. K. and Padhy S. N. Ethano-medicinal Information from Orissa

State. Human Ecology 4. – 2003. – P. 165–227.8. Freire E. S., Urtubey E., Giuliano A. D. Epidermal Characters of Baccharis (Astera-

ceae) species used in traditional medicine”. Caldasia 29 (1). – 2007. – P. 23–38. URL: http://www.unal.edu.co/icn/publicaciones/caldasia.htm

9. Lackey J. A. Leaflet anatomy of Phaseoleae (Leguminoseae: Papilionoideae) and its relation to taxonomy. Bot. Gaz., 139. – 1978. – P. 436–446.

10. Metcalfe C. R., Chalk L. Anatomy of the Dicotyledons. 2nd Edition 1, – 1988. – P. 100–106.

11. Kandemir N., Çelik A. and Ermiş A. Comparative leaf and scape anatomy of some Scilla taxa in Turkey. Int. J. Agric. Biol., 18. – 2016. – P. 957–964.

12. Naik V. N. “Txonomy of Angiosperms: A synthetic Disipline”, – 1984. – P. 129.

1 Zekaj Zh., Mullaj A., Bacu A., Hoda P. Karakterizimi i disa specieve te flores shqiptare me metoda citologjike dhe molekulare. – 2007. – P. 45–46.

Biology 11

13. Okeke S. I., Izundu A. I. and Okoli P. U. Foliar Epidermal Studies in Lapoteaa estuans (Urticaceae) in Nigeria. Natural and Applied Sciences Journal 12 (2). – 2011. – P. 158–208.

14. Özay C. A., Ermiş E., Evgen A., Kardeşler and Çelik A. Antioxidant and free radi-cal scavenging activity of S. autumnalis L. bulbs and leaves ethanolic extracts. In: Book of Abstract International Conference Plant Cell Biology and Biotechnol-ogy, – 2013. – P. 13–15. – 42 p. February – 2013. Minsk Belarus.

15. Peryy F., Plants and Flowers. Arnoldo Mondaderi Editore, Milano – 1974.16. Prabhakar M. Structure, Delimitation, Nomenclature and Classification of Sto-

mata. Acta.17. Salisbury E. J. On the causes and ecological significance of stomatal frequency,

with special reference to the woodland flora. Philos. Trans. R. Soc. London B 216, – 1±65. – 1927.

18. Sinclair C. B. and Sharma G. K. Epidermal and cuticular studies of leaves. J. Tenn. Acad. Sci., 46. – 1971. – P. 2–11.

19. Stebbins G. L. Cytogenetics and evolution of the grass family. Amer. J. Bot., 43. – 1956. – P. 890–905.

20. Stenglein S. A., Colares M. N., Arambarri A. M., Novoa M. C., Vizcaino C. E. and Katinas L. Leaf epidermal microcharacters of the old world species of Lotus (Le-guminoseae: Loteae) and their systematic significance. Aust. J. Bot., 51. – 2003. – P. 459–469.

21. Vangjeli et al. Flora of Albania 4, – 1999. – P. 251–252.22. Willmer C., Fricker M. “Stomata: Second Edition”, – 1996. – P. 17.23. Yasim G., Khan M. A., Shaheen N., Hayat M. Q., Ullah Z. and Munsif S. Systemat-

ic Value of Foliar Anatomical Features in Polygonum L. Species, Family Polygona-ceae from Pakistan. International Journal of Agric. Biol. 11. – 2009. – P. 731–736.

24. Zekaj Zh., Mullaj A., Bacu A., Hoda P. Karakterizimi i disa specieve te flores shq-iptare me metoda citologjike dhe molekulare. – 2007. – P. 45–46.

12 Section 1.

Section 2.Innovations

Sidorov Evgenii Pavlovich,ingenieur

E-mail: [email protected]

TECHNISCHE MOGLICHKEIT DER KUHLUNG DES WASSER IN DER SPIRAL WIRDEL

Сидоров Евгений Павлович,Инженер,


ВОЗМОЖНОСТИ ОХЛАЖДЕНИЯ ВОДЫ ЗА СЧЕТ ВНУТРИМОЛЕКУЛЯРНЫХ И ВНУТРИАТОМНЫХ ЭФФЕКТОВ ВИХРЕВОГО ДВИЖЕНИЯ ПОТОКА

С целью обеспечения всех потребностей промышленности в воде ежегод-но забирается из водоемов около 1 000 км 3 воды. В том числе, примерно 500 км 3 воды затрачивается на технические системы охлаждения.

По данным Государственного учета в Российской промышленности ис-пользуется порядка 200 км 3 воды. Из них 20%, а именно 40 км 3, забирается свежей воды, что составляет 50% всей забираемой воды из источников. А 80%, или 160 км 3, обеспечивается оборотной водой после охлаждения. Охлаждение воды производится: в водохранилищах – 54%, башенных градирнях – 14%, сухих градирнях – 0,8% и брызгальных бассейнах – 0,2%. Коэффициент водооборота, в среднем, составляет – 60%. В связи с недостаточной эффективностью работы охлаждающих промышленных систем, человечество планеты Земля и, в том числе, жители России ежегодно теряют громадное количество свежей пресной воды, которая систематически удаляется из водооборота, или в виде летучих элементов, либо в состоянии загрязнения. Одновременно, с ростом населения планеты рас-тет потребление продуктов жизнедеятельности промышленного производства и, следовательно, с ростом количества промышленных предприятий, растет по-требность в оборотном водопотреблении. Поэтому, в настоящее время, приходит

Innovations 13

понимание того, что необходимо разрабатывать и внедрять совершенно новую концепцию охлаждения воды, применение которой сможет исключить нега-тивные последствия современных методов охлаждения. Эта концепция может быть построена на основе понимания и применения внутренних возможностей воды, используя ее огромную внутреннюю силу. Все существующие системы ох-лаждения работают на принципе поверхностного теплообмена, выраженного в прохождении процессов испарения, или точнее, разрыва связей молекул воды, которые преодолевают силу притяжения и переходят в атмосферу как молеку-лы пара. Модернизация современных охлаждающих систем, в части повышения их эффективности понижения температуры воды, во всех случаях, происходит за счет увеличения реакционной поверхности квантовых превращений и повы-шения интенсивности обмена воздуха. Этот эффект достигается путем создания более эффективного распыления воды, а также создания разного рода оросите-лей и интенсификации работы вентиляционных систем. Воздух имеет молекулы кислорода с малым энергетическим зарядом и так как молекула кислорода, на-ходящаяся в свободном состоянии, обладает меньшим энергетическим зарядом связей своих атомов, по сравнению с молекулой воды, она становится холодным донором для молекулы воды, восстанавливая структуру порванных водородных связей. Одновременно атомы кислорода воды, да и сами молекулы воды, энергия связей которых больше их средней кинетической энергии, растягивают связи, ломают их и покидают воду. При этом средняя кинетическая энергия оставшихся молекул воды уменьшается и, кроме этого, на освободившиеся связи «садятся» доноры с еще меньшей кинетической энергией и, в результате этих квантовых процессов, температура воды уменьшается. Итак, поняв процесс охлаждения воды в современных охладительных системах, можно сделать очевидный вывод: методом увеличения поверхности квантовых превращений и повышения интен-сивности подачи воздуха невозможно кардинально повысить эффективность, ско-рость и экономические показатели процесса поверхностного охлаждения воды. Это очевидно, так как процесс идет только на поверхности воды и происходит разрыв и образование только межмолекулярных связей, то есть в процессе уча-ствуют, в основном, одни молекулы, а высокоэнергетические внутримолекуляр-ные и внутриатомные связи в кластерах, клатратах и других ассоциатах, оставаясь в теле воды, не принимают участия в квантовых преобразованиях. Учеными до-казано, что внутримолекулярные связи на порядок величины сильнее, чем меж-молекулярные, а внутриатомные – еще сильнее, не говоря уж внутриядерных, которые самые сильные. Поэтому, для повышения эффективности охлаждения воды, необходимо задействовать энергию всех молекул и атомов, составляющих воду, перенеся процесс квантовых преобразований в тело воды, интенсифициро-вав возбуждение разрыва молекулярных, атомных и, возможно, фотонных связей

14 Section 2.

механическим спиральным вращением. Квантовые преобразования элементарных частиц воды, происходящие в процессе ее охлаждения, в состоянии спирального вихревого движения, в мировой науке изучены недостаточно, чтобы, априори, разрабатывать стабильно действующие модели оборудования. В настоящее время разработка конструкций вихревых устройств осуществляется эмпирическим или экспериментальным путем из-за отсутствия систематизированных теоретических исследований. В настоящей статье постараемся обобщить тот опыт, который при-обрела наука в процессе исследований и теоретического математического ана-лиза процессов, происходящих в квантовой структуре воды, которая приведена в вихревое вращательное движение в условиях ограничения трубопроводными системами. И на базе полученных представлений можно показать перспективу разработки вихревых конструкций охлаждения воды.

Все вихревые установки можно разделить на две конструкции.1. Когда движение воды по спирали задает насос. В этом случае невозмож-

но получить большие коэффициенты преобразования квантовых превращений. На взгляд ученых предел таких установок 600–800% со всеми технологическими и конструктивными ухищрениями. Два самых простых способа закрутки жидкости внутри трубы являются: – так называемые, спираль и бабочка. В первом случае, по всей длине трубы вставляется спираль из металлической проволоки с расчетным шагом, а во-втором, на внутренней поверхности трубы, по растянутому геликоиду, устанавливаются направляющие металлические элементы, имеющие винтовую на-сечку, которая закручивает поток жидкости. При установке внутри трубопроводов вставок (обеспечивающих закрутку внутреннего винта примерно 1:6), возмож-но достигнуть угловую скорость осевого вращения потока воды до 300 оборотов в минуту, в зависимости от диаметра трубы. Это, безусловно, не мало, и находится на уровне эффективности охлаждающей способности традиционных градирен, од-нако совершенно не сопоставимо с возможностями принудительного механическо-го создания вращательного движения, при котором реализуются все внутренние возможности квантовых превращений элементарных частиц воды.

2. Вторая констукция — это, как раз, принудительное вращательное движе-ние, когда движение воды по спирали задает ротор специальной формы с при-водом (завихритель). В этом случае, в режиме разрушения и образования новых связей молекул воды и составляющих молекулу атомов, а также, возможно, связей фотонов, можно получить коэффициенты преобразований до 10 000% и выше, однако, необходимая для возбуждения процессов, скорость наводится двигателем (в данном случае в пределах 12 000–15 000 оборотов в минуту). Такой результат лимитируется созданием в процессе квантовых преобразований реактивной составляющей движения, которая самопроизвольно возникает для сохранения энергетического заряда молекулы. В этом и заключается внутренняя сила воды,

Innovations 15

а именно, в выработке энергии молекулярных и атомных связей, необходимой для нахождения ее в равновесном состоянии. Такое состояние привнесения энергии может возникнуть, буквально, через несколько минут работы, что позволяет от-ключить привод, так как установка перестает потреблять энергию.

Одним из первых ученых в мировой науке, который открыл и изучил возмож-ности воды, подверженной спиральному винтовому вихревому движению, был Ж. Ранк. В 1933 году Ж. Ранк сделал доклад на заседании физического общества, в котором пытался развить центробежную теорию вихревого эффекта. В докладе отмечено, что достигнутый в эксперименте эффект охлаждения примерно в во-семь раз превышал предсказуемый теорией. Это доказывает, что научные тео-ретические разработки современных ученых не могут постигнуть всю глубину возможностей природы и, в том числе, внутренние силы воды.

До настоящего времени, несмотря на всестороннее изучение вихревого эф-фекта, многое остается неясным и до сих пор не создана адекватная общепринятая физико-математическая модель. Поэтому только экспериментальные исследования являются основным методом разработки, производства и внедрения оборудова-ния, которое используют в работе для закручивания потоков воды. Процессы, происходящие в спиральном винтовом вихре, ограниченном трубопроводной системой, следует относить к физическим явлениям, которые порождены внутрен-ним взаимодействием составляющих молекулы элементарных частиц и их связей. Изучение этих явлений следует осуществлять по законам квантовой физики, а рас-четы производить в статических единицах квантовой механики.

В закрученном потоке воды образуются два вихря: периферийный свободный вихрь и центральный (осевой) вынужденный вихрь. При чем, все энергетические процессы складываются из движения и превращения элементарных частиц моле-кул воды. Поэтому рассмотрение законов вихревого движения и его воздействие на изменение температуры жидкости, принимающей участие в физических преоб-разованиях, следует производить в вероятностных единицах квантовой механики.

Винтовое движение жидкости — это движение, при котором линии вих-рей во всех своих точках совпадают с линией токов. Каждая частица жидкости не только движется поступательно по своей траектории, но и вращается вокруг своей оси касательной к этой траектории в точке приложения самой частицы. При этом, за счет сдвига последовательных слоев жидкости относительно друг друга, порождается движение всей ее массы. То есть возникает вращение пото-ка вокруг своей продольной оси и одновременное осевое движение. Причина всякого движения жидкости лежит в неравенстве давления на ее граничных по-верхностях. Это неравенство давления является для воды движущей силой, на-правленной в сторону уменьшения давления. В спиральном водяном вихре про-является дуализм вращательных движений левостороннего и правостороннего

16 Section 2.

направлений, а именно: центростремительное и центробежное движение. При центростремительном вращении воды в трубе потоки воды стремятся к точке на оси потока, при этом, скорость растет пропорционально ½ ПR и происходит само ускорение потока. Давление в этой точке падает пропорционально V 2/2g. То есть возникает дополнительный, возрастающий к центру, градиент давления за счет разряжения (или проще «вакуума») в центральной части трубы в направ-лении оси движения. Глубина вакуума будет определяться линейной скоростью движения воды по спирали и длиной спирали, а также внутренним диаметром трубы. При движении по спирали, вода взаимодействует с воздухом, который первоначально находится в центральной части трубы. Формирование вакуума также происходит за счет трения и движения зарядовой массы в направлении оси распространения. Этот процесс сохраняется до тех пор, пока происходит движение воды. А градиент давления можно сравнить с дополнительной силой направленной внутрь потока, в точку. Следовательно, происходит увеличение энергии потока под воздействием окружающей среды, скорость увеличивается, кинетическая энергия возрастает и накапливается потенциальная энергия эле-ментарных частиц молекул воды и их связей. Как мы отмечали, вода проходит по двум различным дорожкам. Периферийные водные массы – по центробеж-ному пути (вода центробежной силой прижимается к стенкам), а центральный поток имеет центростремительный путь и представляет собой единый централь-ный спиральный поток. Разница между величинами центростремительной и цен-тробежными силами в теле вихря определяет его стремление восполнить потери энергии, потерянные им испусканием силы по направлению винтового движения вихря. А это стремление реализуется в сохранение линейной скорости потока за счет превышения величины центростремительной силы над силой центробеж-ной и, в то же время, позволяет вихрю получать энергию из засасываемой массы среды. Исследования показывают, что имеется возможность повысить скорости и кинетическую энергию вихревого потока воды путем изгиба рабочего трубо-провода. При движении потока воды по изогнутому каналу поток, в целом, вода движется по описанным ранее законам. Однако на наружной стенке изгиба вся первоначальная кинетическая энергия продольного движения потока перехо-дит в энергию потенциального давления потока. У наружной стенки возникает область повышенного давления. Набегая, по инерции, на наружную стенку из-гиба трубы, поток жидкости отходит от ее внутренней стенки, вдоль, которой давление падает, образуя область пониженного давления. Это создает на изгибе разность давления, которая вызывает внутри потока новое добавочное движе-ние в осевых сечениях трубы. Движение воды на изгибе трубопровода является винтовым движением. Во всех случаях вихревого вращения воды в трубе возни-кающий процесс движения является не рабочим, то есть первоначальная энергия

Innovations 17

движения воды сохраняется. Это происходит за счет сохранения энергетического потенциала молекул воды при обмене энергиями химических связей между во-дой и внешним фактором. В ограниченном вихревом движении обмен проис-ходит внутри тела водного потока. В процессе вихревого движения воды за счет разрыва химических связей и образования новых происходит переход молекул воды из одного энергетического состояния в другое или, точнее, деформация их энергетического состояния. И вот в этот момент происходит формирование циркуляции дополнительной энергии от внешней среды (тела водного пото-ка), которая направлена на исправление деформации. Что позволяет перевести вихревое движение воды в самопроизвольный процесс (не рабочее движение), без затраты внешней механической энергии вращения. Необходимо отметить: дополнительная энергия связи — это дополнительная энергия среды, возника-ющая под влиянием динамического взаимного объединения потенциалов всех существующих в природе материи энергетических полей, даже таких, о которых мы и не подозреваем. Эта дополнительная энергия связи возникает только при наличии процесса циркуляции и, причин вызывающих его, и пропадает сразу по-сле их исчезновения. Энергия связи аналогична энергии связи в химии и ядерной физике и напоминает квантование энергии.

С целью более глубокого понимания процессов квантования элементарных частиц для создания энергетических потенциалов, воздействующих на приведе-ние потока воды в «не рабочее движение», необходимо представить себе прин-ципы рождения сил вращения воды (центробежной и центростремительной). Согласно положениям квантовой механики ускоряемое тело излучает фотоны, то есть кусочки энергии (массы), в результате чего его потенциальная энергия увеличивается (потенция тела заключается в том, что поглощая фотоны тело сра-зу превращает их в свою кинетическую энергию). Фотоны это энергетические частицы, которые находятся в окружающем пространстве и в любом матери-альном теле (в том числе, в электроне). Мы живем в мире фотонов. Они способ-ствуют, своими перемещениями в элементах материальных тел и пространстве, перераспределению энергии для поддержания равновесного энергетического состояния вселенной. Все тела обладают способностью излучать и поглощать фотоны, обмениваясь ими между собой для обеспечения движения жизненных энергий. При поглощении телом (электроном) фотона, его внутренняя энергия будет конденсирована в массу электрона, а кинетическая энергия трансформи-руется в кинетическую энергию электрона. Все движущие силы, действующие на уровне вещества, инициированы преобразованиями, которые происходят в микромире элементарных частиц по законам квантовой механики и физики. В процессе своего движения электрон постоянно поглощает и излучает фотоны. При этом возникают инерционные силы сохранения равновесия импульса. При

18 Section 2.

поглощении фотона, то есть в условиях движения, когда электрон теряет энергию на ускорение скорости, возникает инерционная сила, направленная в сторону поглощения, в окружающее пространство. Из этого следует, что центробежную силу представляют из себя инерционные фотоны, которые генерируются телом при его ускорении. Соответственно, при излучении фотона или, по сути, излиш-ка внутренней энергии электрона, возникает инерционная сила импульса излу-чения фотона. Такая ситуация, например, может произойти при критическом натяжении связи электрона с ядром атома при ускорении движения электрона. Центростремительную силу можно представить в виде натяжения нити соединя-ющей ядро атома и электрон. Она возникает как ответный импульс поглощения фотона электроном. И также является инерционной силой сохранения импульса. Необходимо отметить, что такие же процессы происходят, в том случае, если роль «нити» исполняет гравитация. Просто близкодействие «нити» и тела заменено дальнодействием тела, излучающего фотоны гравитации, на притягиваемое тело. Здесь, единственно, важно, чтобы были пары (фотон-электрон). Атомная струк-тура молекулы воды представляет собой энергетически чрезвычайно плотное образование, ее нельзя сжать. И это состояние обеспечивается поддержанием энергетического равновесия взаимодействия частиц, за счет получения энергии из пространства путем поглощения свободных фотонов.

Нагрев и охлаждение — это первый и самый простой способ использования дополнительной энергии связи. При осевой циркуляции, вблизи оси вращения, происходит охлаждение материи потока, вызванное, во-первых, понижением давления, а во-вторых, в результате разрыва в молекуле химических связей водо-рода и кислорода. В связи с тем, что при разрушении молекулы воды происходит резкое поглощение тепла, среда охлаждается или теряет энергию. Известно, что понятие температуры — это вектор наличия изменения энергетического содер-жания структуры в сторону повышения или понижения содержания энергии (тепла). Здесь температуру можно рассматривать, как указатель того, что в си-стеме имеется определенный уровень квантовых превращений, а ее численное значение отображает направление и интенсивность квантовых преобразований. Процессы молекулярных и атомных преобразований в воде под воздействием спирального винтового вращения, которые ведут к изменению энергетического содержания молекул воды в направлении понижения ее температуры, происходят следующим образом. В связи тем, что вода имеет дипольную структуру с плюсом (+) в зоне водорода и минусом (–) в зоне кислорода, при вихревом движении про-исходит концентрация (+) в зоне вакуума и (–) в зоне максимального давления, или, точнее, у внутренней поверхности трубы. Диполи выстраиваются в строгой ориентации радиально по всей внутренней поверхности трубы. Молекулярная связь напрягается в результате такого движения, и начинает взаимодействовать

Innovations 19

с вакуумом, который сформировался за счет конструкции и условий движения, рассмотренных ранее. При растяжении молекулярной структуры воды, происхо-дит изменение углового строения, то есть происходит уменьшение угла 104,5 гра-дуса. В результате, равнобедренный треугольник взаимодействия кислорода с двумя атомами водорода вытягивается, напрягая при этом связи атомов водо-рода и кислорода. При растяжении молекулы происходит перетекание энергии из вакуума в зону взаимодействия кислорода и двух атомов водорода. Напряжен-ность связи определяет температуру, потому что меняется резонансная частота взаимодействия кислорода и водорода. Связь определяет также энергетическое состояние молекулы воды. В состоянии постоянного растяжения связи энергия увеличивается на отдачу в среду, то есть, напряжение связи повышает ее энергети-ческий потенциал и соответственно, температуру. Поэтому у внутренней стенки трубы температура воды повышается.

А при разрыве связей происходит обратный процесс с понижением темпера-туры у оси трубы. Так, при создании усилий, превышающих прочность воды, зна-чение которых колеблется от 280 кг/см 2 (для загрязненной воды) и 1500 кг/см 2 (для дистиллированной воды), происходит разрыв связи (она ломается) и про-исходит мгновенный переход энергии из связи в окружающую среду. При этом происходит мгновенное поглощение тепла из водной среды и понижение тем-пературы, вплоть до минусовых отметок. По предположениям ученых, в момент мгновенного разрушения связи (10–10 секунды), реальная температура в зоне быв-шей связи опускается до абсолютного нуля. Для реализации условий понижения температуры до +4 градусов, во всем теле вихревого потока, требуется создать вращательное движение с угловой скоростью от 12 000 до 15 000 об/минуту. Надо сказать, что высокая интенсивность процессов разрушения и возникнове-ния связей в воде определено ее особенной совокупностью молекул и наличия водородных связей. Молекулы воды расположены столь близко друг от друга, что между ними проявляются силы взаимного притяжения. Вместе с тем, в молеку-лярной структуре воды имеются свободные места – (дырки), и большинство мо-лекул, обладающих большой энергией, вырываются из своего «оседлого» места и скачком перемещаются в соседнюю «дырку» на расстоянии примерно равному размеру самой молекулы. Такое физическое состояние квантовых превращений в воде подтверждает высокую эффективность внутримолекулярных процессов охлаждения воды и показывает способность воды обходиться энергетическими взаимодействиями собственных молекул.

Следует отметить, что помимо энергетической составляющей, вода, про-шедшая спиральное винтовое вихревое движение и, соответственно, взаимодей-ствие с вакуумом, имеет новые свойства. Помимо того, что меняется pH (жест-кость воды) происходит очищение от химических примесей (они переходят

20 Section 2.

в нерастворимое состояние и выпадают в осадок). Ученые предполагают, что процессы вихревой обработки воды на квантовом уровне приводят ее к перво-родному состоянию качества.

На основании исследований спирального винтового водного вихря можно с достаточной долей уверенности утверждать, что разработка, производство и вне-дрение вихревых трубчатых генераторов позволит решить проблему охлаждения любых объемов горячей воды в небольшие промежутки времени до температур приближающихся к нулю градусов с минимальной затратой механической энер-гии, при использования внутренних энергетических возможностей самой воды.

Список литературы:1. Energy Evolution (Viktor Schauberger) – М. – Яуза, Яксмо, – 2007. – 320 с.2. Холодный синтез при пламенном электролизе воды. Katrinhappy, 09.03.2011,

проект заряд, рубрика: Холодный синтез. URL: http://zarruad.com.3. Вихревые теплоэнергетические устройства. Монографии. – 2007. Пензен-

ский Государственный университет.4. Вода и ее ионы. Канарев Ф. М. Сайт Ф. М. Канарева.5. Гидравлические основы физики свободных энергий В. П. Бердинских. Черкассы.6. Кванты и фотоны. You Tube. URL: http://www.youtube.com.7. Вихревые установки. Котловой Н. А. – Москва. 10 сентября – 2017.

Innovations 21

Section 3.Information technology

Ismailov Bahram Israfil,PhD, Docent, Azerbaijan State Oil and Industry University


CONTROL OF DYNAMIC PROCESSES OF POWER EQUIPMENT

Abstract: The report presents an approach to the analysis and control of com-plex vibration processes of power equipment in the context of the scientific field, the physics of open systems. The operation of a real nonlinear physical system is accompa-nied by the external, largely uncontrolled, effects of the environment on it. In connec-tion with this, it is of interest to study the mechanisms of the influence of influences on the behavior of a dynamical system operating in a chaotic regime.

Keywords: vibration, chaotic processes, physics of open systems, Poincare recur-rence, transience processes.

I. IntroductionWhen monitoring the vibration activity of power equipment, for example, a hy-

droelectric power plant, a complex vibration signal is observed. The sources of such signals are: pulsations of the turbulent flow of the energy carrier-water, cavitations processes, and friction processes in the supports, and the nature of the load variation at the output of the hydro generator, the effect of parallel hydraulic units, various resonances, and much more. The joint manifestation of the activity of all these sources of vibration leads to the generation of complex signals demonstrating chaotic dynam-ics. It is known that the possibility of amplifying or suppressing the randomness of the regime in nonlinear dynamical systems is of great practical importance. These control methods are based on the phenomenon of the sensitivity of a system with chaotic dynamics to small perturbations 1.

1 Ismailov B. I. Visualization of Measuring Experiments in a Context of Acceptance of the Decisions. 2nd world conference on soft computing. WConSC’12. – Baku, – 2012. – P. 97–102; Ismailov B. I. Monitoring and Control Equipment Vibration of Hydroelectric Power Station. Engineering Studies. Taylor & Francis journal. – Vol. 8. – Issue 3 (2). – 2016. – P. 441–444.

22 Section 3.

Registration and processing of the entire variety of the ongoing vibration pro-cesses allows us to identify the centers of negative vibration from the positions of the information object, dangerous trends in the development of controlled pa-rameters. Informative visualization of ongoing dynamic processes is an important fragment of ongoing research. A great help in assessing the dynamics of controlled nodes can be the construction of recurrent diagrams, based on visual images of which one can interpret the situation created and make a decision on the effect on the monitored node for suppressing or modifying the effect of its negative vi-bration activity 1.

II. Analysis and control of nonlinear systemsNow in science, more attention is paid to the role of chaos in the evaluation and man-

agement of the development processes of nonlinear systems, the features of the develop-ment of multidimensional processes in fractional chaotic systems. Moreover, the dynam-ics and evolution of open systems is described in terms of attractors, transient processes, stability, bifurcations, etc. As a result of such a change of structures, the system can fall into states, for example: chaos-quasiperiodicity, chaos-hyperhaos-chaos, hyperhaos-chaos-hyperchaos etc 2. The development of transient processes can depend on both internal and external disturbances. The foregoing is typical for the “open system” with the structure of studies of multidimensional chaotic, stochastic and kinetic systems (Fig. 1) 3.

The presented scheme of relationships and interrelations of problems, types of im-pacts and the main parameters of the monitored system shows the main provisions and structure of research. New opportunities in mathematics and theoretical physics of open systems allow us to consider systems whose order of differential operator is an arbitrary parameter. Here the fractional derivative index allows us to consider the singularities of open systems.

The accompanying impacts on the chaotic system of the transient process, the parameters of which change over time, are also of interest for determining the control

1 Hyo-Sung Ahn, Yong Quan Chen, and Kevin L. Moore. Iterative learning control: Brief Survey and Categorization. IEEE Transactions on Systems, Man, and Cybernetics – PARTC: Applications and Rev. – Vol. 37. – No. 6. – 2007. – P. 1099–1121.

2 González-Miranda J. M. Synchronization and Control of Chaos: An Introduction for Scientists and Engineers. Imperial College Press, – London, – 2004. – 212 p.

3 Tarasov V. E. The fractional oscillator as an open system [Text] / V. E. Tarasov // Cent. Eur. Phys. – 2012. 10 (2). – P. 382–389. doi 10.2478/s11534–012–0008–0; Vladimirsky E. I., Ismailov B. I. Drobnaya struktura “Peremeshivanie – transport” kak otkrytaya sistema. Vostochno-Evropejskij zhurnal peredovyh tekhnologij. Ukraina, Har’kov. – No. 4/4 (70). – 2014. – P. 4–9; Ismailov B. I. Poincare recurrence in open systems. Journal of Multidisciplinary Engineering Science and Technology. – Vol. 3. – Issue 9. – 2016. – P. 5565–5569; Vladimirsky E. I., Ismailov B. I. Sinergetics Principles of Poincare Recurrence in Open Systems Whith Generalized Memory. “Philosophy of Science”, – Vol. 83. – No. 5 (2). – 2016. – P. 1549–1557.

Information technology 23

strategy. The application of Poincare recurrence is an important aspect in the study of evolution and dynamics of transient processes 1.

Figure1. Research of fractional chaotic systems

Legend:fBm – fractional Brownian motion,fLevy – fractional Levy motion,Imp – impulsive function,fCN – fractional Colored noise,P – W – piecewise function,fGn – fractional Gaussian noise,q – p – quasi-periodic,1 Eckmann J. P., Kamphorst S., Oliffson., Ruelle D. Recurrence Plots of Dynamical Systems //

Europhysics Letters. 4 (9). – 1987. – P. 973–977.

24 Section 3.

ch – q-p – chaos – quasi-periodic,ch – stoch – chaos – stochastic,ch – hyp – ch – chaos – hyper-chaos,hyp – ch – hyp – hyper-chaos – chaos – hyper-chaos,bifur – bifurcation.FTE – fractional time evolution.The influence of various environmental factors causes a deviation of the state of

the open system from the equilibrium position and leads to: the emergence of cor-relation interactions between the individual elements of the system; violation of the properties of ergodicity, additivity and local equilibrium; reduction of entropy produc-tion; fractions of the internal structure; the search for a new stable state system and a search of possible structures 1.

It should be noted that the transient process can be caused both from the mani-festation of internal and external disturbances. Thus, models of strange kinetic phe-nomena in turbulent media are the Levi processes and random walks in fractal time 2.

III. Topological synchronization and topological controlAn example of the practical implementation of solving topological synchroniza-

tion problems and topological management, in contrast to the traditional approaches 3, can be a scheme of iterative learning (Fig.2) with a fractional order 4.

The scheme of iterative learning with fractional order is given as 5:U t F U t e tk p k k+

( ) ( ) = ( ) ( )( )α , ,

where: e t Y t Y tk d k( ) = ( ) − ( ) .

1 Tarasov V. E. The fractional oscillator as an open system [Text] / V. E. Tarasov // Cent. Eur. Phys. – 2012. 10 (2). – P. 382–389. doi 10.2478/s11534–012–0008–0; Vladimirsky E. I., Ismailov B. I. Sinergetics Principles of Poincare Recurrence in Open Systems Whith Generalized Memory. “Philosophy of Science”. – Vol. 83. – No.5 (2). – 2016. – P. 1549–1557.

2 Uchajkin V. V. Fraktal’nye bluzhdaniya i bluzhdaniya na fraktalah. ZHTF, – T. 74. – vyp. 7. – 2004. – P. 123–126; Laskin N. and all. Fractional Levy motion and its applications to network traffic modeling. Elsevier Computer Networks. – Vol. 40. – Issue 3. – 2002. – P. 363–375.

3 Afraymovich V., Ugalde E. Urias. Fraktalnyie razmernosti dlya vremen vozvrascheniya Puankare. – M.: Izhevsk: “Regulyarnaya i haoticheskaya dinamika”, Izhevskiy institut kompyuternyih issledovaniy, – 2011. – 292 p.

4 Vladimirsky E. I., Ismailov B. I. Synchronization. Control and Stability of Fractional Order Hyperchaotic Systems in The Context of The Generalized Memory. International Journal of New Technology and Research. – Vol. 1. – Issue 8. – 2015. – P. 42–48.

5 Hyo-Sung Ahn, Yong Quan Chen, and Kevin L. Moore. Iterative learning control: Brief Survey and Categorization. IEEE Transactions on Systems, Man, and Cybernetics – PARTC: Applications and Rev. – Vol. 37. – No. 6. – 2007. – P. 1099–1121; Vladimirsky E. I., Ismailov B. I. Topological control and stability of dynamic fractional order systems with generalized memory. Information Journal of Engineering Innovation Research. – Vol. 4. – Issue 3. – 2015. – P. 468–472.


Figure 2. The basic scheme of iterative learning control with Y td ( ) being the trajectory, U tk ( ) and Y tk ( ) the input signal

The procedure of iterative training and control includes steps on system simula-tion, topological synchronization, estimation of the Poincare return time spectrum, construction of a recurrence diagram, determination of system stability, and others 1.

ConclusionThe report presents the complexes of problems that must be solved at the angle

of the analysis of the Poincare recovery times. Special attention is paid to the use of multidimensional fractional chaotic systems for solving synchronization and control problems.

References:1. Ismailov B. I. Visualization of Measuring Experiments in a Context of Acceptance

of the Decisions. 2nd world conference on soft computing. WConSC’12. – Baku, – 2012. – P. 97–102.

2. Ismailov B. I. Monitoring and Control Equipment Vibration of Hydroelectric Power Station. Engineering Studies. Taylor & Francis journal. – Vol. 8. – Issue 3 (2). – 2016. – P. 441–444.

3. Eckmann J. P., Kamphorst S. Oliffson., Ruelle D. Recurrence Plots of Dynamical Systems // Europhysics Letters. 4 (9). – 1987. – P. 973–977.

4. González-Miranda J. M. Synchronization and Control of Chaos: An Introduction for Scientists and Engineers. Imperial College Press, – London, – 2004. – 212 p.

5. Tarasov V. E. The fractional oscillator as an open system [Text] / V. E. Tarasov //Cent. Eur. Phys. – 2012. 10 (2). – P. 382–389. doi 10.2478/s11534–012–0008–0.

1 Vladimirsky E. I., Ismailov B. I. Topological control and stability of dynamic fractional order systems with generalized memory. Information Journal of Engineering Innovation Research. – Vol. 4. – Issue 3. – 2015. – P. 468–472.

26 Section 3.

6. Vladimirsky E. I., Ismailov B. I. Drobnaya struktura “Peremeshivanie – transport” kak otkrytaya sistema. Vostochno-Evropejskij zhurnal peredovyh tekhnologij. Ukraina, Har’kov. – No. 4/4 (70). – 2014. – P. 4–9.

7. Ismailov B. I. Poincare recurrence in open systems. Journal of Multidisciplinary Engineering Science and Technology. – Vol. 3. – Issue 9. – 2016. – P. 5565–5569.

8. Vladimirsky E. I., Ismailov B. I. Sinergetics Principles of Poincare Recurrence in Open Systems Whith Generalized Memory. “Philosophy of Science”, – Vol. 83. – No. 5 (2). – 2016. – P. 1549–1557.

9. Uchajkin V. V. Fraktal’nye bluzhdaniya i bluzhdaniya na fraktalah. ZHTF, – T. 74. – vyp. 7. – 2004. – P. 123–126.

10. Laskin N. and all. Fractional Levy motion and its applications to network traffic modeling. Elsevier Computer Networks. – Vol. 40. – Issue 3. – 2002. – P. 363–375.

11. Afraymovich V., Ugalde E. Urias. Fraktalnyie razmernosti dlya vremen vozvra-scheniya Puankare. – M.: Izhevsk: “Regulyarnaya i haoticheskaya dinamika”, Izhevskiy institut kompyuternyih issledovaniy, – 2011. – 292 p.

12. Vladimirsky E. I., Ismailov B. I. Synchronization. Control and Stability of Frac-tional Order Hyperchaotic Systems in The Context of The Generalized Memory. International Journal of New Technology and Research. – Vol. 1. – Issue 8. – 2015. – P. 42–48.

13. Hyo-Sung Ahn, Yong Quan Chen, and Kevin L. Moore. Iterative learning control: Brief Survey and Categorization. IEEE Transactions on Systems, Man, and Cyber-netics – PARTC: Applications and Rev. – Vol. 37. – No. 6. – 2007. – P. 1099–1121.

14. Vladimirsky E. I., Ismailov B. I. Topological control and stability of dynamic frac-tional order systems with generalized memory. Information Journal of Engineer-ing Innovation Research. – Vol. 4. – Issue 3. – 2015. – P. 468–472.


Section 4.Materials Science

Bukleshev Dmitry Olegovich,graduate student SamSTU

Federal State Budgetary Educational Institution of High Education“Samara State Technical University”,


RESEARCH OF TUBE STEEL STRUCTURAL CHANGES IN THE WELD-AFFECTED ZONE IN THE COURSE OF

WELDING. RESIDUAL STRESS FORMATIONAbstract: The review of studies devoted to the research of phase and structural

transformations mainly in tube low-alloyed steel of 09G2S and 17G1S type is carried out. The influence of structural and phase discontinuity on mechanical properties is considered as well.

In the first turn, the general issues of steel welded joint zoning, reflecting the na-ture of phase and structural transformations, are covered. Three main zones are con-sidered in the study: welded joint, heat-affected zone, and base metal. Each specified zone is characterized by its own properties.

While analyzing data reflecting the nature of phase and structural transformations of 09G2S steel, the dependence of material yield strength on ferrite and bainite volume ratio in structure is established.

Keywords: welding, tube steel, structural transformations, phase, heat-affected zone, weld-affected zone, strain.

IntroductionDue to the fact that the main oil and gas production regions are located in the

North and the main consumers are in the central and western part of Russia, it has be-come necessary to construct the network of powerful buried long-distance pipe lines. Complex geological and climatic conditions, demanding requirements to pipe reliabil-ity during operation increase requirements to their strength and plastic properties 1.

1 Technology and equipment of pipe production: College textbook / V. Y. Osadchiy, A. S. Vavilin, V. G. Zimovets, A. P. Kolikov – M.: Intermet Engineering, – 2001. – 608 p.

28 Section 4.

A basic element of a gas pipeline system includes pipes made of steel. Pipe coupling into a single structure is carried out by means of discharge welding. It is a well-known fact that this way of fixed joint constructing involves local metal heating by the concentrated energy sources and is characterized by sharp local temperature increase and the same sharp cooling due to heat rejection into sur-rounding cold metal 1. This results in thermal, straining, physical and chemical transformations in a welded joint. At the same time, a weak component in welded constructions often includes not only a welded joint which is formed by melted liquid metal but a weld-affected zone (WAZ) where the steel has phase and struc-tural transformations resulted from both heating, and cooling. That produces an extremely negative effect on fracture resistance.

In this regard, studying the process of metal recrystallization in a heat-affected zone (HAZ) and search of new tool to study the structure of welded joint WAZ is of a great importance.

Recrystallization in steel when weldingThe researches of phase and structural transformations during steel welding heat-

ing – 20 steel, 19G1S, 20GL, 40G, 20HGSNM steel – were carried out in the work 2.The researches have shown that there are various transformations in HAZ related

to metal heating during welding up to the temperatures below Ас1 (tempering zone), of intercritical Ac1–Ac3 interval (incomplete recrystallization zone) 3, above Ас3 (full recrystallization zone) and above 1200 °C (thermal overload zone and weldment).

Steel structure is significantly changed in HAZ, which is caused by transforma-tions when heating α →γ and cooling γ → α. A zone heated up to tempering tempera-tures tends to result in martensite decay with oval-shaped cement carbide particles release (fig. 1).

(Figure 1). In the structure where there is a transition from the tempering zone to the zone where heating temperature is a little higher than Ас1, lenticular shaped austenite grains located on the rack boundaries of initial α– phase are observed.

1 Grabin V. F., Denisenko A. V. Welding metallography of low and medium alloy steel. – Kiev: Naukova dumka, – 1978. – 276 p; Technology of electrical welding of metals and alloys by melting / Under the editorship of B. E. Paton. – M.: Mechanical engineering, – 1974. – 768 p.

2 Shapovalova Y. D. Cand. Tech. Sci. (Kursk State Agricultural Academy), Efimenko L. A., Dr. Sci. Tech. (Russian State University of Oil and Gas named by Gubkin I. M.), Konovalova O. V., Cand.Tech.Sci. (ANO Gazpromenergodiagnostika). Influence of structural and phase formulation of low-alloyed low-steels on interrelation of endurance strength and yielding. Journal: Welding and Diagnostics – No. 1. – 2011. – P. 18–21.

3 Bukleshev D. O. Defect formation in the weld-affected zones of welded joints in gas pipelines under the influence of operational loads [Text]. Journal: Pipeline Transport. Theory and practice. – No. 1 (53). – 2016. – M.: VNIIST, – 2016. – P. 31–35.

Materials Science 29

a) b)

Figure 1. Microstructure of HAZ zone at the discharge welding of 20HGSNM steel, corresponding to heating up to tempering temperatures:

а, b – a bright-field and dark-field image in reflex (100) γ respectively

There are globular austenite grains, sized 2–3 microns (fig. 2), in the areas of the structure which underwent the heating up to the temperature corresponding to the middle of an intercritical interval. When cooling, martensite or bainit transformation takes place there. In the persistent areas of α – phase there is a process of dislocation formation into polygonal walls, there is coalescence of separate subgrains in close ori-entations, forming larger and less dense dislocations of ferrite areas (fig. 2).

a) b)

Figure 2. Globular grains in HAZ zone structure of the welded joint of 20HGSNM steel heating up to the temperatures of intercritical

Ас1 – Ас3 interval during laser (a) and discharge (b) welding

30 Section 4.

a) b)

Figure 3. HAZ zone HAZ zone in the welded joint of 20HGSNM steel heating up to the temperatures of an intercritical

Ас1 –Ас3 interval during laser (a) and discharge (b) welding

Equiaxial austenite grains appearing in the course of heating undergo γ → α – trans-formation with rack structure martensite formation with a big dislocation concentra-tion when cooling after welding and therefore they considerably differ from a matrix in contrast (see fig. 3).

With the increase of heating temperature γ – phase ratio increases, austenitic grains sized 2–5 microns fill the entire structure, absorbing an austenitic and ferritic matrix. Recrystallization ends with the formation of separate disorienting austenite grains where extremely fine-needled martensite or bainite structure is formed after cooling (fig. 4).

a) b)

Figure 4. Full recrystallization area structure in HAZ of welded joint of 20HGSNM steel during laser (а) (bright-field image) and

discharge welding (dark-field image in reflex (200) γ)


With the increase of heating temperature more than Ас3 the ratio of globular austenite grains sized 2–5 microns increases, it increases filling the entire structure (fig. 5, a). When cooling, austenite globules undergo martensite or bainite transfor-mation resulting in a formation of small, 0,1–0,3 microns wide, α – phase racks, al-ternating with residual austenite layers of 20–40 nanometers thick, which is properly observed in the dark-field image (fig. 5, b).

a) b)

c)Figure 5. Microstructure of HAZ overheated area in the welded joint of 20HGSNM steel during laser (а); one-head (b) and two-

head; (c) welding (dark-field image in reflex (200) γ)

With the increase of the heating maximum temperature reaching more than 1200 °C at the overheated zone, the ratio of globular austenite grains considerably in-creases and near the weld fusion boundary the reach up to 50 microns during laser

32 Section 4.

welding and up to 400–500 microns during discharge welding. When cooling after laser welding, overheated zone metal undergoes γ → α – transformation with the sub-sequent rack martensite formation (fig. 5, a). In discharge welding after cooling, steel structure changes from predominantly bainite in full recrystallization zone to mixed rack martensite and a small amount of bainite in the overheated zone (fig. 5, b).

Thus, when heating, the recrystallization process has two phases in the course of laser or discharge welding: the first phase includes ordered oriented austenite forma-tion, the second phase includes recrystallization development in an intercritical interval.

Conclusion. In the course of welding heating when welding tube gas transmittal pipelines, there are structural and mechanical transformations (recrystallization) in WAZ which are caused by a temperature gradient. As a result, WAZ structurally dif-fers in joint metal and the basic pipe metal. This heterogeneity leads to residual strain. They are referred to the major part of pipeline failures, they are the main source of the damages such as corrosion cracks. In the zones of strain concentration, there is heterogeneity of steady potential which are responsible for intensity of corrosion and mechanical failure development. Therefore, it is important to research structural trans-formations into WAZ to control and forecast gas transmission system durability.

The analysis of metallographical tests determined that WAZ metal’s yield strength and endurance strength values for the low-alloyed 09G2S, 17G1S and 10H2GNM steels are substantially determined by ferrite or bainite volume ratio in the ultimate structure.

Recrystallization of 20HGSNM steel when heating in the course of laser or dis-charge welding has two phases: the first phase includes ordered oriented austenite formation, the second phase includes recrystallization development in an intercriti-cal interval.

Data analysis of fractal and multifractal parametrization to obtain measurable parameters in the form of special indicators of structural heterogeneity of tube steel welded joints confirms the essential changes of structural and mechanical conditions of an object upon basic metal – WAZ – weld joint metal transition.

This work can be used when developing a new tool for welded joint diagnostics which will consider the structure and stress-strain material condition at the same time.

References:1. Technology and equipment of pipe production: College textbook / V. Y. Osad-

chiy, A. S. Vavilin, V. G. Zimovets, A. P. Kolikov – M.: Intermet Engineering, – 2001. – 608 p.

2. Grabin V. F., Denisenko A. V. Welding metallography of low and medium alloy steel. – Kiev: Naukova dumka, – 1978. – 276 p.

3. Technology of electrical welding of metals and alloys by melting / Under the editorship of B. E. Paton. – M.: Mechanical engineering, – 1974. – 768 p.


4. Shapovalova Y. D. Cand. Tech. Sci. (Kursk State Agricultural Academy), Efimen-ko L. A., Dr. Sci. Tech. (Russian State University of Oil and Gas named by Gub-kin I. M.), Konovalova O. V., Cand.Tech.Sci. (ANO Gazpromenergodiagnostika). Influence of structural and phase formulation of low-alloyed low-steels on inter-relation of endurance strength and yielding. Journal: Welding and Diagnostics – No. 1. – 2011. – P. 18–21.

5. Bukleshev D. O. Defect formation in the weld-affected zones of welded joints in gas pipelines under the influence of operational loads [Text]. Journal: Pipeline Transport. Theory and practice. – No. 1 (53). – 2016. – M.: VNIIST, – 2016. – P. 31–35.

34 Section 4.

Section 5.Machinery construction

Voronina Valeriia Yurievna,Vladimir State University (VLSU),

employee, student design bureau “Chronos”E-mail: [email protected]

Moryakova Alena Yurievna,Vladimir State University (VLSU),


Trushnikova Anastasia Sergeevna,Vladimir State University (VLSU),


A DEVICE FOR MEASURING PULSE ACCELERATIONВоронина Валерия Юрьевна,

Владимирский государственный университет имениАлександра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых (ВлГУ),студент, сотрудник студенческого конструкторского бюро «Хронос»

E-mail: [email protected]Морякова Алена Юрьевна,


E-mail: [email protected]Трушникова Анастасия Сергеевна,



УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ИМПУЛЬСНОГО УСКОРЕНИЯ

При экспериментальном исследовании различных изделий необходимо из-мерять величину импульсных ускорений. В рядах случаев направление ускорения

Machinery construction 35

неизвестно. Патентно – информационный обзор показывает, что существующие акселерометры позволяют измерять ускорение только по одному направлению 1.

Предлагаем основные технические решения по созданию устройства для из-мерения импульсных ускорений в произвольном направлении – (рис. 1–4).

Устройство для измерения импульсных ускорений состоит из двух блоков – датчика и электронного блока.

Датчик содержит чувствительный элемент (первичный преобразователь в виде груза 1 цилиндрической формы из магнитопроводного материала, который за-креплен зачеканкой в средней части натянутой стальной проволоки круглого сече-ния – растяжки 2. Монтажной основой датчика является корпус 3 цилиндрической формы, к которому снизу (здесь и далее ориентация чертежа) винтами 4 прикру-чена пластина 5, а сверху также винтами 6 втулка 7, к которой методом закатки по контуру прикреплена мембрана 8, выполняющая функцию пружины для реали-зации усилия натяжения растяжки. Крепление концов растяжки цанговое. Верхняя цанга 9 развальцовкой закреплена в центральном отверстии мембраны и имеет гайку 10. Нижняя цанга 11 в нижней части имеет хвостовик квадратного сечения, который входит в аналогичное отверстие пластины 5. Нижняя цанга имеет резь-бовое отверстие для натяжного винта 12. Пря этой цанге имеется зажимная гайка 13. Предусмотрена гайка 14, блокирующая нарушение исходной настройки на-тяжения растяжки винтом 12. Сверху мембрана закрыта крышкой 15. На верхней лицевой плоскости крышки изображен стилизованный круг, по которому в круж-ках проставлены номера катушек вторичного преобразователя от 1 до n. Крышка крепится винтами 16 в однозначном положении, чтобы радиальные направления на одноименные катушки и номера на крышке совпадали.

Вторичное преобразование датчика индукционного типа. Имеется кольцевой постоянный магнит осевой намагниченности 17, снизу которого размещен шай-бообразныймагнитопровод 18, а сверху – n электрических катушек 9, намотан-ных на каркасах 20, и nмагнитопроводов 21 лепестковой формы. Перечисленные элементы присоединены к корпусу немагнитопроводными (латунь) винтами 22. Электрические выводы катушек с применением кольцевой кроссплаты 23 под-ключены к разъему 24. В результате в этой конструкции в исходном состоянии образуется n одинаковых магнитных потоков.

При смещении груза перпендикулярно оси растяжки изменится магнитное сопротивление зазоров, что приведет к изменению магнитных потоков Φ. В со-ответствии с законом электромагнитной индукции Фарадея это приводит к по-явлению в катушках 16 ЭДС

1 Датчик ускорения. Патент RU2247992 С2, МПК G01 Р 15/02. Опубл. 10.03.2005; Датчик абсолютных колебаний. Патент RU2063000, МПК G01 Н 9/00. Опубл. 27.06.1996; Преобразователь инерциальной информации. Патент RU2199755 С1, МПК G01 Р 15/13, 9/02. Опубл. 27.02.2003.

36 Section 5.

Рисунок 1. Осевой разрез датчика Рисунок 2. Разрез А-А по рисунок 1.

edФdt

= − . (1)Пренебрегая малым по отношению к зазору магнитным сопротивлением

магнитопроводов (μ>>μ0) магнитный поток для одного вторичного преобразо-вателя равен

Φ =B S

lrµ0

2

, (2)где Br – индукция остаточного намагничивания магнита 14;

S – сечение зазора;l – длинна зазора;μ0 – магнитная проницаемость вакуума. По магнитным свойствам воздух

близок к вакууму.Величина зазора пропорциональна ускорению a и боковой жесткости С рас-

тяжки l M a C= · · , (3)

где М – масса груза 1.Заменим постоянные параметры в формулах (2), (3) обобщенным коэффи-

циентом К, получим

dФdt

Kdldt

= − (4)

В соответствии с формулой (4) при импульсном ускорении смещение груза 1 приводят к появлению в катушках ЭДС е по форме близкой к фиг. 3. В момент времени ty инерционная сила F=m·a будет уравновешена растяжкой


M a Cl· = (5)

Рисунок 3. Эпюры ЭДС электрических катушек вторичного преобразования

и груз остановится. Поскольку в это время импульсы ускорения заканчива-ется, то начинается с ty груз будет смещаться под действием упругости дефор-мированной растяжки обратно к положению равновесия. Далее будем наблю-дать затухающие колебания груза, а на катушках – затухающую синусоиду ЭДС (на рис. 3 не показано).

Принцип работы электронного блока основан на том, что амплитуда и крутиз-на фронта положительного импульса ЭДС будут тем больше, чем быстрее умень-шается магнитный зазор. Пусть направление измеряемого ускорения направлено радиально по i-ому магнитопроводу 21. Тогда эпюре ЭДС i-ой катушки 19 будет соответствовать верхняя кривая на рис. 3. На части других катушек, в цепи ко-торых магнитные зазоры также уменьшаются, амплитуды и крутизны импульсов ЭДС будут меньше. На другой части катушек, в цепи которых магнитные зазоры увеличиваются, ЭДС будет иметь обратный знак. Задав определенный пороговый уровень e0 по рис. 3 видим, что первой по времени появится ЭДС i-й катушки.

Рисунок 4. Функциональная схема электронного блока

38 Section 5.

Функциональную схему электронного блока составляют n ограничите-лей уровня 25 ЭДС катушек 19 датчика. Выходы ограничителей подключены к установочным входам входных RS триггеров 26, вторые входы которых об-разуют шину сброса, управляемую кнопкой 27. Прямые выходы RS триггеров являются входами n-входового логического элемента ИЛИ 28, выход которого соединен с измерителем амплитуды 29, имеющем m выходов. Каждый из выхо-дов измерителя амплитуды через вторые RS триггеры 30 соединен со входами шифратора 31, а выход последнего подключен к цифровому табло индикатора 32.

Шифратор 31 электронного блока формирует из логической единицы с выхо-дов RS триггеров 30 цифровой позиционный код для цифрового табло индикатора в соответствии с используемой микросхемой. Например, пусть логической единице на выходе i-го триггера 30 соответствует значение амплитуды ускорения 785 м/с 2.

Работает устройство для измерения импульсных ускорений следующим об-разом. Устанавливают на объекте исследования датчик устройства таким обра-зом, чтобы неизвестное по амплитуде и направлению ускорение было в плоскости перпендикулярной оси датчика, т. е. в плоскости перпендикулярной растяжке. Измеряемое при этом ускорение смещает груз 1, при этом будут изменяться за-зоры между грузом, шайбообразныммагнитопроводом 18 и лепестковыми маг-нитопроводами 21. Изменение зазоров приведет к изменению магнитных пото-ков постоянного магнита 17, пронизывающих витки электрических катушек 19. В катушках будет индуцироваться ЭДС в соответствии с формулой (1). На части катушек, где зазор уменьшается, ЭДС будет иметь положительный знак, на дру-гой части отрицательный. Максимальный по амплитуде положительный импульс появится на той катушке, при которой зазор уменьшается наиболее быстро. Это радиальное направление и будет направлением действия измеряемого ускорения. Данному импульсу ЭДС соответствует и наибольшая крутизна переднего фронта, следовательно, на некотором уровне e0 по времени он будет первым – см. рис. 3.

Ограничитель уровня 25 выделит номер этого импульса (номер катушки), а триггер 26 запомнит этот номер. Одновременно все положительные импульсы катушек через разделительные диоды (на рис. 4 не показаны, т. к. могут входить в со-став компаратора 29 а) поступают на вход измерителя амплитуды 29, точнее на его компаратор. При этом полагаем, что используется положительная логика, т. е. напря-жение питания микросхем плюсом. Измеритель амплитуды 29 выделит максималь-ный уровень амплитуды с принятой дискретностью, определяемой количеством m резисторов его делителя. Этот уровень будет зафиксирован соответствующим триг-гером 30. Шифратор 31 данного триггера противопоставляет его номеру (от 1 до m) цифровой десятичный код, который отражается на цифровом табло индикатора 32.

Как было отмечено выше, направление действия измеряемого импульса ускорения зафиксировано одним из входных триггеров 26. Потенциал прямого


выхода сработавшего входного триггера обеспечит высвечивание этого номе-ра светодиода 33 индикатора 32. Поскольку стилизованный корпус с номерами катушек на крышке 15 датчика соответствует номерам светодиодов 33 индика-тора 32, то оператор определяет направление измеряемого импульса ускорения.

Таким образом, предлагаемое устройство для измерения импульсных ускорений позволяет определить амплитуду и направление ускорения объекта исследований.

Список литературы:1. Датчик ускорения. Патент RU2247992 С2, МПК G01 Р 15/02. Опубл.

10.03.2005.2. Устройство для измерения виброускорений. Патент RU2454645 С1, МПК

G01 М 7/02; G01 Р 15/093. Опубл. 27.06.2012.

40 Section 5.

Glavchev Mikhail Dmitrievich,employee, student design bureau “Chronos”

Vladimir State University (VLSU),E-mail: [email protected]

Chernysheva Anastasia Sergeevna,employee, student design bureau “Chronos”


Rameikova Anastasia Andreevna,employee, student design bureau “Chronos”


A DEVICE FOR MEASURING HYSTERESIS FRICTION IN A MATERIAL

Главчев Михаил Дмитриевич,студент, сотрудник студенческого конструкторского бюро «Хронос»

Владимирский государственный университет имениАлександра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых (ВлГУ),

E-mail: [email protected]Чернышева Анастасия Сергеевна,

студент, сотрудник студенческого конструкторского бюро «Хронос»Владимирский государственный университет имени

Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых (ВлГУ),E-mail: [email protected]

Рамейкова Анастасия Андреевна,студент, сотрудник студенческого конструкторского бюро «Хронос»



УСТАНОВКА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ГИСТЕРЕЗИСНОГО ТРЕНИЯ В МАТЕРИАЛЕ

Методы и применяемое оборудование для испытания материалов системати-зированы в монографии Л. М. Школьника. Большинство установок используют циклическое нагружение образца, т. е. колебания в той или иной форме. Широко используются вынужденные колебания, когда устройство нагружения выполнено


на основе 1. В ряде случаев целесообразнее применять автоколебания 2. Известные методы и установки для испытания материалов позволяют выявить параметры вну-треннего трения косвенно, через уравнение движения, что приводит к большим погрешностям. Предлагаем основные конструктивные решения по созданию уста-новки для определения внутреннего (гистерезисного) трения – (рис. 1–4).

Установка состоит из устройства нагружения и электронного блока (на при-лагаемых чертежах не показан). Устройство нагружения содержит датчик скоро-сти и измеритель амплитуды. Электронный блок предназначен для электропита-ния измерителя амплитуды и обработки первичной информации.

Рисунок 1. Конструктивная схема установки

Рисунок 2. Устройство измерителя амплитуды

Устройство нагружения выполнено в виде массивного маятника, содержащего жесткую часть, составленную из стержня 1 и линзы 2. Линза представляет собой за-крываемый объем, в котором помещаются добавочные грузы 3 массой mдоб, без на-рушения внешней поверхности. На конце стержня 1 закреплена магнитная система датчика скорости, составленная из магнитопровода 4 и двух постоянных магнитов 5 осевой намагниченности с образованием магнитного зазора в плоскости колебаний маятника. Жесткая часть маятника выполнена таким образом, что ее центр масс на-ходится в центре 0 л линзы. Дополнительные грузы имеют форму дисков или шайб и их установка в линзу не изменяет положения центра масс жесткой части маятника.

1 Школьник Л. М. Методика усталостных испытаний / Л. М. Школьник. – М.: Металлургия, – 1978. – 204 с.

2 Установка для ускоренных испытаний материалов на усталость. Патент RU 108843 МПК G01N 3/32./А. Н. Сушина, Н. А. Елгаев, Л. Н. Шарыгин. Опубл. 27.09.2011.

42 Section 5.

В точке 0 основания 6 установки помещен пассивный захват. Активный захват установлен в точке 0 а в верхней части стержня 1. В захваты устанавливается либо технологический подвес 7, либо образец материала.

В зазоре магнитной системы установлена в положении равновесия маятника неподвижная электрическая катушка 8. Катушка совместно с магнитной систе-мой образует датчик скорости. Электронный блок формирует прямоугольный импульс длительностью tu, соответствующей времени движения на угле λ.

Имеется измеритель амплитуды колебаний маятника оптического типа. В со-став измерителя амплитуды входит неподвижный осветитель 9, который форми-рует луч света с оптической риской. На стержне маятника закреплено плоское зер-кало 10. Отраженный от зеркала луч осветителя попадает на неподвижную шкалу 11. Пользователь будет наблюдать на шкале световое пятно с оптической риской.

Обратимся к принципу определения внутреннего трения в материале. Будем рассматривать общий случай – образцы материала имеют разные типоразмеры. Воспользуемся методом моделей (6).

Принимаем 1-ю физическую модель маятника в виде консервативной систе-мы с технологическим подвесом удовлетворяющим условию

m m m доб7 1 0 1− << + (1)где m7–1 – масса технологического подвеса;

m0 – масса жесткой части маятника.Положим также, что технологический подвес изготовлен с малой изгибной

жесткостью D7–1. Тогда восстанавливающий момент от силы тяжести окажется существенно больше от восстанавливающего момента от сил упругости техно-логического подвеса

g m m Dдоб0 1 7 1+( ) >> −φ φ . (2)Конструктивно технологический подвес, удовлетворяющий условиям (1)

и (2) может быть изготовлен из материала с высоким значением предела про-порциональности и малым сечением, удовлетворяющим условию прочности, на-пример из сплава Н41ХТА.

Для 1-й физической модели консервативной системы, удовлетворяющей ус-ловиям (1) и (2), воспользовавшись методом Лагранжа при малых отклонениях φ маятника получим математическую модель в форме периода колебаний

Tm m d l

m m g d ld l

gдоб П

доб П

П1

0 1

2

0 1

2 2=+( ) +( )+( ) +( )

=+π π , (3)

где – g – ускорение силы тяжести;d, lП – обозначены на (рис. 1).Примем 2-ю физическую модель маятника в виде консервативной системы,

в которой в качестве подвеса применен образец материала, имеющий статическую


изгибную жесткость D7–2. По аналогии для 2-й модели период колебаний будет равен

Tm m d l

m m g d l Dдоб П

доб П

20 2

2

0 2 7 2

22

=+( ) +( )

+( ) +( ) + −

π . (4)

Для определенности заметим, что жесткость D7–2 это параметр закона Гука – см. функцию г-г на рис. 3. D7–2 = tg α в размерностях координат и определяется при статическом нагружении.

Однако реальные системы являются нелинейными и диссипативными. В 1-й модели следует учесть потери энергии при колебаниях на вязкое трение (трение о воздух) с моментом

М hВ = φ , (5)где h – коэффициент вязкого трения;

φ – угловая скорость.

Рисунок 3. Форма петли меха-нического гистерезиса

Рисунок 4. Огибающие амплитуд свобод-ных колебаний

Потерями энергии на образование сигнала датчика скорости можно прене-бречь, т. к. потребляемый формирователем tu электронного блока ток катушки 8 пренебрежимо мал.

По вышеприведенному условию грузы mдоб не изменяют форму маятника, поэ-тому для 2-й модели момент вязкого трения будет определятся по этой же формуле.

Но в диссипативной модели 2-й системы добавляется к моменту МВ момент МН на внутреннее трение в образце материала

М fН = ( )φ . (6)

Вид функции (6) приведен на (рис. 3.)Интегральным показателем внутреннего трения в материале является пло-

щадь петли механического гистерезиса

44 Section 5.

W М dН Н φϕ

ϕ

−

+

∫ . (7)Принцип выявления параметра (7) удобно пояснить по (рис. 4), где показаны

огибающие амплитуд с технологическим подвесом – график 1 и с подвесом в виде образца материала – график 2 при условии

Т1 = Т2. (8)Графики наглядно показывают, что время движения ∆t2φ маятника при нали-

чии суммарного (вязкого и внутреннего) трения на участке амплитуд φmax – φmin меньше, чем время движения ∆t1φ на том же участке при наличии только вязкого трения. Амплитудные графики (рис. 4) отражают потери энергии при колебани-ях маятника в потенциальной форме.

Переходя к кинетическим энергиям получим для фиксированной амплитуды измерения φu за один период колебания

W W W I IН K K= − = −2 1 2 22

1 121

212

φ φ , (9)

где I1, I2 – соответственно моменты инерции маятника с технологическим под-весом и с подвесом из образца материала.

Значения угловых скоростей φ определяются временем движения tu на угле λ

φ λ=

Rtu

. (10)

С учетом формул (9), (10) получим

WR

It

ItH

u u

= −

λ 2

22

22

12

12. (11)

Формула (11) позволяет проектировать установки для разных типоразмеров образцов. В частном случае рабочая длина lП одного типоразмера образцов по-стоянна. Тогда геометрические параметры установки: lП, d, λ, R и момент инерции маятника I1

I m d lП1 0

2= +( )

являются константами установки и могут быть записаны во флеш-память элек-тронного блока.

Заметим, что коэффициент вязкого трения h зависит от формы маятника (по-стоянная величина) и плотности воздуха, которая является функцией барометри-ческого давления и влажности.

Пользуются установкой для определения внутреннего трения в материале следующим образом.

1. Устанавливают в захваты технологический подвес. Этому подвесу соответ-ствует период колебания маятника T1. На измерительной амплитуде φu (20–30°) фиксируют в электронном блоке значение tu1.


2. Устанавливают в захваты образец материала. Подбором добавочного груза mдоб добиваются значения периода колебаний Т1 = Т2. По причине неизахрон-ности колебаний это равенство предпочтительно реализовывать при небольших амплитудах (несколько градусов).

3. Заносят значения mдоб во флеш-память электронного блока.4. Фиксируют в электронном блоке первичный параметр tu на амплитуде из-

мерения φu.5. Переводят электронный блок в режим вычисления по формуле (11), где I I m d lдоб П2 1

2= + +( ) .

Результат измерения потерь энергии на внутреннее трение за один цикл (период) нагружения образца материала получают на индикаторе электронного блока.

Таким образом, предлагаемая установка для определения внутреннего трения в материале позволяет непосредственно выявить искомый параметр в единицах измеряемой величины, что обеспечивает необходимую точность определения внутреннего трения в материале. Установка конструктивно проста и не требует высокой квалификации оператора при проведении испытаний.

Список литературы:1. Школьник Л. М. Методика усталостных испытаний/Л. М. Школьник. – М.:

Металлургия, – 1978. – 204 с.2. Установка для ускоренных испытаний материалов на усталость. Патент

RU 108843 МПК G01N 3/32./А. Н. Сушина, Н. А. Елгаев, Л. Н. Шарыгин. Опубл. 27.09.2011.

46 Section 5.

Zheltukhina Lyubov Viktorovna,employee student design bureau “Chronos”


Nikitayeva Tatyana Vasilevna,employee student design bureau “Chronos”

Vladimir State University (VLSU)E-mail: [email protected]

INSTALLATION FOR ACCELERATED MATERIAL TESTING

Желтухина Любовь Викторовна,студент, сотрудник студенческого конструкторского бюро «Хронос»


E-mail: [email protected]Никитаева Татьяна Васильевна,



УСТАНОВКА ДЛЯ УСКОРЕННЫХ ИСПЫТАНИЙ МАТЕРИАЛОВ

Процесс испытаний материалов на усталость является трудоемким и дли-тельным (10 7 циклов и более). Поэтому задача сокращения трудоемкости весь-ма актуальна. Основы теории испытаний изложены в работах 1. В дальнейшем конструкции установок совершенствовались, но в основу их работы положены три режима – свободных колебаний 2, автоколебаний 3, вынужденных колебаний 4.

1 Школьник Л. М. Скорость роста трещин и живучесть металла. – М.: Металлургия, – 1973. – 216 с; Школьник Л. М. Методика усталостных испытаний. Справочник. М.: Металлургия, – 1978. – 304 с.

2 Способ определения усталостного повреждения материала: авт.свид. 905721 СССР: МПК G01N 3/32.Опубл. 15.02.1982, Бюл.№ 6; Установка для испытания материалов на усталость: пат. на изобретение 2373512 Рос. Федерация: МПК G01N 3/32. Опубл. 20.11.2009.

3 Установка для испытаний образцов на усталость: авт. свид. 1755110 СССР: МПК G01N 3/38. Опубл. 15.08.1992, Бюл. № 30.

4 Установка для испытания группы образцов на усталость: пат. на изобретение 2017122 Рос. Федерация: МПК G01N 3/32. Опубл. 30.07.1994; Установка для усталостных испытаний образцов материалов: пат. на изобретение 2051359 Рос. Федерации: МПК G01N 3/32. Опубл. 27.12.1995.


Во всех случаях функция нагружения близка к гармонической. Снижение времени испытаний за счет увеличения частоты ограничено эффектом запаздывания пла-стической деформации относительно прилагаемой силы 1.

Предлагаем установку, функция нагружения которой учитывает указанный эффект 2. Конструктивные решения отражены на (рис. 1, 2); графики (рис. 3) по-казывают стилизованные функции перемещения и скорости активного захвата.

Принцип работы установки удобно пояснить на основе физической модели. Предварительно рассмотрим модель в виде колебательной консервативной си-стемы, содержащей консольный образец 3 с жесткостью C3 и массой m4 на конце (приведенная масса образца с массой захвата 4 и стержня 5). Такая система будет совершать колебания по закону

x X tm= sinω , где ω = C m3 4/ (1)Теперь учтем упругие упоры. В момент времени t=t1 масса m4 встретит упор.

В этот момент скорость m4 равна

Xdxdt

X tm1 1= = ω ωcos (2)а ее кинетическая энергия

E m Xk1 4 12 2= / . (3)

Рисунок 1. Конструктивная схема установки:1 – основание, 2 – пассивный захват, 3 – образец, 4 – активный захват, 5 – магнитопроводный стержень;

6, 7 – катушки, 8–9 – упоры, 10,11,12,13 – соответственно корпус, поршень, пружина и гайка упора, 14 – винт, 15 – источник электропитания

1 Школьник Л. М. Методика усталостных испытаний. Справочник. – М.: Металлургия, – 1978. – 113 с.

2 Установка для ускоренных испытаний материалов на усталость: заявка 2010145074/28 (064982) от 3.11.2010 МПК G01N 3/32/ А. Н. Сушина, Н. А. Елгаев, Л. Н. Шарыгин.

48 Section 5.

Рисунок 2. Электрическая принципиальная схема формирования импульсов привода (СФИП)

Кинетическая энергия (3) будет расходоваться на деформацию пружины 12 упора и дополнительную деформацию образца 3. На участке 1–2 (рис. 3) будем наблюдать замедление скорости X . В точке 2 вся кинетическая энергия перейдет в потенциальную, следовательно X 2 0= . Далее за счет потенциальных энергий образца и пружины упора масса m4 начнет ускоренно двигаться в обратном на-правлении – участок 2–3. Начиная с точки 3 система будет двигаться свободно по закону (1) пока не встретит второй упор – точка 5. На втором упоре процесс повторяется.

В результате закон перемещения активного захвата оказывается примерно трапециидальным (сплошная линия на рис. 3). Площадки выстоя 1–2, 5–6, 9–10… на максимальных напряжениях образца позволяют обеспечить время на процес-сы пластической деформации образца. При этом время движения на участках 2–5, 6–9… может быть предельно малым, за счет этого уменьшается период цикла (Тц < Т), что приводит к сокращению времени испытаний. Реальная система не консервативна. Для компенсации потерь энергии предусмотрены неподвиж-ные катушки 6 (W0) и 7 (Wu), подключенные через СФИП к источнику электро-питания. При колебаниях за счет магнитопроводного стержня 5 в катушках ин-дуцируется ЭДС, пропорциональная подмагничивающему току и скорости стержня. Для наглядности функция скорости на фиг. 3 в некоторых точках со-вмещена с функцией перемещения, поэтому масштабы графиков деформированы. При достижении скорости стержня величины Xсм ЭДС в катушке W0 будет иметь уровень e0 см. Потенциал источника смещения Eсм (фиг. 2) принят равным этому потенциалу. Следовательно, транзистор VT1 откроется при этом потенциале и сформирует импульс длительностью tu – см.фиг. 3. Усиленный каскадом на тран-зисторе VT2 данный импульс откроет ключевой транзистор VT3 и через катуш-ку Wu 7 пройдет импульс тока. Магнитное поле катушки обеспечит взаимодей-ствие с магнитопроводным стержнем 5, т. е. механический импульс привода.


Энергия импульса будет компенсировать потери энергии в системе. Важно, что импульс симметричен положению равновесия системы, его влияние на частоту колебаний минимально.

Рисунок 3. Графики перемещения и скорости активного захвата перемещение свободной консервативной системы;

перемещение с учетом упоров; скорость

Пользователь для выбора параметров функции нагружения имеет возмож-ность смещать исходное положение упругих упоров 8, 9 и регулировать энергию подводимого через катушку привода Wu импульса уровнями питания Е и сме-щения E см источника 15. При необходимости возможно применение пружин 12 упоров другой жесткости. Окончание испытаний образца определяется про-граммой испытаний, при этом, как правило, измеряют количество циклов нагру-жения (в данном случае количество импульсов tu) или время.

Список литературы:1. Школьник Л. М. Скорость роста трещин и живучесть металла. – М.: Метал-

лургия, – 1973. – 216 с.2. Школьник Л. М. Методика усталостных испытаний. Справочник. – М.: Ме-

таллургия, – 1978. – 304 с.3. Способ определения усталостного повреждения материала: авт.свид.

905721 СССР: МПК G01N 3 / 32. Опубл. 15.02.1982, Бюл. – № 6.4. Установка для испытания материалов на усталость: пат. на изобретение

2373512 Рос. Федерация: МПК G01N 3/32. Опубл. 20.11.2009.5. Установка для испытаний образцов на усталость: авт. свид. 1755110 СССР:

МПК G01N 3/38. Опубл. 15.08.1992, Бюл. – № 30.

50 Section 5.

6. Установка для испытания группы образцов на усталость: пат. на изобретение 2017122 Рос. Федерация: МПК G01N 3/32. Опубл. 30.07.1994.

7. Установка для усталостных испытаний образцов материалов: пат. на изобре-тение 2051359 Рос. Федерации: МПК G01N 3/32. Опубл. 27.12.1995.

8. Установка для ускоренных испытаний материалов на усталость: заявка 2010145074/28 (064982) от 3.11.2010 МПК G01N 3/32/А. Н. Сушина, Н. А. Елгаев, Л. Н. Шарыгин.


Zaytseva Alena Alexandrovna,student, employee of the student design bureau “Chronos”

Vladimir State University,E-mail: [email protected]

Ivanova Galina Mihaylovna,student, employee of the student design bureau “Chronos”


BALL FLOWMETERЗайцева Алёна Александровна,

студент, сотрудник студенческого конструкционного бюро «Хронос» Владимирский государственный университет

имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых(ВлГУ),

E-mail: [email protected]Иванова Галина Михайловна,

студент, сотрудник студенческого конструкционного бюро «Хронос» Владимирский государственный университет

имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых(ВлГУ),


ШАРИКОВЫЙ РАСХОДОМЕТРШариковыми расходомерами называются тахометрические расходомеры,

подвижный элемент которых – шарик – непрерывно двигается по кругу. Это дви-жение обеспечивается или винтовым направляющим аппаратом, закручивающим поток, или тангенциальным подводом измеряемого вещества.

На (рис. 1) показаны основные типы преобразователей шариковых расхо-домеров.

Основное применение получил преобразователь (рис. 1, а) с винтовым на-правляющим аппаратом 1. Поток, закрученный в последнем, приводит в движе-ние ферромагнитный шарик 5 по окружности трубы. Частота вращения шарика по кругу преобразуется в электрический частотный сигнал индукционным или индуктивным преобразователем 2. Ограничительное кольцо 3 удерживает шарик от перемещения вдоль оси трубы. Для выпрямления потока на выходе служат неподвижные лопасти 4. Преобразователи с тангенциальным подводом измеря-емого вещества (рис. 1, б, в) применяются для измерения малых расходов. Они проще и опасность засорения у них меньше.

52 Section 5.

Рисунок 1. Основные типы первичных преобразователей шариковых расходомеров

Во всех случаях шар под действием центробежной силы прижимается к вну-тренней поверхности трубы (рис. 1, а) или камеры (рис. 1, б, в), а под действием осевой скорости потока (рис. 1, а) или веса (рис. 1, б, в) – к ограничительному кольцу. При этом возникают силы механического трения, которые вместе с вяз-костным трением жидкости тормозят шар.

В результате окружная скорость центра шара Vш отстаёт от соответствующей окружной скорости потока V. Это отставание оценивается скольжением Sш

SV V

Vшш

=−( )

(1)Очевидно V kQ= 0 , а f V rш= / 2π , (2)

где Q0 – объемный расход,k – коэффициент пропорциональности,f – частота электрических импульсов в тахометрическом преобразователе,r – радиус вращения центра шара.Совместное решение уравнений (1) и (2) даёт

fkQ S

rш=

−( )0 1

2π. (3)

Как показывает формула (3) пропорциональность между f и Q0 реализует-ся только при постоянстве скольжения Sш , которое в значительной степени


зависит от постоянства коэффициента лобового сопротивления шара CH , опре-деляемого из выражения

F С d V Vш ш ш= −� � π ρ2 2 2( ) / , (4)

где F – давление жидкости на шар диаметром dш ,ρ – плотность жидкости.Расчеты показывают 1, что наибольшее постоянство коэффициент Cш сохраняет

в области чисел Рейнольдса от 103 до 105 . Уменьшение массы шарика снижает сколь-жение Sш и улучшает пропорциональность между f и Q0 . Испытания двух шариков, имевших d ммш = 38 и массу 24 и 2 г, дали соответственно значения Sш 10 и 2%.

Отмеченные особенности шариковых расходомеров нашли отражение в из-вестных конструкциях НИИтеплоприбор – «Сатурн», «Шторм-8 А», «Шторм-32 М», ШРТ и фирмы Bopp Reuter. Во всех случаях шар выполнен из ферромагнит-ного материала и имеет достаточно большую массу. Вторичные преобразователи индукционного или индуктивного типа не позволяют получить большой крутизны фронтов электрических импульсов, что снижает точность измерения расхода. Рас-ходомеры фирмы Bopp Reuter и расходомер ШРТ НИИтеплоприбора выполнены с тангенциальным подводом измеряемого вещества и не учитывают кольцевой по-ток в первичном преобразователе, поэтому они измеряют усредненное значение нестационарных потоков, т.е не выявляют функцию расхода Q tf0 = ( ) � .

Рисунок 2. Разрез по плоскости стыка корпуса первичного преобразователя

1 Кремлевский П. П. Расходомеры и счетчики количества: Справочник. – 4 е изд., перераб. и доп. – Л.: Машиностроение, – 1989. – 701 с; Способ измерения расхода среды и устройство для его осуществления. Патент RU2314496 МПК G01F 1/20, 15/12./Ю. А. Кузьма-Китча, О. С. Степанов, Г. И. Кикнадзе и др. Опубл.10.03.2002.

54 Section 5.

Предлагаем основные конструктивные решения, устраняющие недостатки известных расходомеров. На (рис. 2) дан разрез первичного преобразователя; на (рис. 3) приведена функциональная схема расходомера.

Рисунок 3. Функциональная схема расходомера

Корпус первичного преобразователя выполнен из двух симметричных полу-корпусов 1 с образованием кольцевого канала 2 круглого сечения. Для наглядности на (рис. 2) плоскость стыка полукорпусов заштрихована. С кольцевым каналом со-единены каналы 3, 4 патрубков 5, 6 для подключения внешних трубопроводов. За-метим, что в силу симметрии функции входного и выходного патрубков выбирают-ся произвольно. В каналах патрубков установлены перегородки 7, 8 исключающие попадание шарика 9 из кольцевого канала в каналы патрубков. Шарик 9 выполнен в виде пустотелой сферы из пластмассы на основе фторопласта, что минимизирует силу трения относительно поверхности кольцевого канала. Технологически масса шарика может быть доведена до долей грамма при диаметре до 40 мм. Каждый полукорпус имеет отверстия 10, 11 для выполнения вторичного преобразователя. Вторичный преобразователь двухканальный. Каждый канал содержит оптическую пару инфракрасного диапазона при отверстиях 10, 11. Оптическая пара составлена из светодиода и фотодиода. Светодиоды смонтированы асимметрично по внешней стороне одного полукорпуса, а фотодиоды – по внешней стороне другого полу-корпуса. Поскольку применены типовые свето- и фотодиоды, то на (рис. 2) они не отражены. Оба полукорпуса соединены группой болтов 12.

Таким образом, в этой конструкции при прохождении измеряемой среды от входного патрубка (пусть это будет патрубок 6) к выходному 5 общий поток будет проходить около оптической пары при отверстии 11, а часть потока за-кольцовывается и проходит около второй оптической пары при отверстии 10. В стационарном режиме кольцевой поток постоянен и не влияет на величину выходного потока из патрубка 5. Но в динамическом режиме это постоянство нарушается, тогда выходной поток в патрубке 5 Q0 будет равен общему, проход-ному потоку в зоне вторичного преобразователя 11 Qпр за вычетом кольцевой составляющей в зоне вторичного преобразователя 10Qкольц

Q Q Qпр кольц= −� � (5)На выходе каждого вторичного преобразователя длительность электриче-

ского импульса определяется временем прохождения шариком оптического луча


tdVи

ш= . (6)

Учитывая формулы (2), (4) получим

� �Q kdt tш

ипр икольц

02 1 1

= −( ) , (7)

где tипр – длительность импульса в зоне проходного потока (точка 11 по рис. 2),tикольц – длительность импульса в зоне кольцевого потока (точка 10 по рис. 2).Обратимся к обработке сигналов вторичных преобразователей – оптопар.

При малых расходах Q0 скорости потока в зоне вторичных преобразователей окажутся также малыми. Это приведет к низкой крутизне фронтов электрических импульсов.

Для увеличения крутизны фронтов сигналы оптопар проходного преобразо-вателя 13 (см. рис. 3) и кольцевого преобразователя 14, установленных соответ-ственно в точках 11 и 10 первичного преобразователя 15 (рис. 2) преобразуются в прямоугольную форму формирователями 16, 17. Формирователи могут быть схематически реализованы из последовательно соединенных типовых операци-онных усилителей и триггеров Шмидта. Вычисление результатов измерения целе-сообразно вести в цифровой форме с помощью микроконтроллера 18. Результат вычислений при динамических режимах следует записать во флешпамять или ком-пьютер 19. Если расходомер проектируется только для статических измерений, то выходной результат можно отразить цифровым индикатором.

Список литературы:1. Кремлевский П. П. Расходомеры и счетчики количества: Справочник. – 4-е

изд., перераб. и доп. – Л.: Машиностроение, – 1989. – 701 с.2. Способ измерения расхода среды и устройство для его осуществления. Па-

тент RU2314496 МПК G01F 1/20, 15/12./Ю. А. Кузьма-Китча, О. С. Степа-нов, Г. И. Кикнадзе и др. Опубл.10.03.2002.

56 Section 5.

Ivanova Galina Mihailovna,student, employee student design bureau “Chronos”

Vladimir State University (VlSU)E-mail: [email protected]

Voronina Valery Yurievna,student, employee student design bureau “Chronos”

Vladimir State UniversityE-mail: [email protected]

DEVICE FOR FIRE REGISTRATION

Иванова Галина Михайловна,студент, сотрудник студенческого конструкторского бюро «Хронос»


E-mail: [email protected]Воронина Валерия Юрьевна,



УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕГИСТРАЦИИ ПОЖАРА

Обычно системы пожарно-охранной сигнализации содержат пожарные из-вещатели, соединенные с чувствительными элементами (сенсорами), которые изменяют свои параметры под воздействием факторов возгорания – темпера-туры, задымленности и т. п. Извещатели размещают в каждом контролируемом помещении и соединяют линиями связи (шлейфами) с приемным прибором.

В устройстве 1 применен электронный блок, который предполагает 4-х прово-дную связь. Основу теплового пожарного извещателя 2 образует тепловой сенсор контактного типа. Система пожарно-охранной сигнализации 3 построена на ос-нове микропроцессоров с рядом обслуживающих функциональных устройств.

1 Автономная система пожарной сигнализации. Заявка на изобретение № 2013103871/6 (005588) от 29.01.2013, МПК G08B 17/10/Е. И. Тукан и др.

2 Система пожарно-охранной сигнализации. Патент RU2274902C2, МПК G08B17/10./ В. Г. Гробов и др. Опубл. 20.04.2006.

3 Тепловой пожарный извещатель. Патент RU 2386175, МПК G08B 17/00./В. А. Абушкевич и др. Опубл. 10.04.2010.


Рисунок 1. Конструктивная схема

Краткий обзор известных систем показывает, что они достаточно сложны и предусматривают многопроводные линии связи.

Предлагаем основные технические решения по созданию устройства для регистрации пожара минимизирующие количество проводов в линии связи – (см. рис. 1…8). Предлагаемое устройство содержит группу пожарных извеща-телей по количеству контролируемых помещений, вторичный прибор (пульт) и линию связи.

Конструкция извещателя приведена на (рис. 1). Имеется корпус 1, в котором винтами 2 закреплена печатная плата 3, с установленными на ней сверху электрон-ными компонентами в соответствии с функциональной схемой (рис. 5). Выводы электронных компонентов соединены через разъем 4 и линию связи с вторичным прибором (рис. 7). чувствительным элементом извещателя служит цилиндриче-ский конденсатор, образованный внешней обкладкой 5 и внутренней обкладкой 6. Эти обкладки закреплены на плате 3, а их форма показана на (рис. 2, 3). Чув-ствительный элемент защищен от механических повреждений при эксплуатации сетчатым колпаком 7 (см. рис. 4). В центре платы 3 установлен светодиод 8 ин-дикации запыленности. Смонтированный извещатель с помощью резьбы соеди-няется с потолочной розеткой 9.

Величина электрической емкости цилиндрического конденсатора, образо-ванная обкладками 5–6, равна

Cl

rr

a*

ln=

2

5

6

πε, (1)

58 Section 5.

где ε ε εa = 0 – абсолютная диэлектрическая проницаемость промежутка;l – длина цилиндрической части обкладки 5; r r5 6, – соответственно внутренний радиус обкладки 5 и внешний радиус об-

кладки 6.

Рисунок 2. Форма внешней обкладки

конденсаторРисунок 3. Форма внутренней об-

кладки конденсатора

Этот конденсатор включен в схему автогенератора Gп (см. рис. 6), построен-ного на полевом транзисторе VT1. Частота автоколебаний определяется емко-стью C* и индуктивностью L1 первичной обмотки I трансформатора цепи стока транзистора

fL C

п =1

2 1π *. (2)

Электропитание E на генератор Gп для сохранения фазировки поступает на отвод первичной обмотки трансформатора, цепь обратной связи образова-на конденсатором C1 и резистором R1. Стабилизация режима в функции тем-пературы обеспечивается цепью истока – конденсатором C3 и резистором R2. Сигнал синусоидальной формы выводится с обмотки II через разделительный конденсатор C4.

Рисунок 4. Форма защитная колпака

Принцип работы извещателя заключается в следующем. При отсутствие за-дымления за счет общего запыления помещения пыль оседает на обкладки 5, 6 конденсатора. В результате медленно возрастает относительная диэлектриче-ская проницаемость ε емкостного промежутка. В соответствии с формулой (1) емкость C* возрастает – кривая 1 на (рис. 8), что приводит к медленному


уменьшению частоты fп извещателя. При возникновении возгорания дым запол-няет емкостной промежуток и емкость C* очень быстро возрастает – см. кривую 2 на (рис. 8). Этот факт служит основанием для выработки сигнала тревоги.

Рисунок 5. Функциональная схема извещателя

Рисунок 6. Электрическая принципиальная схема автогенератора

Обработка первичной частоты fп генератора Gп осуществляется по функциональ-ной схеме (рис. 5). Гармонический сигнал fп преобразуется формирователем F1 в по-следовательность импульсов прямоугольной формы – меандр – с длительностью

tf

L Cu

п

= =1

2 1π * . (3)

Далее измеряется длительность tu этих импульсов. Для этого служит высоко-частотный измерительный генератор Gu с частотой fu. Формирователь F2 пре-образует гармоническую форму сигнала fu в последовательность коротких пря-моугольных импульсов этой же частоты. Частота fu уменьшается делителем Ku до частоты fK. Оба сигнала поступают на входы 1-го конъюнктора, на выходе ко-торого образуется последовательность коротких импульсов частоты fK в течение

60 Section 5.

времени tu. Эта последовательность заполняет n-разрядный счетчик T-1, пред-ставляющий собой линейку счетных триггеров. Сброс счетчика T-1 осуществля-ется по цепи F3. Цепь сброса представляет собой последовательно соединенные дифференцирующую RC-цепь, инвертор и линию задержки. Состояние счетчика T-1 переводится в позиционный код дешифратором DS.

С учетом формул (1), (3) и графика рис. 8 видно, что большему значению εa будет соответствовать более высокий номер возбужденной выходной шины дешифратора. Для исключения ложных срабатываний задаются скачком ∆εa между уровнем запыления εaз � и уровнем εад задымления. Этим уровням абсо-лютной диэлектрической проницаемости будут соответствовать возбужденные шины дешифратора iaз и iaд. С учетом дискретности следует считать, что инфор-мация достоверна в окрестностях ±1 шина. Такое объединение осуществляет-ся по цепи запыления дизъюнктором 1, а по цепи задымления дизъюнктором 2. Выходные сигналы этих дизъюнкторов устанавливают в единичное состояние RS триггеры, соответственно, T2 и T3.

Таким образом, при достижении допустимого уровня запыленности уста-новится в единичное состояние триггер T2, а при задымлении – T3. Триггер запыленности T2 включает светодиод 8 – см. (рис. 1). Сброс триггеров T2, T3 осуществляется кнопкой Кн.для того чтобы использовать один провод в об-щем шлейфе применено частотное разделение сигналов тревоги. С этой целью в каждом извещателе частота fu измерительного генератора Gu выбирается для каждого помещения своя, а чтобы основная часть схемы была одинаковой при-менен делитель частоты с коэффициентом деления Ku. Тогда частота на выходе делителя будет одинакова для всех извещателей

f fKK

u

u

= . (4)

Рисунок 7. Электрическая принципиальная схема одного канала приемного прибора


Рисунок 8. Зависимости абсолютной диэлектрической проницаемости во времени: 1 – влияние запыленности; 2 – влияние дыма

Для передачи частоты fu (значит номера помещения) служит симметричный конъюнктор 2.

Приемный прибор (пульт) своими выходами подключен к общей линии связи, применительно к (рис. 5) к выходам конъюнктора 2, и содержит каналы по коли-честву пожарных извещателей. Каждый канал (рис. 7) составлен последовательно соединенными электрическим фильтром 10, выпрямителем 11 и блоком индика-ции в составе электронного ключа 12 с оптическим индикатором 13. Предусмо-трем источник электропитания 14 общий для всех каналов.

Электрический фильтр 10 представляет собой последовательный резонанс-ный контур, составленный емкостью C5* и электрической катушкой индуктивно-стью L. Резонансная частота контура

fLC

ф =1

25 5*. (5)

Каждый канал настраивается на частоту fu «своего» извещателя путем под-бора емкости C5* выдерживая условие fu = fф. выпрямитель 11 и ключ 12 обычного исполнения. В качестве оптического индикатора использован светодиод VD5.

В целом, устройство для регистрации пожара работает следующим образом. При обычной эксплуатации за счет накопления пыли на обкладках 5, 6 (рис. 1) диэлектрическая проницаемость промежутка медленно (растет кривая 1 на рис. 8), и в момент времени t2 достигает предельного значения εaз . При этом срабатывает триггер Т2, что приводит к высвечиванию светодиода 8 на извеща-теле. Это сигнал к плановому техобслуживанию.

В случае появления дыма в момент t1 εa возрастает быстро – кривая 2 на (рис. 8), это приводит к срабатыванию триггера Т-3 и гармонический сигнал fu через конъ-юнктор 2 будет поступать по общему сигнальному проводу на все входы приемного прибора. Настроенный на частоту fu входной фильтр выделит этот сигнал и обеспе-чит высвечивание индикатора 13 (рис. 7) указывая номер помещения.

62 Section 5.

Таким образом, предлагаемое устройство для регистрации пожара кон-структивно просто, функциональная схема построена на типовых элементах электроники. Минимизировано количество проводников на общем участке ли-нии связи извещателей со вторичным прибором.

Список литературы:1. Автономная система пожарной сигнализации. Заявка на изобретение

№ 2013103871/6 (005588) от 29.01.2013, МПК G08B 17/10/Е. И. Тукан и др.2. Система пожарно-охранной сигнализации. Патент RU2274902C2, МПК

G08B17/10./ В. Г. Гробов и др. Опубл. 20.04.2006.3. Тепловой пожарный извещатель. Патент RU 2386175, МПК G08B

17/00./ В. А. Абушкевич и др. Опубл. 10.04.20104. Устройство для регистрации пожара. Патент RU2372663, МПК G08B

17/00./ В. В. Баков и др. Опубл. 10.11.2009.5. Устройство аварийной пожарной сигнализации. Патент RU2438183, МПК

G08B 17/00, 17/06; H0Y 85/00/О. П. Ильин. Опубл. 27–12–2011.


Makurina Viktoria Alekseevna,student, employee of student design bureau “Chronos”

Tihomirova Svetlana Andreevna,Vladimir State University,

E-mail: [email protected] Svetlana Andreevna,

student, employee of student design bureau “Chronos”Vladimir State University,


TWO-STEP REDUCTIONМакурина Виктория Алексеевна,

студент, сотрудник студенческогоконструкторского бюро «Хронос»

Владимирский государственный университетимени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых,

E-mail: [email protected]Тихомирова Светлана Андреевна,

студент, сотрудник студенческогоконструкторского бюро «Хронос»



ДВУХСТУПЕНЧАТЫЙ РЕДУКТОРВ системах электропривода различных механизмов широкое распространение

получили зубчатые редукторы, которые обеспечивают понижение частоты враще-ния вала электродвигателя до требуемого значения исполнительных механизмов. Часто по условиям работы исполнительных механизмов необходимо изменять частоту вращения выходного вала редуктора (изменять его передаточное число). Обычно для этого в конструкцию редуктора вводят блок шестерен, при осевом перемещении которого выводится из зацепления одно зубчатое колесо и вводится другое. Но для реализации этого перемещения требуется дополнительный привод. Кроме того, при переключении происходит разрыв кинематической цепи привода, что иногда недопустимо по условиям работы исполнительного механизма.

Предлагается простая конструкция редуктора – см. рис. – в которой сту-пенчатое изменение передаточного числа осуществляется за счет реверса при-водного электродвигателя.

64 Section 5.

Рисунок1. Конструктивная схема редуктора; 1 – гипоидное колесо, 2 – гипоидная шестерня, 3 – червячное колесо, 4 – червяк,

5 – вал электродвигателя (входной вал), 6-электродвигатель, 7 – выходной вал, 8 – ролик обгонной муфты

В редукторе применены две гиперболоидные зубчатые передачи. Одна зубчатая передача – гипоидная – содержит колесо 1 и шестерню 2, другая – червячная – ко-лесо 3 и червяк 4. Шестерня 2 и червяк 4 установлены на валу 5 электродвигателя привода 6. Обе зубчатые передачи находятся в постоянном зацеплении. Оба колеса 1 и 3 установлены на выходном валу 7 с помощью муфт свободного хода (обгонных).

На рис. показан фрагмент одной муфты, где виден один паз колеса 3 и подпру-жиненный ролик 8. Муфты обеих колес однонаправлены, т. е. муфты заклинивают колеса с валом 7 только при одном направлении вращения колес – по рис. – это по часовой стрелке.

Работает редуктор следующим образом. При одном направлении вращения вала 5 колесо 1 вращается по часовой стрелке, а колесо 3 против часовой стрелки. При этом муфта колеса 1 обеспечивает его сцепление с выходным валом 7 – вал будет вращаться по часовой стрелке. В это время муфта колеса 3 разъединена, следовательно, колесо 3 вращается свободно. Для этого направления вращения вала 5 передаточное число составит

izz1

1

2

=

где z z1 2, – числа зубцов, соответственно колеса 1 и шестерни 2.При реверсе электродвигателя направления вращения обеих колес изменится.

Соответственно муфта колеса 1 расцепится, колесо будет вращаться свободно.


Но муфта колеса 3 заклинит его с валом 7. Выходной вал 7 будет вращаться в том же направлении, а передаточное число редуктора будет равно

i zz23

4

=

где z z3 4, – соответственно числа зубцов колеса 3 и число заходов червяка 4.Таким образом, предлагаемый редуктор отличается простотой конструкции,

может быть реализован с большой разницей передаточных чисел ступеней, обе-спечивает переключение без разрыва кинематической цепи.

Список литературы:1. Дунаев П. Ф. Конструирование узлов и деталей машин: Учеб. пособие для ву-

зов / П. Ф. Дунаев, О. П. Леликов. – 12-е изд., стер. – М.: Издательский центр «Академия», – 2009. – 496 с.

2. Иосилевич Г. Б. Прикладная механика: Для студ. вузов / Г. Б. Иосилевич, П. А. Лебедев, В. С. Стреляев. – М.: Машиностроение, – 1985. – 576 с.

3. Шарыгин Л. Н., Оленев Е. А. Двухступенчатый редуктор. А. С. № 1441112 МПК F16H 1 /16, 3/10.

66 Section 5.

Makurina Viktoria Alekseevna,student, employee of student design bureau “Chronos”,


Potapov Georgiy Kahaberovich,student, employee of student design bureau “Chronos”,


Sharugin Lev Nikolaevich,Ph. D., Professor of the Department

Vladimir State University,of Technological and Economic Education


FLUID MIXTURE LIQUID

Макурина Виктория Алексеевна,студент, сотрудник студенческого конструкторского бюро «Хронос»,


E-mail: [email protected]Потапов Георгий Кахаберович,

студент, сотрудник студенческого конструкторского бюро «Хронос»,Владимирский государственный университет

имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых,E-mail: [email protected]

Шарыгин Лев Николаевичк. т.н, профессор кафедры технологического и экономического образования



ВИБРОСМЕСИТЕЛЬ ЖИДКОСТИ

Известные смесители жидкостей чаще всего используют лопаточное пере-мешивание. В этом случае массу дозы каждого компонента определяют отдельно с использованием весов.

Предлагаем конструкцию смесителя, которая позволяет дозировать компо-ненты смеси в процессе добавления каждого компонента. Для решения задачи


воспользуемся методом автоколебаний, который нашел применение для измере-ния расходов жидкостей 1 и массы 2.

Вибросмеситель жидкостей в своей основе имеет колебательное звено, со-ставленное из упругого элемента – мембраны 1 и инерционной массы, состав-ленной контейнером 2, магнитной системой, состоящей из П-образного магнито провода 3 и двух постоянных магнитов 4 осевой намагниченности, и соединитель-ного стержня 5. Мембрана по наружному контуру завальцована во внутреннюю часть 6 платформы. На этой же части закреплена бифилярная (намотанная в два провода) катушка 7. В исходном положении осевые линии катушки и постоянных магнитов совмещены. Катушка совместно с магнитной системой образует датчик.

Рисунок 1. Конструктивная схема устройства для взвешивания массы

в невесомости

Рисунок 2. Электрическая прин-ципиальная схема электронного

ключа

Конструкция содержит внешнюю часть 8 платформы, форма которой опре-делится условиями крепления на объекте. Внутренняя часть 6 и внешняя часть 8 соединены упругими звеньями 9. В качестве этих упругих звеньев можно ис-пользовать стандартные виброопоры при этом общую (суммарную) жёсткость звеньев 9 можно реализовать их количеством.

Для обеспечения автоколебательного режима имеется блок управления 10 с индикатором 11. Ключ блока управления построен на транзисторе VT — (см. рис. 2).

Круговая частота автоколебаний зависит от измеряемой массы

nК

mH

= � (1)

где К – жёсткость мембраны;

1 Способ измерения массового расхода жидкости и устройство для его осуществления. Авт. свид. SU1817533 МПК G01F 25/00./ Е. А. Оленев, Л. Н. Шарыгин. Опубл. 11.10.1992.

2 Шарыгин, Л. Н. Автоколебательные системы в средствах измерения и контроля: учеб. пособие / Л. Н. Шарыгин, А. А. Сорокин. – Владимир: изд-во «Атлас», – 2016. – 205 с.

68 Section 5.

m m mH u= + 0 ;mu – измеряемый параметр;m0 – константа прибора – величина инерционной массы колебательного зве-

на при отсутствии измеряемого тела (жидкости).Найдем конструктивные соотношения. Для этого воспользуемся методом

моделей.Физическая модель изображена на (рис. 3-а). Приняты обозначения:m m mH u= + 0 – инерционная масса колебательного звена;m6 – масса внутренней части платформы;m8 – масса внешней части платформы;К1 – жесткость мембраны;К9 – жесткость упругого звена платформы.

Рисунок 3. Физическая модель устройства

Принятой модели консервативной системы соответствует при колебаниях система уравнений

m К

m

К К

К

H H H

Н

χ χ

χ χχ χ

χ

χ χ χχ

+ −( ) =

− −( ) + −( ) =− −

1 6

6 1 6 9 6 8

8 8 9 6

0

0

;

;¨

88 0( ) =

.

(2)

Корни этого уравнения

nn n К К

m m mmn

n nm mH H

H

H12

2 3862

62

862

62 2

6 8

1 96 80

2 4= =

+±

+( )− + +; ,� � �� (( ) � � �. (3)

Обозначено

1 1 1 1

8 6

9

6

1 862

m m m mК К n

H

+

= +

=� � �

Первые два корня n12 0= � соответствуют движению системы без деформации

упругих элементов К и К1 9� � . Два других действительных корня характеризуют ча-стоты двух форм колебаний. Знаку плюс в формуле (3) соответствуют синфазное


движение масс m и m6 8� . Это форма колебаний является неустойчивой. За счёт при-соединённой массы объекта колебание переходит в форму (устойчивую), изобра-жённую на рис. 3-б, этой форме колебаний соответствует знак минус в формуле (3).

Рассмотрим режим смешивания, для этого обратимся к поведению жидкости при колебаниях.

При движении сосуда вверх, после прохождения им положения статическо-го равновесия. Нижние слои жидкости в сосуде вследствие изменения скорости колебаний будут сжаты остальной массой жидкости. Это вызовет повышение давления в жидкости

∆ρ ρ= � жcv , (5)где ∆ρ – приращение давления в жидкости H м2 ;

c – скорость распространения звука в жидкости, м с ;v – начальное значение скорости жидкости, м с .Скорость распространения звука в жидкости равна

cж

= � 1ρ

, (6)

где χ – показатель сжимаемости жидкости, м Н2

.Начальное значение скорости в положении статического равновесия v A nm= , (7)

поэтому подставляя выражения (6, 7) в уравнение (5) и учитывая, что скорость за время действия гидравлического удара изменяется от 0 до A nm � получим

∆ρ ρ= �A nm

ж

. (8)

Жидкости обладают ничтожной сжимаемостью. Изменение объема при из-менении давления ∆ρ равно

∆ ∆V = ρ�V , (9)Так как объем жидкости

Vmu

ж

=ρ

, (10)

то

∆ ∆Vmu

ж

= ρρ

�V . (11)

Подставив в уравнение (11) выражение (8), получим

∆V m A nu m

ж

=ρ

. (12)

Умножая обе части на уравнения (12) на ∆ρ и учитывая, что выражение ∆ ∆V ρ является энергией удара, имеем

70 Section 5.

E n mAy m u= 2 2 . (13)При движении сосуда вверх, после прохождения им положения статического

равновесия, его скорость будет падать до нуля, а жидкость по инерции будет про-должать двигаться вверх за счёт накопленной кинетической энергии, величина которой равна

Em A n

жu m=

2 2

2 (14)

Кинетическая энергия жидкости и энергия гидравлического удара будут рас-ходоваться на энергию волны жидкости и на преодоление поверхностного на-пряжения её верхнего слоя. Таким образом

E E E Ey ж H B+ = + , (15)где EH – поверхностная энергия (поверхностное напряжение), Дж; EB – энергия волны, Дж.

Рисунок 4. Поведение жидкости в сосуде при колебаниях

Рисунок 5. Элемент волновой поверхности жидкости

На (рис. 4) показано поведение жидкости в процессе колебаний сосуда. Линия 1–1 отражает уровень покоя, то есть свободную поверхность воды при отсутствии волнения. Кривая волновой поверхности жидкости в общем случае имеет вид торхоиды (укороченной циклоиды). Длина волны может быть записана

λπ

τ=

2

2g

(16)где τ – период волны, с;

g – ускорение свободного падения, м с2 .Тогда площадь волнового элемента будет равна

A hэ B= +

2

22

2

λ λ. (17)

Учитывая, что кривая волновой поверхности близка к циклоиде, можно за-писать что


hB =λπ

. (18)Подставляя выражение (18) в уравнение (17), получим Aэ =1 2 2, λ . (19)Так как площадь основания волнового элемента равна λ 2 , то

AA

э

o

=1 2. , (20)

где Ao – площадь основания волнового элемента, м2 .Из (рис. 6) видно, что площадь волновой поверхности будет больше площади

спокойной поверхности в 1,2 раза. Следовательно, поверхностная энергия с учё-том изменения площади по обе стороны волнового элемента будет равна

E rH c= 2 4 2, π σ , (21)где σ - коэффициент поверхностного натяжения, Н м .

Рисунок 6. Поведение жидкости в сосуде при колебаниях. Вид

сверху

Рисунок 7. Элемент волновой поверх-ности в момент отрыва

Количество волновых элементов на поверхности жидкости в сосуде (см. рис. 6) будет равно

nr

эc=

πλ

2

2 . (22)Отсюда высота волны

hy m r

rBm u c

cж

=−9 14 42 2 2

2 23

ω π σρ ω π

, (23)

Определим теперь высоту волны, при которой начинает происходить от-рыв капель жидкости от волновой поверхности. На (рис. 7) изображён элемент волновой поверхности жидкости в момент отрыва. Очевидно, что для отрыва жидкости необходимо выполнение условия

mэα λσ= 4 , (24)где mэ – масса элемента жидкости, кг; λ – длина волны, м;

α – средняя величина ускорения, м с2 .

72 Section 5.

Так как при движении сосуда с жидкостью вверх, после прохождения им по-ложения статического равновесия, время, за которое он достигнет верхней точки, равно T 4 2=π ω , то

α ωπ

=4 2

2

ym . (25)

Учитывая, что период волны равен периоду колебаний сосуда с жидкостью, и подставляя выражения (16, 25) в уравнение (24), получим

� �m A n gnэ

m2

2 2

2π

π σ= . (26)

Принимая во внимание, что кривая волновой поверхности имеет вид цикло-иды, можно записать, что

λ π= hВ (27)Максимально допустимая амплитуда автоколебаний составляет

Ag

n hm

ж В

=6

4 3

π σρ

. (28)

Таким образом, приведенные теоретические соотношения позволяют про-ектировать гамму смесителей жидкостей и рационально выбирать режим сме-шивания.

Список литературы:1. Способ измерения массового расхода жидкости и устройство для его

осуществления. Авт. свид. SU1817533 МПК G01F 25/00./ Е. А. Оленев, Л. Н. Шарыгин. Опубл. 11.10.1992.

2. Шарыгин Л. Н. Автоколебательные системы в средствах измерения и кон-троля: учеб. пособие / Л. Н. Шарыгин, А. А. Сорокин. – Владимир: изд-во «Атлас», – 2016. – 205 с.


Nikitaeva Tatyana Vasilievna,sudent, employee of the student design bureau «Chronos»


Potapov Georgiy Kakhaberovich,sudent, employee of the student design bureau «Chronos»


ELECTRICALLY OPERATED WINDOW UNITНикитаева Татьяна Васильевна,

Владимирский государственный университет именистудент, сотрудник студенческого конструкторского бюро «Хронос»


Потапов Георгий Кахаберович,Владимирский государственный университет имени

студент, сотрудник студенческого конструкторского бюро «Хронос»Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых (ВлГУ),


ЭЛЕКТРОУПРАВЛЯЕМЫЙ ОКОННЫЙ БЛОКВ последние годы активно развиваются системы интеллектуального управ-

ления жилым домом, которые обеспечивают комфортный микроклимат и по-зволяют управлять всеми системами дома через Интернет, либо с помощью сотового телефона. Первое масштабное строительство коттеджного поселка из «умных домов» состоялось в конце XX века в одном из пригородов Лондо-на. Известно ряд технологий управления домом – протоколы Crestron, C-Bus, X10, LUXOR и др.

Обеспечение микроклимата в помещениях за счет конструктивных решений по устройству оконных блоков ведется по разным направлениям. Применяют теплоотражающие окиснометаллические пленочные покрытия 1. Для управления подвижными створками используют питание от силовой сети электродвигателя с разного вида передаточными механизмами (звеньями) 2.

1 Теплозащитное остекленение. Авт.свид. 718594, МПК Е06 В 5/00./ Г. П. Замаев и др. Опубл. 28.02.1980. Бюл. № 8.

2 Окно или дверь с прибором. Патент RU 2420644, МПК Е05F 15/14./Отто Эрих (DE) и др. Опубл. 27.04.2010. Бюл. № 12.

74 Section 5.

На (рис. 1–4) приведена конструкция предлагаемого электропривода с эле-ментами оконного блока. Оконный блок содержит раму 1, в которой с помощью шарниров 2 установлена поворотная створка 3. На валу, принадлежащему полу-шарниру створки, установлен рычаг 4, соединенный через цангу 5 с помощью тяги 6 с приводом. Тяга представляет собой отрезок стальной проволоки кру-глого сечения. Расчеты по методу Эйлера показывают, что она устойчива в ши-роком диапазоне отношения длина – диаметр, имеет высокую осевую жесткость и сравнительно низкую изгибную. Электрическое управление приводом осущест-вляется либо от системы управления домом через разъем 7, либо от термопреоб-разователя 8. Термопреобразователь преобразует тепловую энергию в электри-ческую, его входным параметром является разность температур воздуха снаружи и внутри помещения; т. е. по разные стороны оконного блока. На рис. 1 в качестве примера показан термопреобразователь в виде батареи термопар – для наглядно-сти на чертежах изображена одна термопара. Термопреобразователь размещен в отверстии рамы и закреплен компаундом 9. Электрические выводы термопре-образователя подключены к контактам 10 привода. Таким образом, если имеется разность температур между спаем термопар снаружи помещения с их концами на контактах привода, т. е. внутри помещения, то термобатарея будет вырабаты-вать ЭДС, которую называют термоЭДС. Для больших конструкций оконных блоков термоЭДС можно рассматривать как управляющий сигнал электронного усилителя, входящего в состав термопреобразователя.

Основные элементы привода смонтированы на подвижном основании 11, вы-полненном из плоского листа материала прямоугольной формы. Основание уста-новлено в направляющих подложки 12. Подложка изготовлена из тонкого листа методом штамповки, имеет крепежные отверстия, которые выполнены в углубле-ниях (пуклевках) 13, для крепления с помощью винтов 14 к раме. По осевой линии подложки имеется ряд отверстий 15 для взаимодействия с фиксатором положения основания. Параллельно осевой линии подложки симметрично на заклепках 16 за-креплены две пружины 17, изогнутые концы которых входят в пазы подложки и вза-имодействуют с нижней плоскостью основания. На подложке закреплена колодка 18 из электроизоляционного материала с разъемом 7 и контактами 10. Данные кон-такты выполнены «плавающими» в виде цанг по типу гнезд разъемов марки ШР.

Функцию электродвигателя (преобразователя электрической энергии в меха-ническую) в приводе выполняет магнитострикционный стержень 19, установлен-ный в глухом отверстии каркаса 20 электрической катушки 21. Свободный конец магнитострикционного стержня взаимодействует с резьбовым регулируемым упором 22 имеющем контргайку 23. Указанный упор размещен в резьбовом от-верстии на одном конце крестообразного рычага 24, второй конец которого через цангу 25 связан с тягой 6. В средней части крестообразного рычага винтами 26,


27 закреплены первые концы двух пар плоских пружин 28, 29, а их вторые концы винтами 30, 31 присоединены к каркасу электрической катушки.

Рисунок 1. Компоновочная схема привода на оконном блоке Рисунок 2. Осевой разрез привода

Такое исполнение пружин, расположенных по углом 90 ° образует упругий шарнир крестообразного рычага. Электрические выводы катушки 21 организова-ны с помощью запрессованных в каркас 20 контактов 32. Эти контакты выполне-ны по типу штырей разъемов марки ШР. Для удобства пайки моточного провода катушки к контактам в каркасе имеется паз 33.

Для управления электрическим режимом предусмотрен трехпозиционный тумблер 34, закрепленный на основании 11 через переходник 35. Подключение контактов тумблера отражено на схеме электрических соединений (рис. 4).

Также предусмотрено ручное управление положением створки 3 оконного блока. Для ручного управления служит ручка 36 фиксатора положения основа-ния 11. Фиксатор содержит корпус 37 Т-образной формы с расточкой в средней части под шток 38 с пружиной 39 и поперечное отверстие для оси 40 ручки. Ось ручки имеет цилиндрическую форму с кольцевыми расточками на концах,

76 Section 5.

проходит через отверстия отгибов 41 ручки и стопорится плоскими разрезны-ми пружинными шайбами 42. Аналогичной шайбой 43 стопорится шток фик-сатора. Для ограничения перемещения основания 11 при ручном управлении имеются два закрепленных на подложке винтами 44 упора 45. Каркас 20 элек-трической катушки, корпус 37 фиксатора и переходник 35 тумблера закреплены на основании 11 с помощью винтов 46 с потайной головкой.

Рисунок 3. Крепление пружин подложкиРисунок 4. Схема электри-ческих соединений. Работа

привода

При сборке оконного блока обеспечивают предварительное поджатие по-воротной створки 3 к гнезду рамы 1. Этот результат достигают при установке тяги 6. Пропускают тягу в отверстия предварительно закрученных в рычаг 4 полушарнира створки и крестообразный рычаг 24 цанг 5, 25. Далее окон-чательно закрепляют один конец тяги, пусть это будет за счет затяжки цанги 5 рычага 4. Затем нажимают на конец крестообразного рычага и затягивают цангу 25. В результате плоские пружины 28, 29 получили предварительную деформацию, за счет которой реализуется поджатие поворотной створки 3 к раме 1 в исходном положении. Последняя юстировочная операция – уста-новка регулируемого упора. Закручивают регулируемый упор 22 до каса-ния его носковой полусферической части с торцом магнитострикционного стержня 19 и фиксируют это положение контргайкой 23. В рабочих чертежах на оконный блок предусмотрен кожух (на приведенных фигурах не показан), закрывающий элементы привода.

Пользуются оконным блоком следующим образом. В исходном положении поворотная створка 3 находится в проеме рамы 1 (закрыта), основание 11 под-нято вверх (ориентация чертежа), шток 38 фиксатора нижним концом входит в верхнее отверстие 15 подложки 12, при этом штыревые контакты 32 выводов электрической катушки входят в гнездообразные контакты 10 колодки 18. Поль-зователь определяет режим работы оконного блока.


Если в доме имеется система автоматического управления, то разъем ее линии подключают к разъему 7 оконного блока и переводят ручку тумблера 34 в крайнее положение «система». При этом замыкается контакт S1 тумблера. При поступле-нии сигнала от системы автоматического управления через электрическую катуш-ку 21 протекает ток. Этот ток создает магнитное поле, под действием которого магнитострикционный стержень 19 удлиняется. Опираясь в дно глухого отвер-стия каркаса 20 катушки он перемещает упор 22. Перемещение упора приводит к повороту крестообразного рычага 24 и дополнительной деформации пружин 28, 29 упругого шарнира рычага, что влечет за собой увеличение потенциальной энергии деформированных пружин 28, 29. При повороте крестообразного ры-чага перемещается второй его конец с цангой 25, это перемещение через тягу 6 и цангу 5 передается рычагу 4, установленному на валу полушарнира створки 3. Соотношение рассмотренного перемещения и рабочей длины рычага 4 опреде-лит угол поворота створки 3 оконного блока. После окончания действия сигнала от системы автоматического управления домом исчезнет электрический ток в ка-тушке 21 и его магнитное поле, следовательно магнитострикционный стержень вернется в исходную длину. Освободившийся от взаимодействия с магнитострик-ционным стержнем крестообразный рычаг 24 под действием момента потенци-альной энергии деформированных пружин 28, 29 вернется в первоначальное положение, что приведет к закрыванию поворотной створки 3 оконного блока 1.

Работа оконного блока от собственного источника электропитания – тер-мопреобразователя 8 – происходит аналогично. Переходят в этот режим пере-бросом ручки тумблера 34 в другое крайнее положение – «тепло». Замыкание контакта S2 подключает обмотку 21 электрической катушки к термопреобразо-вателю 8 оконного блока. Угловое положение поворотной створки 3 будет про-порционально разности температур снаружи и внутри помещения. Следует заме-тить, что имеет место некоторая минимальная разность температур, при которой не происходит поворота створки. Это так называемая «мертвая зона» характе-ристики, определяемая предварительной деформацией пружин 28, 29 упругого шарнира крестообразного рычага 24 2.

Ручной режим управления соответствует среднему положению ручки тумбле-ра 34, когда обмотка электрической катушки отключена от системы автоматиче-ского управления домом и от термопреобразователя 8. Открывание поворотной створки 3 оконного блока осуществляют поворотом ручки 36 «на себя», что при-водит выходу штока 38 из верхего отверстия 15 подложки. Далее перемещением

1 Моторный привод. Патент RU 2427698, МПК E05F15/02./Роттер Штайгеманн Кармен (DE). Опубл. 27.08.2011. Бюл. № 24.

2 Устройство подъема и перемещения для окна и устройство для управления им. Патент RU 2416014, МПК Е05F 15/16./Сео Сонг Вон (KR). Опубл. 10.04.2011. Бюл. № 10.

78 Section 5.

ручки вниз (ориентация чертежа) сдвигают основание 11 с закрепленным на нем каркасом 20 катушки. Поскольку на этом каркасе через пружины 28, 29 закре-плен крестообразный рычаг 24, то будет перемещаться и он, увлекая через тягу 6 рычаг 4, чем и обеспесивается поворот створки 3. При нужном угле поворота створки фиксируют положение основания 11 штоком 38 на очередном отверстии 15 подложки путем поворота ручки 36 «от себя». Возврат в исходное положение осуществляется в обратном порядке. Плавность перемещения обеспечивается за счет трения пружин 17 подложки 12 о нижнюю плоскость основания 11.

Отметим, что в предлагаемом устройстве исключены аварийные ситуации при необдуманных действиях пользователя. Пусть установлен режим «тепло» и пользователь решил, что створка открыта недостаточно. Он ручкой управления 36 увеличивает, как это описано выше, угол поворота створки 3. Смещение осно-вания 11 приведет к разрыву электрической цепи, т. е. контакты 10 и 32 разъеди-нятся, магнитострикционный стержень вернется в исходный размер и ситуация полностью будет соответствовать ручному режиму управления.

Таким образом, предлагаемое техническое решение имеет широкие экс-плуатационные возможности — оно предполагает различные режимы работы. Устройство может быть смонтировано для различных положений оси поворота подвижной створки в пространстве.

Список литературы:1. Теплозащитное остекленение. Авт.свид. 718594, МПК Е06 В 5/00./Г. П. За-

маев и др. Опубл.28.02.1980. Бюл. № 8.2. Окно или дверь с прибором. Патент RU 2420644, МПК Е05F 15/14./Отто

Эрих (DE) и др. Опубл. 27.04.2010. Бюл. № 12.3. Моторный привод. Патент RU 2427698, МПК E05F15/02./Роттер Штайге-

манн Кармен (DE). Опубл. 27.08.2011. Бюл. № 24.4. Устройство подъема и перемещения для окна и устройство для управления

им. Патент RU 2416014, МПК Е05F 15/16./Сео Сонг Вон (KR). Опубл. 10.04.2011. Бюл. № 10.


Panfilova Elena Dmitrievna,Vladimir State University (VLSU),

employee student design bureau “Chronos”E-mail: [email protected]

Vasiliev Vladimir Olegovich,Vladimir State University (VLSU),

employee student design bureau “Chronos”E-mail: [email protected]

ELECTRON-ACOUSTICAL TARGET

Панфилова Елена Дмитриевна,студент, сотрудник студенческогоконструкторского бюро “Хронос”


E-mail: [email protected]Васильев Владимир Олегович,

студент, сотрудник студенческого конструкторского бюро “Хронос”Владимирский государственный университет

имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых,E-mail: [email protected]

ЭЛЕКТРОННО-АКУСТИЧЕСКАЯ МИШЕНЬ

При подготовке стрелков к соревнованиям значительное время тратится на обработку результатов стрельбы. При этом не исключены субъективные по-грешности. В полевых условиях приходится периодически заменять деревянные мишенные щиты, на которых крепится бумажная мишень.

Предлагается устройство на основе стального металлического щита с дат-чиками, информация с которых обрабатывается электронным блоком. При раз-работке основных технических решений учтены рекомендации литературы1.

На (рис. 1) изображена структурная схема мишени. Она содержит мишень 1, выполненную в виде толстой металлической пластины, с закрепленными на её торцах пьезодатчиками 2, число которых равно 2 к и зависит от величины погреш-ности определения точки попадания.

1 Муромцев, Д. Ю. Конструирование узлов и устройств электронных средств: учеб. пособие / Д. Ю. Муромцев, И. В. Тюрин, О. А. Белоусов. – Ростов н / Д: Феникс, – 2013. – 540 с; Шарыгин, Л. Н. Проектирование конкурентноспособных технических изделий: учебник / Л. Н. Шарыгин. – Владимир: изд-во ВИТ-принт, – 2013. – 290 с.

80 Section 5.

Рисунок 1. Структурная схема Рисунок 2. Расчетная схема

Каждая пара диаметрально противоположных датчиков через усилители — формирователи 3 подключена к входу счетного триггера 4, выходы этих триггеров подключены к входам многовходового логического элемента «И-НЕ» 5. Выход элемента 5 и выход генератора 6 соединены соответственно с блоком индикации 7.

Блок индикации 7 (см. рис. 3) содержит трехвходовой логический элемент «ИЛИ» 8, прямой выход которого соединен с одним входом двухфазового ло-гического элемента «И» 9, а инверсный выход – с одним из входов двухвходово-го логического элемента «И» 10. Другой вход элемента 9 связан с генератором 6. Выход элемента 9 соединен со счётным входом двоичного счётчика единиц 11; выходы этого счётчика через четырехвходовой логический элемент «ИЛИ» 12 связаны с одним входом элемента 8 и с дешифратором 13, а выход перепол-нения счётчика 11 подключен к входу счётчика десятков 14. Выходы счётчика 14 соединены с дешифратором 15.

Выходы дешифраторов 13, 15 через переключатели 16, 17 связаны соответствен-но с входами двухвходового логического элемента «И» 18. Необходимо отметить, что схема стробирования условно не показана. Выход элемента 18 связан с другим входом элемента 10, со счётчиком 19 и со входами «уст. 0» счётчиков 11, 14. Выход счётчика 19 через четырехводовой логический элемент «ИЛИ» 20 соединён с другим входом элемента 8. Выход элемента 10 подключен через двоичный счётчик 21 к дешифратору 22, выход которого связан с индикатором количества очков 23. Вход «уст. 0» счётчи-ка 21 соединен с кнопкой на пульте, которая на чертеже показана.


Рисунок 3. Функциональная схема блока индикации

Работает мишень следующим образом. При попадании пули в мишень 1 в толще пластины будет расходиться круговая акустическая волна. Укреплён-ные на торцах пластины пьезодатчики 2 воспринимают моменты прихода волны и формируют электрические сигналы, которые поступают на вход усилителей-формирователей 3. Очевидно, что фронт круговой волны в первую очередь до-стигнет того пьезодатчика, который находится ближе к точке попадания пули, и в последнюю очередь – диаметрально противоположного ему датчика.

На (рис. 3) условно изображена мишень в виде правильного многоугольника с числом сторон 2 к, где к – целое натуральное число, зависящее от требуемой величины погрешности определения точки попадания. М – произвольно выбран-ная точка попадания пули, а r – расстояние от точки M до центра мишени. Легко заметить, что

r d d= −0 5 1 2, ( ) (1)где d d1 2 – кратчайшее расстояние от точки М до грани мишени.

Обозначив через V скорость распространения колебаний в металле, а черезt и t1 2 – отрезки времени, в течение которых фронт волны достигает соответ-ственно дальнего (предположимN k+1 ) – и диаметрально противоположного (ближнего к точке М) № датчиков получим

r V t t= −0 5 1 2, ( ) (2)

82 Section 5.

Если измерить времяt t1 2− , то можно получить расстояние в единицах длины. Время t t1 2− измеряется путем подсчета числа колебаний (импульсов) генератора 6, укладывающихся в измеряемый интервал

t tnF1 2− = (3)

где n – число импульсов генератора в измерительном интервале;F – частота генератора. Тогда

r VnF

= 0 5, (4)Если частоту генератора F подобрать равной 0,5V, то расстояние r в единицах

длины будет равно количеству импульсов n.Для определенности (см. рис. 3) предположим, что сначала фронт волны до-

стиг датчика №, тогда через усилитель-формирователь 3 электрический сигнал от датчика 2 поступит на вход триггера T1 (поз. 4) и переведет его из состояния “1” в состояние “0”. При этом на выходе многовходового логического элемента “И-НЕ” 5 сформируется сигнал логической “1”, который поступит на вход блока индикации 7. Затем фронт волны будет достигать других датчиков, сигналы от ко-торых через усилители — формирователи будут переводить остальные триггера сначала в состояние логического “0”, а затем в состояние логической “1”. При этом на выходе элемента 5 до момента прихода фронта волны наN K +1 датчик, который диаметрально-противоположен № датчику (а его она достигает в последнюю очередь), на всех входах элемента 5 (кроме первого) и на его выходе будут логи-ческие “1”. Как только фронт волны придет на N K +1 датчик, триггер 1 перейдет из состояния “0” в состояние “1”, что приведет к появлению на выходе элемента 5 логического “0”. Таким образом, длительность импульса, поступающего с вы-хода элемента 5 на вход блока цифровой индикации 7, а именно, на вход трех-входового элемента “ИЛИ” 8 (см. рис. 2) будет равна времени t t1 2− .

Частота F генератора 6 выбрана равной 0,5V, поэтому, как уже отмечалось выше, расстояниеr будет пропорционально количеству импульсов n генератора 6, которые за времяt t1 2−

2 поступают через элемент 9 на счетчик 11. Счетчики 11, 14, дешифраторы 13, 15 и элемент 18 представляют собой делитель с изме-няющимся коэффициентом деления, зависящим от номера бумажной мишени. Формирование каждого импульса на выходе элемента 18 соответствует прохож-дению акустической волны через условную границу очередного кольца мишени. Счетчик 19 ведет подсчет этих импульсов. Максимальная емкость этого счетчи-ка равна 10, что соответствует прохождению акустической волны по всему полю мишени, т. е. всех 10 колец. Одновременно, импульсы с элемента 18 поступают на один вход двухвходового логического элемента 10, на другом входе которого в течение времени t t1 2− с инверсного выхода элемента 8 поступает логический


“0” (импульс запрета счета счетчика 21). За время t t1 2− на выходе элемента 18 сформируется число импульсов, равное m, которое зависит от расстояния r, а точнее, m соответствует целому числу колец мишени, укладывающемуся вr. При этом все эти импульсы запишутся только в счетчик 19. После окончания действия импульса запрета на входе элемента 10 оставшиеся (10-m) импульсов запишутся в счетчик 21, количество которых будет соответствовать количеству очков, “выбитых” при выстреле. При поступлении на вход счетчика 19 (10-m)-ного импульса, на выходах последнего образуются “0”. Это приводит к появле-нию на выходе элемента 20 логического “0”. В это время на выходах счетчиков 11, 14 будут “0”, на выходе элемента 12 тоже появится “0”, и, следовательно, на всех трех входах элемента 8 будут логические нули. На выходе элемента 8 ло-гический “0” будет препятствовать прохождению импульсов с генератора 6 на счетчик 11. Таким образом, информация (количество очков) записалась в счетчик 21 и через дешифратор 22 будет высвечиваться на индикаторе 23. При стрельбе очередью счетчик 21 накапливает импульсы, записываемые аналогич-ным способом в него после каждого попадания пули в мишень, а индикатор по-казывает суммарный результат стрельбы.

Описанная выше конструкция позволяет количественно (в очках) оценивать результаты стрельбы как при одиночных, так и при стрельбе из автоматического оружия и может найти широкое применение при подготовке стрелков. Мишень выдерживает десятки тысяч попаданий из малокалиберного оружия, посылает надежную информацию о поражении её пулей на пульт руководителя занятий и сохраняет работоспособность в интервале температур – 40 °C до + 50 °C, а так-же в неблагоприятных погодных условиях (дождь, снег, туман и т. д.).

Список литературы:1. Муромцев Д. Ю. Конструирование узлов и устройств электронных средств:

учеб. пособие / Д. Ю. Муромцев, И. В. Тюрин, О. А. Белоусов. – Ростов н / Д: Феникс, – 2013. – 540 с.

2. Сорокин В. С. Материалы и элементы электронной техники: учебник / В. С. Сорокин, Б. Л. Антипов, Н. П. Лазарева. – М.: “Академия”, – 2006. – 448 с.

3. Шарыгин Л. Н. Проектирование конкурентноспособных технических из-делий: учебник / Л. Н. Шарыгин. – Владимир: изд-во ВИТ-принт, – 2013. – 290 с.

84 Section 5.

Tihomirova Svetlana Andreevna,Vladimir State University (VlSU),

employee student design bureau “Chronos”Averyanov Ilya Aleksandrovich,

Vladimir State University (VlSU),employee student design bureau “Chronos”

Sharugin Lev Nikolaevich,Ph. D., Professor of the Department Vladimir State University,

of Technological and Economic EducationE-mail: [email protected]

HOUSEHOLD HEAT EXCHANGERТихомирова Светлана Андреевна,


Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых (ВлГУ),Аверьянов Илья Александрович,


Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых (ВлГУ),Шарыгин Лев Николаевич,

Профессор, сотрудник студенческого конструкторского бюро «Хронос»Владимирский государственный университет имени


БЫТОВОЙ ТЕПЛОСЧЕТЧИКПредложено устройство учета тепловой энергии, теплосчетичик для систем

горячего водоснабжения, которое, в отличии от известных позволяет вести учет потребляемой с водой тепловой энергии без использования сетевого или бата-рейного электропитания 1.

Схематические и конструкционные решения по устройству теплосчетчика отражены на (рис. 1–5), при этом исходим из известной зависимости величины тепловой энергии от первичных параметров.

1 Кремлевский П. П. Расходомеры и счетчики количества; Справочник – 4 е изд., перераб. и доп. – Л.; Машиностроение, – 1989. – 701 с; Устройство для измерения количества тепловой энергии, передаваемой водой горячего водоснабжения. Патент RU 2189572, МПК G01K 17/08./ В. А. Гончаров, В. Ю. Каралюн. Опубл. 20.09.2002.


W G C tP= ⋅ ⋅∆ 0 τ (1)где G – объемный расход теплоносителя;

CР – теплоемкость теплоносителя;0t∆ – перепад температур теплоносителя до и после объекта теплопотребления;

τ – время.

Рисунок 1. Функциональная схема устройства

Функциональную схему теплосчетчика составляют: 1 – расходомер; 2 – накопитель электрической энергии; 3 – термоэлектрический генератор; 4 – аналогоцифровой преобразователь; 5 – блок управления; 6 – формирователь импульсов; 7 – электронный ключ; 8 – электромеханический счетчик; 9 – вы-числительное устройство.

В свою очередь блок управления 5 представлен функциональными устройства-ми: 10 – высокочастотный генератор опорной частоты (диапазон частот – 10 МГц); 11 – первый делитель частоты;12 – второй делитель частоты; 13 – счетный триггер.

Расходомер (рис. 2) устанавливают в поток воды. Он имеет немагнитный корпус 14 в виде трубы. Внутри корпуса в осевом направлении в подшипниках (на чертеже не показаны) установлена турбинка 15 из магнитомягкого материала. Количество лопастей турбинки зависит от их формы и сечения трубы (обычно от 4-х до 24-х). На корпусе в сквозных отверстиях закреплены полюсные наконеч-ники 16, которые, как и турбинка, выполнены из магнитомягкого материала. Вну-тренняя торцовая часть полюсных наконечников имеет цилиндрическую форму, совпадающую с внутренней цилиндрической поверхностью корпуса. Снаружи кор-пуса по хордам эквидистантной корпусу окружности между соседними полюсными наконечниками закреплены магнитные сердечники (постоянные магниты) 17 с ка-тушками 18. Постоянные магниты имеют последовательное расположение полюсов.

86 Section 5.

Рисунок 2. Конструктивная схема расходомера

Рисунок 3. Электрическая принципиальная схема накопителя электрической энергии

Поскольку вся конструкция симметрична, то рассмотрим прохождение турбинкой одного шага. Пусть в исходном положении лопасти турбинки на-ходятся между полюсными наконечниками. Когда лопасти подходят к полюс-ным наконечникам, зазор между ними начинает уменьшаться, пропорциональ-но уменьшается магнитное сопротивление зазора и растет магнитный поток в контуре “магнитный сердечник – полюсные наконечники – турбинка”. Когда лопасти будут проходить симметричное положение, магнитный зазор будет воз-растать, следовательно, будет уменьшаться магнитный поток контура. По закону электромагнитной индукции Фарадея, пропорционально скорости изменения магнитного потока в катушке будет наводиться ЭДС. Таким образом, в обмотках катушки при вращении турбинки возникает ЭДС двойной полярности, частота импульсов которой пропорциональна частоте вращения турбинки. С учетом по-терь энергии на сопротивление вращению, частота вращения турбинки отстает от потока воды (эффект скольжения), поэтому расход G равен


G kc f= ⋅ (2)где kc – конструктивный коэффициент, учитывающий скольжение;

f – частота импульсов ЭДС.Энергия импульсов на катушках расходомера используется для питания дру-

гих функциональных блоков теплосчетчика. Для этого служит накопитель элек-трической энергии 2. С позиций удобства рассмотрения на схеме (рис. 3) изо-бражены катушки с индуктивностью L расходомера, начала обмоток отмечены точками. Здесь же показан выход частотного сигнала расходомера – f.

Функцию накопления электрической энергии выполняет ионистор С (кон-денсатор). Импульсы ЭДС катушек L расходомера переводятся в однополярную форму выпрямительными диодами VD VDn1− (n – количество катушек) и их энергия накапливается на ионисторе.

Термоэлектрический генератор 3 (рис. 4) представляет собой два последо-вательно-встречно включенных термоэлемента ТЭ 1 и ТЭ 2 . Их концы “Г” поме-щены в поток горячей воды, а концы “Х” – в поток холодной воды. В качестве термоэлементов можно использовать термопары На (рис. 4) сопротивление R следует рассматривать как внутреннее сопротивление термоэлементов, если они высокоомны, как в случае термопар.

Рисунок 4. Электрическая схема термоэлектрического генератора

Рисунок 5. Циклограмма работы устройства

88 Section 5.

Вычислительное устройство 9 реализует функцию ∆ ∆ ∆W k G C tp= × × × ×0 τ (3)

где W – тепловая энергия за один цикл измерения;G – объемный расход теплоносителя;CP – теплоемкость теплоносителя;

0t∆ – разность температур горячего и холодного потока теплоносителя;∆τ – цикл измерения;K – коэффициент учитывающий конструктивные параметры теплосчетчика

и коэффициент скольжения расходомера kс .Под циклом измерения ∆τ следует понимать период работы счетного триг-

гера 13 блока управления 5.Вычислительное устройство может быть реализовано на микроконтроллере,

например фирм Intel, Microchip и других. При выборе микроконтроллера необ-ходимо иметь в виду то, что он должен содержать ПЗУ.

Работу теплосчетчика удобно проследить по циклограмме (рис. 5). Эпюра U f10 = ( )τ отражает работу генератора опорной частоты 10 блока управления 5. Эпюра U12 отражает импульсы на выходе делителя 12 блока управления. ЭпюраU13 соответствует выходному напряжению счетного триггера 13 блока управле-ния. Пусть в момент времени τ1 очередной импульс U 2 делителя 12 переводит счетный триггер 13 в единичное состояние. С этого момента вычислительное устройство 9 переносит и усредняет на свои входные регистры частоту f преоб-разователя расходомера (с выхода формирователя 6) и код аналогоцифрового преобразователя 4. В момент τ 2 счетный триггер 13 устройства управления опро-кидывается, при этом вычислительное устройство начинает производить вычис-ление и заканчивает в момент τ 3 . Результат вычислений записывается в счетчик (регистр) результата вычислительного устройства 9. Далее, в соответствии с про-граммой, открывается вход считывания вычислительного устройства, в результа-те поступает низкая частота с выхода первого делителя 11 и вычислительное устройство передает записанное количество импульсов регистра результата через ключ 7 на электромеханический счетчик 8.

Таким образом, предлагаемый теплосчетчик при высокой точности измере-ния не требует стороннего электропитания и полностью автономен.

Список литературы:1. Кремлевский П. П. Расходомеры и счетчики количества; Справочник – 4-е

изд., перераб. и доп. – Л.; Машиностроение, – 1989. – 701 с.2. Устройство для измерения количества тепловой энергии, передаваемой водой

горячего водоснабжения. Патент RU 2189572, МПК G01K 17/08./В. А. Гон-чаров, В. Ю. Каралюн. Опубл. 20.09.2002.


Khrustaleva Nadezhda Vladimirovna,employee, student design bureau “Chronos”

Vladimir State University (VLSU),Golavsky Alexander Evgenievich,

employee, student design bureau “Chronos”Vladimir State University (VLSU),

Sharygin Lev Nikolaevich,professor design bureau “Chronos”


FIRE ALARM SYSTEM WITH OPTICAL DETECTORХрусталева Надежда Владимировна,

cтудент, сотрудник студенческого конструкторского бюро «Хронос»Владимирский государственный университет имени

Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых (ВлГУ),Голавский Александр Евгеньевич,

cтудент, сотрудник студенческого конструкторского бюро «Хронос»Владимирский государственный университет имени

Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых (ВлГУ),Шарыгин Лев Николаевич,

профессор, сотрудник студенческого конструкторского бюро «Хронос»Владимирский государственный университет имени


СИСТЕМА ПОЖАРНОЙ СИГНАЛИЗАЦИИ С ОПТИЧЕСКИМ ИЗВЕЩАТЕЛЕМ

Дымовые пожарные извещатели используют оптические свойства дыма, для этого применяют излучатели и приемники излучения обычно в инфракрасной области частот, что снижает влияние внешней освещенности. Получение сигнала тревоги реализует электронный блок. Известные извещатели достаточно сложны, их метрологическая надежность недостаточна из-за неучета влияния накаплива-ющийся в процессе эксплуатации пыли 1.

1 Дымовой пожарный извещатель. Патент RU2356094, МПК G08 В 17/10./В. В. Баканов, Н. В. Капитанов, И. З. Мисевич. Опубл. 20.05.2009; Сигнализатор дыма. Патент RU 2317591, МПК G08 В 17/10./000 КБПА. Опубл. 20.02.2008; Пожарный дымовой извещатель. Патент RU 2417450,

90 Section 5.

Предлагаем основные технические решения по созданию дымового пожарно-го извещателя, устраняющие недостатки известных конструкций – (см.рис. 1–5).

Рисунок 1. Компоновочная схемаРисунок 2. Схема расположения

диаграмм направленности излуча-теля и приемников излучения

Имеется основание 1, прикрепляемое через его отверстия 2 к потолку за-щищаемого помещения. На основании с помощью резьбы крепится корпус 3. Верхний объем корпуса занимает плата 4 с электронными компонентами бло-ка управления 5. Снизу на плате в державках закреплены излучатель 6, прием-ник дымности 7 и приемник запыленности 8. В качестве излучателя может быть применен светодиод инфракрасного частотного диапазона, а в качестве прием-ников – фотодиоды того же диапазона. Плата базируется на корпусе штифтами и крепится винтами (показаны условными обозначениями). Снизу к корпусу при-креплена измерительная камера 9, имеющая корпус 10 с окнами 11, 12 по ниж-ней и боковой поверхностям. В расточке верхней части корпуса измерительной камеры установлен съемный защитный прозрачный диск 13, а на дне корпуса закреплено устройство юстировки зеркала 14 с зеркалом 15 (рис. 5). Измери-тельная камера базируется на корпусе извещателя штифтами и крепится винтами аналогично плате 4 блока управления. Связь извещателя со шлейфом системы пожарной сигнализации осуществляется с помощью электрического разъема 16.

Пространственное положение излучателя и приемников излучения, их диа-грамм направленности и зеркала удобно проследить по (рис. 2). Луч излучателя 6 (под этим будем понимать осевую линию диаграммы направленности) проходя через прозрачный диск 13 падает на зеркало 15 и отраженный от зеркала попадает

МПК G08 В 17/107./В. Ю. Горн, С. В. Потетюнин. Опубл. 27.04.2011.


на приемник запыленности 8. В другой плоскости находится диаграмма направ-ленности приемника дымности 7, при этом она пересекается с диаграммой направ-ленности излучателя образуя зону пересечения 17, которую можно рассматривать как зону измерения дымности. В дежурном режиме с ростом запыленности изме-рительной камеры (прежде всего прозрачного диска 13 и зеркала 15) амплитуда светового импульса излучателя на приемнике запыленности будет уменьшаться. Величина этой амплитуды является критерием запыленности. В случае появления дыма в зоне измерения 17 возникает отраженный от частиц дыма луч, который образует оптический импульс на приемнике дымности. На основе факта наличия данного импульса электронный блок управления вырабатывает сигнал тревоги и отправляет его на пульт оператора системы пожарной сигнализации.

Для исходной настройки оптического канала запыленности предназначе-но устройство юстировки зеркала – (рис. 5). В резьбовом отверстии корпуса 18 установлен держатель 19 со сферической средней частью. На консольном кон-це держателя имеется площадка 20, к которой приклеено зеркало 14.

Электронный блок управления 5 пожарного извещателя составлен из двух взаи-мосвязанных частей – управляемого источника вторичного электропитания и блока измерения. На рис. 3 для наглядности показан фрагмент пульта оператора 23.

Рисунок 3. Электрическая принципиальная схема управляемого источника вторичного электропитания

Основу управляемого источника вторичного электропитания составляет ста-билизатор напряжения, выполненный на транзисторе VT1. По схемному решению каскад на транзисторе VT1 представляет собой эмиттерный повторитель, коллек-тор которого подключен через шлейф к источнику E пульта оператора, а опорное базовое напряжение задается напряжением стабилизации стабилитрона VD.

92 Section 5.

Второй частью электронного блока управления 5 дымового пожарного изве-щателя является блок измерения – (рис. 4). Питание излучателя 6 осуществляется от генератора прямоугольных импульсов 24. Канал дымности содержит приемник дымности 7 и последовательно соединенные первый усилитель 25, амплитудный селектор 26, второй усилитель 27 и триггер 28. На второй вход амплитудного селектора 26 канала дымности от управляемого источника вторичного электро-питания подается напряжение U∂, определяющее уровень срабатывания канала дымности. Уровень U∂ выставляется на управляемом источнике вторичного элек-тропитания подстроенным резистором R3 выше амплитуды фонового импульса (от паразитной засветки в измерительной камере) на выходе первого усилителя 25. В дежурном режиме при отсутствии дыма в измерительной камере 9 прием-ник дымности 7 воспринимает только паразитную (фоновую) засветку, при этом амплитуда импульсов на выходе первого усилителя 25 ниже уровня срабатывания U∂, следовательно, будет отсутствовать импульс на выходе амплитудного селек-тора 26, в итоге триггер 28 остается в исходном состоянии (на выходе остается низкий потенциал – логический нуль).

Рисунок 4. Функциональная схема блока измерения

Рисунок 5. Устройство юстировки зеркала


Канал запыленности блока измерения содержит приемник запыленности 8 и последовательно соединенные усилитель 29, амплитудный селектор 30 и уси-литель – формирователь 31. На второй вход амплитудного селектора 30 канала запыленности от управляемого источника вторичного электропитания подает-ся напряжение Uз, определяющее уровень срабатывания канала запыленности. Уровень Uз выставляется на управляемом источнике вторичного электропитания подстроечным резистором R4.

При включении источника питания на пульте 23 оператора системы по-жарной сигнализации с управляемого источника вторичного электропитания (рис. 3) электронного блока управления 5 дымового пожарного извещателя на функциональные элементы блока измерения поступают напряжение питания Uп и напряжения срабатываний U∂ канала дымности и Uз канала запыленности, а фронтом питания Uп триггер 28 устанавливается в исходное состояние, когда на его выходе присутствует логический нуль (потенциал выхода близок к потен-циалу общей шины).

Включенный генератор 24 вырабатывает последовательность прямоугольных импульсов, питающих излучатель 6. Световые импульсы излучателя отражаясь от зеркала 15 поступают на приемник запыленности 8, в результате на выходе уси-лителя 29 канала запыленности будут присутствовать импульсы логической еди-ницы. Амплитудный селектор 30 канала запыленности пропустит эти импульсы (при чистой измерительной камере амплитуда импульсов больше напряжения Uз), а усилитель – формирователь 31 из них сформирует последовательность прямо-угольных импульсов Uо увеличенной длительности. Импульсы с выхода усилите-ля – формирователя поступают на управляющий вход Uо управляемого источника вторичного электропитания и обеспечивают прерывание тока источника Е пульта оператора 23, в результате на время действия импульса Uо индикаторный свето-диод VD пульта оператора гаснет. Оператор будет наблюдать мерцающий свет индикаторного светодиода пульта.

В аварийной ситуации в охраняемом помещении появляется дым, который заполняет измерительную камеру 9, следовательно, дым оказывается в зоне пе-ресечения лучей излучателя 6 приемника дымности 7 – зоне 17 измерения дым-ности. Отраженные от частиц дыма световые импульсы излучателя восприни-маются приемником 7 усиливаются усилителем 25 канала дымности до уровня логической единицы (примерно уровень питания Uп). Поскольку этот уровень существенно больше уровня срабатывания U∂ канала дымности, то амплитуд-ный селектор 26 пропускает эти импульсы, а после усилителя 27 они поступают на установочный вход триггера 28. Триггер опрокидывается и на его выходе появ-ляется логическая единица – сигнал тревоги Uс. Этот сигнал по шлейфу системы пожарной сигнализации поступает на пульт оператора.

94 Section 5.

Если в процессе эксплуатации на пульте оператора системы пожарной сигна-лизации перестает мерцать индикаторный светодиод, то это подсказывает опе-ратору о необходимости чистки измерительной камеры дымового пожарного извещателя.

Таким образом, предлагаемый дымовой пожарный извещатель имеет про-стую конструкцию и простые схемные решения функциональных элементов электронного блока управления, обладает высокой метрологической надежно-стью выработки сигнала тревоги и сигнала технического состояния по уровню запыленности. Сигнал технического состояния пожарного дымового извещателя не требует отдельной линии в шлейфе системы пожарной сигнализации.

Список литературы:1. Дымовой пожарный извещатель. Патент RU2356094, МПК G08 В 17

/10./В. В. Баканов, Н. В. Капитанов, И. З. Мисевич. Опубл. 20.05. 2009.2. Сигнализатор дыма. Патент RU 2317591, МПК G08 В 17/10./000 КБПА. Опубл.

20.02.2008.3. Пожарный дымовой извещатель. Патент RU 2417450, МПК G08 В 17 / 107.

/ В. Ю. Горн, С. В. Потетюнин. Опубл. 27.04. 2011.


Chernysheva Anastasia Sergeevna,employee, student design bureau “Chronos”


Vasiliev Vladimir Olegovich,employee, student design bureau “Chronos”


INSTALLATION FOR RESOURCE TESTING OF PARTSЧернышева Анастасия Сергеевна,



Васильев Владимир Олегович,студент, сотрудник студенческого конструкторского бюро «Хронос»



УСТАНОВКА ДЛЯ РЕСУРСНЫХ ИСПЫТАНИЙ ДЕТАЛЕЙПредложены методика и установка для определения остаточного ресурса

деталей. Предполагается предварительное экспериментальное выявление в вы-борке из партии деталей функции деформации от количества циклов нагружения. Приведена схема электронного счетчика ресурса, который индицирует на своем табло величину остаточного ресурса испытываемой детали.

Известен ряд установок для усталостных испытаний материалов, где ис-пользуют образцы 1. Но на практике актуальна задача выявить остаточный ре-сурс работы деталей.

Теоретической основой предлагаемой установки для усталостных испытаний деталей на остаточный ресурс является зависимость текущей деформации детали при заданной нагрузке в функции количества циклов нагружения. Для упрочня-емых материалов характер этой зависимости известен 2. На начальном участке происходит упрочнение материала, следовательно деформация уменьшается.

1 Школьник Л. М. Методика усталостных испытаний. Справочник. – М.: Металлургия, – 1973. – 216 с.

2 Школьник Л. М. Скорость роста трещин и живучесть металла. – М.: Металлургия, – 1973. – 216 с.

96 Section 5.

Далее в процессе нагружения появляются дефекты в материале детали (проис-ходит разупрочнение) и при той же нагрузке деформация начинает увеличиваться вплоть до разрушения детали.

Испытанию на предлагаемой установке подлежат детали, для которых внешние силы, действующие в реальном устройстве, могут быть сведены к равнодействую-щей силе. На (рис. 1) изображена конструктивная схема устройства нагружения.

На основании 1 с помощью пассивного захвата закреплена испытуемая деталь 2. Крепление осуществляется также, как в реальном устройстве. В месте приложе-ния внешней силы (точнее равнодействующей внешних сил) на испытуемой детали закреплен активный захват 3, а на нем – стержень 6 из магнитомягкого материала. Соосно стержню имеются две неподвижные соленоидные катушки 7, 8.

Для обеспечения циклического режима нагружения применен электронный ключ (рис. 2). Электронный ключ построен на транзисторе VT по схеме с об-щим коллектором. В схему входят два переменных (или постоянных, подбира-емых при настройке) резистора R1 и R4, два постоянных резистора – базовый R2 и эмиттерный R3.

Рисунок 1. Конструктивная схема устройства нагружения (источник

тока и счетчик ресурса условно не показаны)

Рисунок 2. Электрическая принципиаль-ная схема электронного ключа

Для развязки токов транзистора VT по постоянной составляющей име-ются конденсаторы C1, C2. Катушки привода 7 (Wu) и освобождения 8 (W0), в соответствии с приведенной схемой, по постоянной составляющей тока подключены через резисторы R4 и R1 к источнику E, а по переменной


составляющей – соответственно, через конденсаторы C2 и C1 к эмиттеру и базе транзистора VT. Резисторами R1 и R4 задают начальные токи в катуш-ках освобождения 8 и привода 7. При этом начальный ток в катушке освобож-дения W0 требуется очень малым, поскольку мощность потребления сигнала e0 мала, а начальный ток в катушке привода Wu выбирается по величине по-стоянной составляющей прикладываемой к активному захвату силы. Если постоянной составляющей силы не требуется, то сопротивление резистора R4 устанавливают большим, тогда постоянным током по отношению к току импульса можно пренебречь.

При включении питания источника Е фронт напряжения обеспечит импуль-сы тока в катушках. В силу неравенства токов в катушках W0 и Wu взаимодей-ствие магнитных полей катушек 7, 8 с магнитопроводным стержнем 6 через активный захват 3 создаст импульс силы, которая подтолкнет испытуемую де-таль. После окончания фронта питания деталь окажется свободной и начнет совершать колебания на собственной частоте. При колебаниях в катушках 7, 8 будут индуцироваться электродвижущие силы (ЭДС), соответственно е f t0 = ( ) в катушке освобождения W0 и e f tu = ( ) в катушке привода Wu. Эти ЭДС будут иметь синусоидальную форму. ЭДС e0 в катушке освобождения W0 положительной полуволной (для изображенного транзистора проводимо-сти n-p-n) откроет транзистор VT, который обеспечит импульс тока через ка-тушку привода Wu. Взаимодействие поля катушки привода 7 с магнитопровод-ным стержнем 6 создает подталкивающую силу, которая обеспечит увеличение амплитуды колебаний. Далее система перейдет в стационарный режим колеба-ний, в котором подводимая энергия сравняется с рассеиваемой.

Наводимая в катушке 8 ЭДС е0 пропорциональна амплитуде колебаний, сле-довательно и деформации детали. Этот факт положен в основу работы счетчика ресурса (рис. 3).

Индикатор 26 счетчика ресурса выполнен в виде набора индикаторных лампочек (светодиодов), которые своим пространственным положением от-ражают остаточный ресурс работы детали. Известная функция цикловой де-формации детали δ = f N( ) для упрочняемых материалов имеет минимум, со-ответственно для больших значений N эта функция возрастающая. Психологически целесообразнее ввести понятие функции качества K f N= ( ) в виде функции уменьшения деформации δ . В этом случае выходной участок функции K f N= ( ) окажется падающим (вплоть до точки разрушения), что и будет восприниматься пользователем как снижение качества, т. е. ресурса. На (рис. 3) индикаторные лампочки изображены по стилизованной форме функции качества (ресурса) и для наглядности положение этих лампочек изо-бражено согласованно с уровнем дискретизации.

98 Section 5.

Рисунок 3. Функциональная схема счетчика ресурса

Работает счетчик ресурса следующим образом. Синусоидальный сигнал e0 ЭДС катушки 7 (W0) поступает на вход однополупериодного выпрямителя 9 – см. (рис. 3) – на его выходе будут однополярные импульсы, показанные на верхней эпюре (рис. 4). Для наглядности на эпюру этих импульсов e0 нало-жены уровни Uk компаратора. Для определенности будем полагать, что текущее состояние детали соответствует участку разупрочнения, на котором амплитуда деформации δ растет, соответственно и растет амплитуда сигнала e0.

Пусть в момент времени t t= 0 фронтом включения питания триггеры 13, 23 и 25 установлены в нулевое состояние. При t t= 1 появляется импульс на выходе выпрямителя 9. Одновременно запускаются формирователь пря-моугольных импульсов 10 и преобразователь амплитуда-длительность 11 – см. эпюры U f t10 = ( ) и U f t11 = ( ) . В этот же момент времени передним фрон-том преобразователя 10 переворачивается счетный триггер 13. Прямой выход триггера 13 дает логическую единицу на вход конъюнктора 16 счетчика 19, обеспечивая прохождение импульсов опорного генератора на вход счетчика 19 в течении времени действия импульса преобразователя 11, т. е. в интерва-ле от t1 до t2. В это время конъюнктор 15 закрыт инверсным сигналом тригге-ра 13. В момент времени t t= 3 амплитуда e0max импульса e0 превышает неко-торый i -й уровень компаратора 20 и на его i -м выходе в течении t t t= −4 3 появляется импульс – см. эпюру U f t20 = ( ) . В момент времени t t= 5 первый из рассматриваемых выходных импульсов выпрямителя 9 заканчивается им-пульс формирователя 10. При t t= 6 появляется очередной импульс выпрями-теля 9, формируется импульс формирователя 10, который своим передним фронтом переворачивает счетный триггер 13.


Рисунок 4. Эпюры напряжений на выходах элементов счетчика ресурса

Счетный триггер 13 прямым выходом закрывает конъюнктор 16 и открывает конъюнктор 15. Поэтому в течении времени t6… t7 очередного i +1 импульса формирователя 11 происходит заполнение счетчика 15. Схема сравнения 21 обе-спечивает логическую единицу на своем выходе «+», если количество импульсов в счетчике 19 превышает количество импульсов в счетчике 18, соответственно – логическую единицу на выходе «–» для обратной ситуации. Для рассматривае-мого участка функции качества логическая единица будет на выходе «+». Эта логическая единица поступает на входы n выходных конъюнкторов 2, на вторых входах которых в это время присутствует логическая единица инверсного вы-хода счетного триггера 13. В интервале времени от t t= 8 до t t= 9 на входах всех 2n выходных конъюнкторов 22, 24 появится импульс i +1 шины компаратора 20. Но конъюнкторы 22 закрыты выходом «–» схемы сравнения, поэтому будут открыты только конъюнкторы 24, следовательно сработает только i +1 выходной триггер 25 и будет высвечиваться лампочка Лi

Н+1 нисходящей ветви функции ка-

чества индикатора 26. При обратном соотношении количества импульсов на счет-чиках 18, 19, соответственно, выход «–» схемы сравнения 21 обеспечит сраба-тывание i +1 триггера 23 восходящего участка функции качества и высвечивания лампочки Лi

В+1 .

Начиная с момента времени t t= 11 цикл измерения будет повторяться. Сброс счетчиков 18, 19 осуществляется через конъюнктор 14 задним фронтом импуль-са формирователя 10, когда на инверсном входе счетного триггера 13 присутству-ет логическая единица (t t t t= =10 20 ). Сброс выходных триггеров осуществля-ется также задним фронтом формирователя 10, когда на входе конъюнктора 17 присутствует логическая единица с прямого выхода счетного триггера 13.

100 Section 5.

Таким образом, такт измерения равен периоду работы счетного триггера 13. Ре-зультат сравнения на выходе схемы 21 присутствует в интервале вре-мени (t t t t− −10 17 20 ). Соответствующие выходные триггеры (23 или 25) будут устанавливаться в единичное состояние и обеспечивать включение лампочек (Л H или Л B ) в моменты t8, t18. Сброс выходных триггеров, соответственно вы-ключение индикатора, будет происходить в моменты времени t15, t25. Пользователь будет наблюдать одну мерцающую лампочку индикатора 26. В рассматриваемом случае это будет лампочка Лi

Н+1 . Частота мерцания равна частоте переключения

счетного триггера 13, т. е. в два раза ниже частоты цикла нагружения детали.

Список литературы:1. Школьник Л. М. Методика усталостных испытаний. Справочник. – М.: Ме-

таллургия, – 1973. – 216 с.2. Школьник Л. М. Скорость роста трещин и живучесть металла. – М.: Метал-

лургия, – 1973. – 216 с.


Chumutina Tatyana Alekseevna,employee, student design bureau “Chronos”


Zheltukhina Lyubov Viktorovna,employee, student design bureau “Chronos”


WASHING MACHINE OF INCREASED EFFICIENCY

Чумутина Татьяна Алексеевна,студент, сотрудник студенческого конструкторского бюро «Хронос»


E-mail: [email protected]Желтухина Любовь Викторовна,



СТИРАЛЬНАЯ МАШИНА ПОВЫШЕННОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ

Предложен способ стирки высокоскоростными импульсными струями мо-ющего раствора. Приведены основные конструктивные решения по реализации предлагаемого способа.

Большинство стиральных машин барабанного типа реализуют один способ стирки: тканевые изделия загружаются в барабан, который помещен в бак, затем бак заполняется моющим раствором и барабан приводится во вращение. За счет перекатывания тканевых изделий по внутренней стороне барабана при взаимо-действии с моющим раствором осуществляется удаление загрязнений 1.

Эффективность стирки ограничена скоростью движения моющего раствора относительно ткани. Увеличение скорости невозможно по причине разбаланса барабана с подлежащими стирке тканевыми изделиями.

1 Патент RU 2349691, Стиральная машина. Опубл. 20.03.2009; Патент RU 2380462, Стиральная машина. Опубл. 27.01.2010; Патент RU 2318938, Стиральная машина для белья. Опубл. 10.03.2008.

102 Section 5.

Предлагаем ввести дополнительную опцию, устраняющую указанный недоста-ток. Конструктивная реализация способа иллюстрируется чертежами (рис. 1–5).

Рисунок 1. Схема расположения элементов стиральной машины

Рисунок 2. Схема, поясняющая уровень моющего раствора

Стиральная машина имеет неподвижный бак 1 с крышкой, установленный в корпусе машины, и другие типовые элементы: трубопроводы для подвода воды и слива моющего раствора, программное устройство, насосы (на чертежах типо-вые элементы не показаны).

Под вращающимся барабаном 2 с подлежащими стирке изделиями 32 непод-вижно установлена труба 4, один конец которой заглушен, а к другому присо-единен импульсный насос 5. Барабан имеет в нескольких перпендикулярных его оси плоскостях группы овальных отверстий 6, причем отверстия всех групп расположены на общих образующих цилиндрической поверхности ба-рабана. В этих же плоскостях в верхней части трубы выполнены инжекторные


отверстия 7. Диаметры отверстий увеличиваются по направлению от импульс-ного насоса. Импульсный насос управляется сигналами датчика 8 углового по-ложения барабана через электронный ключ 9.

Рисунок 3. Конструкция импульсного насоса

Рисунок 4. Разрез А – А по рисунок 3.

104 Section 5.

Импульсный насос имеет корпус 10, который соединен (например сваркой) с трубой 4. Для подключения к насосу машины предусмотрен штуцер 11. Нагне-тательным элементом импульсного насоса служит сильфон 12. Передняя часть сильфона завальцована в держатель 13, последний винтами 14 поджат к корпусу 10. Привод импульсного насоса представлен электрической катушкой 15, кото-рая намотана на каркас 16, и якорем 17, закрепленным заклепками 18 к донной части сильфона. Обмотка катушки пропитана компаундом для защиты от дей-ствия моющего раствора, а корпус закреплен винтами 19 к держателю. Выводы обмотки катушки размещены в радиальном пазу каркаса со стороны обмотки и на его продолжении в радиальном пазу 20 корпуса импульсного насоса и подпа-яны к разъёму 21. Разъём винтами 22 закреплен с внешней стороны корпуса. Про-вода выводов катушки в пазу 20 также залиты компаундом. Держатель 13 имеет группу отверстий 23. В нижней части корпуса выполнено отверстие 24 большого диаметра, с обратным клапаном в виде ленточной пружины 25, закрепленной на внутренней поверхности корпуса винтами 26. Импульсный насос крепится к задней стенке бака 1 винтом 27 через кольцевую шайбу 28.

Рисунок 5. Датчик угловогоположения барабана

Датчик положения индукционного типа. На консольной части вала барабана 2 закреплена звездочка 29 из магнитомягкого материала, количество зубьев кото-рой равно количеству овальных отверстий 6 в одной плоскости барабана. Зубья звездочки ориентированы по направлению общих образующих цилиндрической поверхности групп отверстий. Траектория движения концов зубьев звездочки расположена в магнитном зазоре.


Магнитный зазор образован либо скобообразным постоянным магнитом 30, либо постоянным магнитом простой формы с полюсными наконечниками из магнитопроводного материала. Магнитная система датчика имеет обмотку 31. При вращении звездочки ее зубцы изменяют магнитную проводимость зазора и в обмотке 31 индуцируется ЭДС в форме двухполярного импульса.

Стирка изделий в соответствии с предлагаемым способом осуществляется следующим образом. Закладывают в барабан 2 подлежащие стирке изделия 32. Выбирают на блоке управления стиральной машины режим стирки. При рассма-триваемой опции происходит заполнение бака 1 моющим раствором до уровня, перекрывающего инжекторные отверстия 7 трубы 4. Заполнение осуществляется через штуцер 11 импульсного насоса, поэтому весь объем трубы и импульсного насоса также будут заполнены моющим раствором. Далее включается электро-привод барабана 2. Совместно с барабаном вращается звездочка 29 датчика по-ложения. Импульс с катушки 31 датчика положения открывает электронный ключ 9, чем обеспечивается импульс тока через электрическую катушку 15, в результате произойдет втягивание якоря 17, сожмется сильфон 12. Это приведет к импульсу давления внутри сильфона и трубе 4. Указанный импульс давления обеспечит короткие струи моющего раствора через инжекторные отверстия 7. Посколь-ку угловое положение в этот момент таково, что овальные отверстия 6 барабана 2 находятся напротив отверстий 7, то струи моющего раствора с высокой ско-ростью попадут на изделия 32. Высокая скорость струй обеспечивает удаление загрязнений с поверхности изделий. После окончания импульса тока в катушке 15 сжатый сильфон 12 за счет своей потенциальной энергии будет возвращать-ся в исходное положение. Давление внутри сильфона и в трубе 4 окажется ниже давления моющего раствора в баке. Перепад давления обеспечит изгиб пружи-ны 25 обратного клапана, что приведет к открыванию отверстия 24 и моющий раствор из бака 1 будет заполнять пространство внутри сильфона через группу отверстий 23. Одновременно часть моющего раствора будет поступать в трубу через инжекторные отверстия 7 трубы 4. Процесс будет повторяться на каждом импульсе датчика положения 8.

Таким образом, предлагаемый способ стирки изделий может быть реализован с минимальными конструктивными изменениями на известных стиральных машинах в виде опции. В этом случае возможна обычная стирка при высоком уровне моющего раствора в баке 1 (при отключенном импульсном насосе) и обычное полоскание.

Список литературы:1. Патент RU 2349691, Стиральная машина. Опубл. 20.03.2009.2. Патент RU 2380462, Стиральная машина. Опубл. 27.01.2010.3. Патент RU 2318938, Стиральная машина для белья. Опубл. 10.03.2008.

106 Section 5.

Section 6.Medical science

Bobrakova Alexandra Alexandrovna,Kursk State Medical University,

postgraduate student, Department of DermatovenereologyE-mail: [email protected]

Silina Larisa Vyacheslavovna,Kursk State Medical University

Professor, Doctor of Medical Sciences,Head of the Department of Dermatovenereology


GENDER-AGE STRUCTURE OF CONTINGENT OF THE PATIENTS WITH PINK UGRAMS

Бобракова Александра Александровна,аспирант, кафедра дерматовенерологии

Курский государственный медицинский университет,E-mail: [email protected]

Силина Лариса Вячеславовна,профессор, доктор медицинских наук,

заведующая кафедрой дерматовенерологииКурский государственный медицинский университет,


ГЕНДЕРНО-ВОЗРАСТНАЯ СТРУКТУРА КОНТИНГЕНТА БОЛЬНЫХ РОЗОВЫМИ УГРЯМИ

ВведениеВ связи с ростом культуры общества в целом и повышением индивидуальной

требовательности к собственной внешности, как среди мужского, так и среди жен-ского населения, дерматозы лица остаются одной из наиболее актуальных проблем.

Розацеа — распространенное мультифакториальное неинфекционное хро-ническое заболевание кожи лица с прогредиентным течением и выраженной

Medical science 107

стадийностью. Данное заболевание является одной из наиболее актуальных про-блем современной дерматологии и косметологии. Розовые угри относятся к распро-страненным воспалительным дерматозам, поражающим кожу лица. В Российский федерации удельный вес розацеа среди всех дерматологических диагнозов составляет 5%, в Скандинавских странах 10%. Согласно данным различных ретроспективных исследований, в США распространенность данной патологии находится в преде-лах 1,3–2%. Частота розацеа среди всех акнеподобных дерматозов составляет около 36%, причем, начиная с 2005 года этот показатель имеет стойкую тенденцию к росту.Что же касается распределения розацеа по гендерному признаку, существуют дан-ные как о равном распределении данной патологии по полу, так и о преобладании заболевания среди женщин. Однако обращаемость по поводу данного заболевания значительно выше среди лиц женского пола. Розацеа относится к заболеваниям лиц среднего возрастного периода – период максимальной социальной и физической активности. Данное заболевание преимущественно поражает взрослых в возрасте 30–50 лет. Нередки случаи возникновения розацеа у людей старше 70 лет.

Женщины начинают болеть в более молодом возрасте, чем мужчины. Но у мужчин дерматоз протекает тяжелее, что связано, прежде всего, с низкой обращаемостью к дерматологу среди лиц мужского пола.

ЦельОценить структуру заболеваемости розацеа с точки зрения гендерно-воз-

растного состава.МетодыПод нашим наблюдением на базе БУЗ Орловской области «Орловский об-

ластной кожно-венерологический диспансер» и ОБУЗ «Курский областной клинический кожно-венерологический диспансер» в течение 2014–2015 гг. на-ходилось 109 пациентов в возрасте от 30 до 65 лет с различными формами роза-цеа, с длительностью болезни от 1 года до 20 лет. Больные находились на амбу-латорном и стационарном лечении. Перед началом исследования все пациенты заполняли письменное информированное согласие на добровольное участие и разглашение результатов анкетирования и тестирования.

Критерии включения в исследование:1) Длительность болезни от 1 года до 20 лет;2) Возраст респондентов от 30 до 60 лет;3) Наличие розацеа в фазе обострения;4) Письменное согласие пациентов;5) Клинически здоровые люди.Критерии исключения из исследования:1) Возраст больных моложе 30 лет и старше 65 лет;2) Давность заболевания менее 1 года;

108 Section 6.

3) Беременность и лактация;4) Отягощенный аллергологический анамнез;5) Наличие на момент исследования тяжелых или обострение хронических

заболеваний;6) Психические расстройства.Результаты и обсуждение: в качестве основных параметров в нашем исследова-

нии были использованы возрастные характеристики, гендерная принадлежность.Выбор данных критериев был обусловлен неоднократной зависимостью

(по данным многих авторов) выраженности патологического процесса от дан-ных аспектов. При проведении статистического анализа клинико-аналитических данных было установлено, что пациенты по гендерному признаку распредели-лись таким образом: 67 (61,5%) женщины, 42 (38,5%) мужчины. Абсолютное количество больных женщин в 1,5 раза больше, чем мужчин. Что же касается воз-растного критерия, пациенты распределились следующим образом: основная масса больных находится в возрастной группе 40–49 лет – 47 (43%). Количество пациентов в возрасте 30–39 лет – 35 (32%). Следующими в нашем возрастном интервале были пациенты в возрасте 50–59 лет – 19, что составляет 17%. Касае-мо возрастной группы 60–65 лет, отмечается минимальное количество больных розацеа – 8 (7%).

Возрастно-половая структура контингента больных розацеа представлена таким образом:

Таблица 1. – Возрастно-половая структура контингента больных розацеа

Возраст Мужчины,% Женщины%30–39 лет 10 2240–49 лет 16,5 26,650–59 лет 7,3 1060–65 лет 4,6 3

Как видно из наших данных, отмечается высокий процент заболеваемости у лиц трудоспособного возраста. Это может быть обусловлено прежде всего вы-соким уровнем психоэмоциональной напряженности, постоянное наличие про-воцирующих стрессовых факторов как в профессиональной сфере, так и в быту.

Выводы: таким образом, в процессе проведенного нами клинико-статистиче-ского исследования мы установили, что тяжесть течения патологического процес-са при заболевании розацея четко коррелирована с полом (у лиц мужского пола данный дерматоз протекает тяжелее, что связано с низкой обращаемостью к дер-матологу среди пациентов-мужчин, поскольку снижена мотивация в отношении решения эстетических проблем), возрастом (основная масса больных находится в возрастной группе 40–49 лет).

Medical science 109

Список литературы:1. Кубанова А. А., Махакова Ю. Б. Розацеа: распространенность, патогенез,

особенности клинических проявлений // Вестник дерматологии и венеро-логии. – 2015. – № 3. – С. 36–45.

2. Гревцева А. С. Клинические и диагностические особенности акне и роза-цеа при выявлении клещей рода demodex. Автореф.канд.дисс., 14.01.10. – Москва. – 2016.

3. Юцковская Я. А., Кусая Н. В., Ключник С. Б. Обоснование патогенетической терапии при акнеподобных дерматозах, осложненных клещевой инвазией Demodex folliculorum // Клиническая дерматология и венерология. – 2010. – № 3. – С. 60–63.

110 Section 6.

Sigal Soltan Mojschewitsch,E-mail: [email protected]

ZUR FRAGE ÜBER DIE BEDEUTUNG DES CHARAKTERS DES INTRAMURALEN ARTERIELLEN

BLUTFLUSSES DES DÜNNDARMS

Es ist bekannt, dass der Charakter des intramuralen arteriellen Blutflusses (pul-satil oder nichtpulsatil) eine wichtige Bedeutung für die Effektivität der Organper-fusion hat. Normalerweise sinkt die Geschwindigkeit des Blutflusses beim Übergang des pulsatilen Stroms von großen Arterien zu kleineren Arterien, was ein wichtiges Element der Regelung des regionären Blutkreislaufs ist. Die Transformation des pul-satilen intramuralen arteriellen Blutflusses zum nichtpulsatilen Blutfluss, beispiels-weise während des künstlichen Blutkreislaufs, verschlechtert wesentlich mikrozir-kulatorische Perfusion; mit dem Beginn der Pulsation ist eine positive Dynamik der Perfusionsparameter erkennbar. Es gibt Gründe anzunehmen, dass in pathologischen Situationen die Druckverschiebung in verschiedenen Gliedern des Hämozirkulation-Systems inhomogen ist. Der Zweck dieser Experimentaluntersuchung war die Be-urteilung des intramuralen Blutflusses in Arterien des Dünndarms von Hunden bei der Ischämiemodellierung.

Materialien und MethodenDie Untersuchung wurde an 610 Hunden mit einem Gewicht von 5 bis zu 10 kg

durchgeführt. Quantitative und qualitative Parameter der intramuralen Hämodynamik des Dünndarms von Tieren wurden mit Hilfe von Angiotensometrie-Gerät anfänglich und 10 Minuten nach der Ischämiemodellierung gemessen; Angiotensometrie und Pulsomotographie von intakten und ischämisierten Darmsteilen wurden durchgeführt.

UntersuchungsergebnisseWährend der Untersuchung wurden statistisch signifikante Unterschiede der

Amplitude von Pulsoszillationen (APO) in mesenterialen und antimesenterialen arteriellen Strömen unter Kontraktion (3.9 ± 0.6 mm bzw. 2.3 ± 0.2 mm, p < 0,05) und auch unter Darmentspannung (6.3 ± 0.6 mm bzw. 3.5 mm, p < 0,05) anfänglich festgestellt. Keine signifikanten Unterschiede zwischen APO der summarischen und mesenterialen Ströme im intakten Dünndarm wurden festgelegt.

Die Korrelation der intramuralen arteriellen Ströme wurde nach Skelettierung des Dünndarms mit der Strecke von 5 cm gemessen. Daneben wurde eine starke Re-duktion der APO und des intramuralen arteriellen Blutdrucks (AB) festgestellt. An-timesenteriale arterielle Ströme transformierten sich von pulsatil zu kontinuierlich. Mesenterialer intramuraler Blutdruck verschwand in diesem Fall, nur der sogenannte „enthauptete“ Blutdruck differenzierte sich: mesenterialer Blutdruck – 47.5 ± 9.1 mm

Medical science 111

Hg, antimesenterialer Blutdruck – 17.5 ± 5.6 mm Hg. Nach der Skelettierung blieben die Proportionen zwischen den zusammenwirkenden arteriellen Strömen in APO erhalten. Bei Hunden mit der Skelettierung von 5 cm wurden die Darmzotten einer Nekrose unterzogen. Stasephänomene wurden nachgewiesen; Thromben wurden überall in der Lamina propria der Schleimhaut beobachtet. Bei Pulsomotographie wurde der Darmpuls von 40 Prozent der Tiere in keinem von arteriellen Strömen beobachtet. Der Durchschnittswert des intramuralen arteriellen Blutdrucks (42 ± 7,8 mm Hg) entsprach der vollständigen Transformation des gepulsten arteriellen Blutflusses zum kontinuierlichen Blutfluss. Bei 50% der Hunde wurde der gepulste arterielle Blutfluss unter Pulsomotographie nach Ischämiemodellierung im mesente-rialen Strom nachgewiesen, wobei keine Pulsoszillationen im antimesenterialen Strom festgelegt wurden. APO schwang von 0,5 bis 2,5 mm, und der Durchschnittswert des mesenterialen arteriellen Blutdrucks betrug 61.4 ± 9.6 mm Hg.

Bei der Skelettierung des Dünndarms mit der Strecke von 5 cm erwies sich als möglich, nach dem Grad der Transformation des gepulsten arteriellen Blutflusses zu dem kontinuierlichen Blutfluss 3 hämodynamische Zustände oder Phasen der Trans-formation des gepulsten Blutflusses zu einem kontinuierlichen Blutfluss festzustellen. Die erste Phase zeigt sich durch einen reduzierten, aber erhaltenen gepulsten Blut-fluss in den zusammenwirkenden Strömen, die zweite Phase — durch einen gepulsten mesenterialen und ungepulsten antimesenterialen Strom, und die dritte Phase – durch die Abwesenheit des Darmpulses sowohl im mesenterialen als auch im antimesente-rialen intramuralen arteriellen Strom.

Die Gegenüberstellung der Parameter der intramuralen Hämodynamik mit dem morphologischen Bild von untersuchten Segmenten hat nach Ablauf von vierund-zwanzig Stunden folgendes gezeigt. Histologische Veränderungen bei Hunden, de-ren intramurale Hämodynamik der ersten Phase entsprach, bestanden in der Nekrose des oberen Drittels der Zotten, der Kapillarenerweiterung von Lamina propria der Schleimhaut. Die zweite Phase der Veränderungen der intramuralen Hämodynamik war mit den Stasephänomenen verbunden; die Mikrothrombenbildung wurde über-all in Lamina propria der Schleimhaut beobachtet; Hämorrhagien wurden in Submu-kosa bei 2 Tieren festgelegt. Bei Tieren, deren intramurale Hämodynamik der dritten Phase des intramuralen Blutflusses entsprach, wurden die Schleimhautnekrose, die Stasephänomenen in den Venen des submukösen Plexus, perivaskuläre Hämorrhagi-en in muscularis propria nach Ablauf von vierundzwanzig Stunden beobachtet.

Zusammenfassungen1. Normalerweise werden signifikante hämodynamische Unterschiede so-

wohl in der Amplitude der Pulsoszillationen als auch in der Höhe des intramuralen arteriellen Blutdrucks in mesenterialen und antimesenterialen arteriellen Strömen beobachtet.

112 Section 6.

2. Nach der Skelettierung des Dünndarms wird eine Dreiphasen-Regelmäßigkeit der Transformation des gepulsten arteriellen Blutflusses zu dem kontinuierlichen Blut-fluss nachgewiesen.

3. Die Intensität der morphologischen Veränderungen in der Dünndarmwand korreliert mit der Phase der Transformation des gepulsten arteriellen Blutflusses zu dem kontinuierlichen Blutfluss, was bei der Beurteilung der Darmlebensfähigkeit un-ter verschiedenen pathologischen Zuständen berücksichtigt werden kann.

Medical science 113

Section 7.Agricultural sciences

Mamuladze Merab,Associate Professor

Batumi Shota Rustaveli State UniversityE-mail: [email protected]

Fadiko Abuselidze,Assistant Professor

Batumi State Maritime AcademyE-mail: [email protected]

Mixeil Lejava,Professor


RESEARCH OF VIBRATION IN TILLERS FOR DIFFERENT TYPES OF FUEL MIXTURES

Abstract: Nowadays, when most parts of the grounds in Georgia are contoured, the demand has increased on the small capacity technical machines, in particular, the tillers. Tillers perform different kinds of agricultural works, where the works are managed by the operator, which experiences vibration of different volumes, impuls-es, noise and overall, causes damage to human bodies, diseases of respiratory organs and dynamic loading in the result of a long time work. In the scope of this scientific work is investigated dependence on diesel fuel vibration of different kinds in the cases of five different rotations in the number of digits. The research shows that the only risk factor that contradicts the ISO 5349–2 (2004) standard is a number of fuel and motor (engine) rotations. The four-year work experience showed that 10% of the operators who worked on tillers got different kinds of damage. The experiments also showed that vibration volume decreases when the number of engine rotations rises and in case of using the biodiesel risk factor of damages is 5–10%, while in case of using the regular diesel this index exceeds 20%.

Keywords: vibration; high-risk factor; labor conditions; tractors.

114 Section 7.

IntroductionThe vibration that occurs on agricultural tractors has an effect on the driver because

of the reduced comfort, impaired activities and possible health degradation of the drivers. The limit values for exposure to vibration must not exceed allowed values referred to the protection of the drivers and shall be based on the European Parliament and Council Directive 2002/44/EC, and the International Organization for Standardization ISO 2631–1:1997 1. The vibration transmitted from the ground to the driver’s seat of a bal-lasted wheeled tractor, equipped with a front suspension axle and a suspended cab, have been measured and analyzed by Servadio & Belfiore 2. Two different tyres and two differ-ent forward speeds have been experimentally tested, during the simulation of the front agricultural implements transportation on a rectilinear plane tract of a conglomerate bituminous closed track. In addition, Servadio & Belfiore 2 studied the influence of the mechanical vibration on human health and assessed it with four methods: the health guidance caution zones, the estimated vibration dose value, the fourth power vibration dose value (VDV), and a combination of the methods. Fairley 3, Buchholz et al. 4, and Goglia et al. 5 studied different forms of vibration and found that they are transmitted to the driver’s body via the seat, to the feet via the floor, and to the hands via the steering wheel. Furthermore, exposure to high-frequency vibration for a long time period can cause health risks to the drivers such as: vascular, neurological and musculoskeletal dis-orders, which in most cases are usually permanent. The resonance behavior of the human body is very important in the identification of vibration frequencies and body postures associated with musculoskeletal problems. The low-frequency vibration below 10 Hz results in various combinations of bending deformations of the spine, vertical motion of the viscera, axial and shear deformations of the buttocks tissue, pitching motion of the pelvis and pitching motion of the head (Kitazaki & Griffin, 1998) 6.

1 ISO, 1997. ISO 2631–1, Mechanical vibration and shock-Evaluation of human exposure to whole-body vibration. Part I: general requirements. International Organization for Standardization, Geneva.

2 Servadio P., Belfiore. Influence of tyres characteristics and travelling speed on ride vibrations of a modern medium powered tractor Part I: Analysis of the driving seat vibration. The CIGR e-journal 15 (4):119. December – 2013.

3 Fairley T.E. Predicting the discomfort caused by tractor vibration. Ergonomics 38 (10). – 1995. – P. 2091–2106. URL: https://doi.org/10.1080/00140139508925253.

4 Buchholz B., Moir S., Virji M. A. An ergonomic assessment of an operating engineer: a pilot study of excavator use. Appl Occup Environ Hyg 12 (1). – 1997. – P. 23–27. URL: https://doi.org/10.1080/1047322X.1997.10389451.

5 Goglia V., Gospodarić Z., Košutić S., Filipović D. Hand-transmitted vibration from the steering wheel to drivers of a small four-wheel drive tractor. Appl Ergonom 34. – 2003. – P. 45–49. URL: https://doi.org/10.1016/S0003–6870 (02)00076–5.

6 Kitazaki S., Griffin M. J. Resonance behaviour of the seated human body and effects of posture. J Biomechanics 31. – 1998. – P. 143–149. URL: https://doi.org/10.1016/S0021–9290 (97)00126–7.

Agricultural sciences 115

The reduction in vibration transmitted to the drivers of modern tractors was achieved by means of one or more suspension systems provided between the vibration source and the driver’s body (e. g. cab, seat, and front axle suspension systems). Passive and active tractor suspension systems have been studied by many researchers. Marsili et al. 1 adopted an innovative system that is able to reduce vibrations transmitted to the driver’s seat using a front axle suspension system and a shock absorber for the implement connection. The front axle suspension system involved a large reduction of about 15% to 30% of accelera-tion. The shock absorber created a variable behavior depending on the test condition; it caused both attenuation and amplification, although when in combination with the sus-pension it often involved an average reduction in acceleration (24%). Shamshiri & Ismail 2 described the design of a full-state active suspension control system with a feedback for the Kubota M110X agricultural tractor. The active suspension control system has the potential to improve ride comfort by dissipating the resulting oscillations within a settling time of less than five seconds and overshoot of about 10% of the inputs disturbance.

Modern tractor seats are equipped with different type of suspension systems. The type of suspension systems may include pneumatic, hydraulic, mechanical, or combina-tion of these suspension systems 3. The first seat suspension systems provided suspension only in the vertical axis based on a coil spring and telescopic hydraulic dampers. Many modern operator seats still utilize this design. During recent years, the majority of opera-tor seats utilize an air spring and damper suspension systems in the vertical axis, as well as a mechanical spring and damper systems in the horizontal axis 4. Smart seats utilize electro-hydraulic and air suspension systems with electronic control of ride height and dynamic adjustment of suspension stiffness. Paul-Émile Boileau 5 investigated the lateral ride performance of an off-road vehicle with a seat suspension having a dynamic vibra-tion absorber. This prototype suspension system was tested in the laboratory under field conditions. The results showed that the seat suspension can significantly improve ride

1 Marsili A. L., Ragni G. Santoro and Servadio G. Innovative systems to reduce vibrations on agricultural tractors: comparative analysis of acceleration transmitted through the driving seat. Biosyst. Eng., 81 (1). – 2002. – P. 35–47.

2 Shamshiri R., Ehsani J. M., Maja F. M., Roka. – Determining Machine Efficiency Parameters for a Citrus Canopy Shaker Using Yield Monitor Data. Applied Engineering in Agriculture. URL: https://elibrary.asabe.org/abstract.asp. – 2013.

3 Maciejewski I., Meyer L., Krzyzynski T. The vibration damping effectiveness of an active seat suspension system and its robustness to varying mass loading. J Sound Vibration 329. – 2010. – P. 3898–3914. URL: https://doi.org/10.1016/j.jsv.2010.04.009.

4 Braghin F., Cheli F., Facchinetti A., Sabbioni E. Design of an active seat suspension for agricultural vehicles. Struct Dynam 3. – 2011. – P. 1365–1374. URL: https://doi.org/10.1007/978–1-4419–9834–7_120.

5 Paul-Émile Boileau. Vibration attenuation performance of suspension seats for off-road forestry vehicles. International Journal of Industrial Ergonomics 5 (3). – 1990. – P. 275–291. May.

116 Section 7.

by 75% and reduce peak relative displacement by 7%. Kitazaki S, Griffin MJ 1 studied the vibration in the three translational and three rotational axes of head motion during exposure to whole body random vibration. It was found that seat-to-head transmissibili-ties are shown up to frequencies of 25Hz for all six axes of head vibration.

A substantial proportion of tractor vibration resulted from the dynamic movement of a long, heavy implement such as a plough during road/track transport. These vibra-tions are transferred from the implement to the tractor chassis via the 3-point linkage. an effective dynamic ride control system can substantially reduce the ride vibration of the tractor-implement combination during road/track transport. Loutridis et al. 2 focused on the effect that the electronic engine speed regulator has on tractor ride vibration levels. A tractor with electronic engine speed regulator was driven on a predefined track in two basic series of tests. First, on a conglomerate bituminous track at speeds of 20, 25 and 28 km/h, and then on a rough farm track at speeds of 6, 7.5 and 9 km/h. Vibration was measured upon the surface of the driver seat simultaneously in the x, y and z axis. In the first case, the weighed r. m.s. acceleration was found to be between 8% and 8.6% higher for the case where operation with electronic speed adjustment had been selected. In the second case, the vibration levels with automatic speed adjustment were between 4.3% and 8.6% lower than when driving with normal foot pedal operation. The aim of this work was to measure, record, and analyze in field conditions the vibration experienced by the tractor’s seat during the seedbed preparation with different tractors, differ-ent implements and different speeds. The main effects of the factors to be considered were: tractors, implements and speeds. Additionally, the interaction was examined that occurs between: a) tractors and implements, b) tractors and speeds, c) implements and speeds, and d) tractors, implements and speeds.

Materials and MethodsThe vibration of tillers emerges when the internal combustion engines start

until the end of agricultural works, all of this causes noise, and petroleum products as a result of combustion allocate gases, that leads to ozone depletion over time, environment pollution and different types of diseases in big industrial cities. In order to avoid this, the alternative fuels are being investigated worldwide, fuels that decrease pollution risk factors, and one of these fuels is considered to be die-sel fuel made from green plants and animal fat, and its atmosphere pollution risk factor is very low. These kinds of fuels are derived from sunflower oil, as a result of plants and animal fat conversion. The most parts of agricultural production works

1 Kitazaki S., Griffin M. J. Resonance behaviour of the seated human body and effects of posture. J Biomechanics 31. – 1998. – P. 143–149. URL: https://doi.org/10.1016/S0021–9290 (97)00126–7.

2 Loutridis S., Gialamas T., Gravalos I., Moshou D., Kateris D., Xyradakis P., Tsiropoulos Z. A study on the effect of electronic engine speed regulator on agricultural tractor ride vibration behavior. J Terramechanics 48 (2). – 2011. – P. 139–147. URL: https://doi.org/10.1016/j.jterra.2010.10.002.


are being carried out with diesel-type internal combustion engines, both for til-lers and tractors, and the decrease of human damage and environmental pollution depends on their proper performance. Based on many researches 1, it was revealed that noise and vibration, in general, are caused while using the regular diesel 2, and the purpose of our actual research is to investigate the impact related to vibration in the tillers while using the mixtures of regular fuel and biodiesel.

The vibration emerged during the engine work process is calculated with a meth-od of an average speed of acceleration using the following formula.

aT

a t dtrms

T

=

∫1

0

2

12

( )

Where arms � � – root-mean-square value (m/wm 2)t – acceleration areaT – acceleration period (m/sec 2)Vibration evaluation is possible according to International Standard ISO 5349–2

(2001) 3 in the three-dimensional system XYZ and is determined according to the high or low-frequency development and calculation of the root-mean-square value of acceleration is possible as follows:

a k ahwi

n

i hi= ( )=∑

1

2

Where ki – is a standard factorahi – addition to standard factor frequencyn – frequency.For research and testing purposes we have chosen the following technical char-

acteristics:Table 1.

Engine Internal combustion one cylinderAmount of cylinders OneImpulse cycle Four impulsesCooling system AirNumber of engine rotations 1200–3200 rot/min

1 Bini S., Kathirvel K. Development and evaluation of vibration isolators for reducing hand transmitted vibration of walking and riding type power tillers. Biosystem Journal, 103. – 2009. – P. 427–437.

2 Nupur Y., Tewari V., Thangamalar R., Sweeti K., Ashok K. Translational vibration evaluation of tractor seats for ride comfort. Agric Eng Int: CIGR Journal 15 (4). – 2013. – P. 102–112.

3 International Standard ISO 5349–2. – 2001. URL: https://www.iso.org/standard/27511.html

118 Section 7.

According to the International Standard ISO 5349–2 (2001) vibration evalua-tion in the XYZ system can be displayed as follows:

a a a ahv hwX hwY hwZ= + +2 2 2

where ahv – Gross average square acceleration (m/wm 2)ahwX – vibration acceleration in relation to X axis (m/sec 2).ahwY – vibration acceleration in relation to Y axis (m/sec 2).ahwZ – vibration acceleration in relation to Z axis (m/sec 2).According to ISO 5349–2 Standard, accepted norm of exposure to vibration for

the operators is 8 hours and is calculated using the following formula:

A aTThv8

0

( ) =

Where A 8( )– Daily vibration exposureahv – Gross average square acceleration (m/sec 2)T – Total daily duration of exposure to the vibrationT0 − Reference duration of 8 h (28 800 sec);The Daily vibration can be calculated as follows:

D Ay = ( )( )−31 8 81 06

,.

The research has been conducted concerning various hand positions of an opera-tor on the tiller handler (Figure 1).

Figure 1. Hand positions a, b, and c

During the research we have used the following equipment for vibration measure-ment: Notebook HP ProBook4540s; tachometer, current rectifier, and acoustimeter. (Figure 2).

For the research six types of diesel and biodiesel fuel mixtures were used: D; B5; B10; B15; B20 and B100 – engines 1400; 1600; 1800; 2000 and 2200 in the rotation number cases.


Figure 2. Equipment, required for vibration research

We have measured vibration in three phases and in the notebook Labviev 2009 software was used. We have chosen the signal for various cases separately, used Matlab 7 software for its mathematical programming and presented the calculated acceleration value in the form of the diagram (Figure 3).

Figure 3. Oscillogram of acceleration values

We have presented the vibration index for the different rotation numbers on the table;

120 Section 7.

Table 2. – Vibration index for the different rotation numbers

Engine rotation number

Fuel typeD B15 B10 B15 B20 B100

1400 3,10 3,16 3,82 3,78 3,54 3,531800 1,28 1,22 1,19 2,02 1,75 1,772200 2,27 2,45 2,97 3.07 2,90 2,85

Fuel combustion dependence related to the fuel mixture is shown graphically as follows (Figure 4).

Figure 4. Fuel combustion quantity depending on fuel type accordingly

Vibrations in case of the different fuels are presented in the following table using the Duncan method:

Table 3.

Fuel type R. M.S value Evaluated value using Duncan method1. B10 3,078 A2. B15 3,031 B3. B20 2,93 C4. B100 2,92 D5. D 2,92 E6. B5 2,57 F

SummaryThe research has shown:– While using the regular diesel during the four years, labor conditions for opera-

tors are likely to get worse, and the ISO 5349–2 Standard conditions shall be violated, and according to statistics, this causes damage to the 10% of operators.


– Experimentative research has shown that engine speed growth next to operator’ body gives effect in relation with vibration accordingly, in particular, the highest vibra-tion and noise were detected in the case of speed 1800–2200 rot/min.

– In the case when speed is 1800 rot/min, operator experienced the most vi-bro impulse, working under this condition is unacceptable.

– The risk of vibration for biodiesel is 10% and for regular diesel fuel is 15–20%. It can be said that for the works using low mechanization level, the diesel fuel can be substituted by biodiesel.

References:1. Servadio P., Belfiore. Influence of tyres characteristics and travelling speed on

ride vibrations of a modern medium powered tractor Part I: Analysis of the driv-ing seat vibration. The CIGR e-journal 15 (4). – 2013. – 119. December.

2. Fairley T. E. Predicting the discomfort caused by tractor vibration. Ergo-nomics 38 (10). – 1995. – P. 2091–2106. URL: https://doi.org/10.1080 /00140139508925253.

3. Goglia V., Gospodarić Z., Košutić S., Filipović D. Hand-transmitted vibration from the steering wheel to drivers of a small four-wheel drive tractor. Appl Er-gonom 34. – 2003. – P. 45–49. URL: https://doi.org/10.1016/S0003–6870 (02)00076–5.

4. Buchholz B., Moir S., Virji M. A. An ergonomic assessment of an operating engi-neer: a pilot study of excavator use. Appl Occup Environ Hyg 12 (1). – 1997. – P. 23–27. URL: https://doi.org/10.1080/1047322X.1997.10389451.

5. Park S. J., Subramaniyam M. – Evaluating Methods of Vibration Exposure and Ride Comfort in Car-Journal of The Ergonomics Society of Korea 32 (4). – 2013. – P. 381–387.

6. Bovenzi M., Betta A. Low-back disorders in agricultural tractor drivers exposed to whole-body vibration and postural stress. Appl Ergonom 25 (4). – 1994. – P. 231–241. URL: https://doi.org/10.1016/0003–6870 (94)90004–3.

7. Marsili A., Ragni L., Santoro G. and Servadio G. Innovative systems to reduce vi-brations on agricultural tractors: comparative analysis of acceleration transmitted through the driving seat. Biosyst. Eng., 81 (1). – 2002. – P. 35–47.

8. Shamshiri R., Ehsani R., Maja J. M., Roka F. M. Determining Machine Efficiency Parameters for a Citrus Canopy Shaker Using Yield Monitor Data. Applied En-gineering in Agriculture, URL: https://elibrary.asabe.org/abstract.asp. – 2013.

9. Maciejewski I., Meyer L., Krzyzynski T. The vibration damping effectiveness of an active seat suspension system and its robustness to varying mass loading. J Sound Vibration 329. – 2010. – P. 3898–3914. URL: https://doi.org/10.1016/j.jsv.2010.04.009.

122 Section 7.

10. Braghin F., Cheli F., Facchinetti A., Sabbioni E. Design of an active seat suspen-sion for agricultural vehicles. Struct Dynam 3. – 2011. – P. 1365–1374. URL: https://doi.org/10.1007/978–1-4419–9834–7_120.

11. Paul-Émile Boileau. Vibration attenuation performance of suspension seats for off-road forestry vehicles. International Journal of Industrial Ergonomics 5 (3). – 1990. – P. 275–291. May.

12. Kitazaki S., Griffin M. J. Resonance behaviour of the seated human body and ef-fects of posture. J Biomechanics 31. – 1998. – P. 143–149. URL: https://doi.org/10.1016/S0021–9290 (97)00126–7.

13. Loutridis S., Gialamas T., Gravalos I., Moshou D., Kateris D., Xyradakis P., Tsiropoulos Z. A study on the effect of electronic engine speed regulator on agricultural tractor ride vibration behavior. J Terramechanics 48 (2). – 2011. – P. 139–147. URL: https://doi.org/10.1016/j.jterra.2010.10.002.

14. Bini S., Kathirvel K. Development and evaluation of vibration isolators for reduc-ing hand transmitted vibration of walking and riding type power tillers. Biosystem Journal, 103. – 2009. – P. 427–437.

15. Nupur Y., Tewari V., Thangamalar R., Sweeti K., Ashok K. Translational vibra-tion evaluation of tractor seats for ride comfort. Agric Eng Int: CIGR Journal 15 (4). – 2013. – P. 102–112.

16. International Standard ISO 5349–2. – 2001. URL: https://www.iso.org/stan-dard/27511.html


Section 8.Technical sciences

Jamalova Jala Siyavush,Azerbaijan State Oil and Industrial University,

Assistant, the faculty of Information Technologies and ManagementE-mail: [email protected]

ONTOLOGY OF THE PORTAL KNOWLEDGECurrently, the problem of the effective use of the vast amount knowledge

and information resources accumulated in various areas of human activity is very acute. However, access to these knowledge and resources is significantly limited due to the fact that they are poorly structured, poorly systematized, and dispersed across various Internet sites, libraries and archives. To solve this problem, an approach to the construction of specialized Internet knowledge portals ensuring the integration of accumulated knowledge and information resources in a certain field of scientific knowledge and substantial access to them is proposed.

An information model is proposed to provide a unified presentation of diverse knowledge of data, accounting for their connectivity, as well as supporting the functionality of such portals, the basis of which is ontology.

Information model portal of the knowledge combines the models of domain and problem fields, as well as describes the types presented in the information portal.

Formally the information model of the portal M p is described by two: M O ICp p p= , ,

where Op is the ontology of the portal; ICp is information content of the portal.Ontology is the core, basic component of information model of the portal. Not

only it describes the knowledge system of the portal, but also gives a formal structure for the presentation of its content.

From the substantive point of view, the ontology of the portal knowledge serves to present the concepts needed for describing both scientific activity and scientific knowledge on the whole, and particularly specific knowledge area 1.

1 Jamalova Jala. Information model portal of scientific knowledge. International Journal of Engineering and Applied Sciences (IJEAS) ISSN: 2394–3661, – Volume 4. – Issue 6. – June – 2017.

124 Section 8.

In order to simplify the configuration of the portal to the selected area of the knowledge, the ontology of the portal is divided into subject-independent (basic) ontologies and the knowledge portal domain ontology (subject ontology).

The ontologies of scientific activity ORA and scientific knowledge OSK, which doesn’t depend on the domain of knowledge portal, are chosen as a base. These ontologies are constructed on the base of the meta-ontology formalism O.

The scientific activity ontology acting as an ontology of the problem domain of the knowledge portal is constructed on the base of the ontology proposed in for the description of research projects, and in fact it is an upper level ontology. It includes basic classes of concepts related to the organization of scientific and research activities, such as the Explorer, Organization, Event, Activity (project), Publication, and so on. This ontology also includes the Information resource, which serves to describe the information resources presented on the Internet.

The scientific knowledge ontology fixes the basic content structures used to construct subject-matter ontologies.

In particular, this ontology contains meta-concepts defining the structures to describe the concepts of a particular knowledge area as: Science Section, the Research Method, the Object of Research, the Subject of Research, the Scientific Result.

The concepts of each subject ontology are realizations of the meta-concepts of scientific knowledge ontology and can be ordered in the “general-private” hierarchy.

The concepts of basic ontologies are related to each other by associative relations, the choice of which was made not only based on the completeness presentation of the problem and subject domains of the portal, but also taking into account the ease of navigating through its content and information retrieval therein 1.

The most important associative relations are as follows:“scientific direction” – connects events, publications, organizations, researches by science sections;

• “describes” – specifies the relationship of the publication with the scientific result, object or research method;

• “uses” – connects the research method to the activity, researches or science section;

• “applies to” – relates the research method to the research object;• “result” – connects the scientific result with the activity;• “resource” -connects an information resource with events, publications,

researches, methods and research objects;• “works in” – connects the researcher with the organization which he works for 2.

1 Jamalova Jala. Information model portal of scientific knowledge. International Journal of Engineering and Applied Sciences (IJEAS) ISSN: 2394–3661, – Volume 4. – Issue 6. June – 2017.

2 Ibid.

Technical sciences 125

References:1. Jamalova Jala. Information model portal of scientific knowledge. International

Journal of Engineering and Applied Sciences (IJEAS) ISSN: 2394–3661, – Volume 4. – Issue 6. June – 2017.

126 Section 8.

Section 9.Physics

Kasumov Anatoliy Mukhtarovich,Frantsevich Institute for Problems of Materials Science

of National Academy of Science of Ukraine. PHD,head of the Laboratory of Thin Films in the Department 35

E-mail: [email protected] Valentina Mikhaylovna,

Frantsevich Institute for Problems of Materials Scienceof National Academy of Science of Ukraine

Technologist of Laboratory of Thin Films in the Department 35Shapoval Kseniia Olegovna,

Frantsevich Institute for Problems of Materials Scienceof National Academy of Science of Ukraine

Postgraduate student, Solid State PhysicsE-mail: [email protected]

Perepelitsa Maksim Aleksandrovich,Frantsevich Institute for Problems of Materials Science

of National Academy of Science of Ukraine,Engineer in the Laboratory of Thin Films in the Department 35

Lashkaryov Georgiy Vadimovich,Frantsevich Institute for Problems of Materials Science

of National Academy of Science of UkraineProf., head of the Department 35


SPECTRAL DEPENDENCE OF FARADAY EFFECT IN NANOSIZE TB2O3/FE STRUCTURE

Nanosize structures, consisted with contacting layers of rare earth metals (REM) oxides and metals of Fe group (Fe, Co, Ni) not long ago begin to attract attention of investigators due to realization an interaction between f – and d-elements in area of

Physics 127

contact 1. That f-d interaction leads to increase of d-metal films magnetization, there-fore may be used for amplification of processes, which depend on this parameter, for example, Faraday and Kerr effects, tunnel magnetoresistance etc.

At this work a spectral dependence of Faraday effect is considered in REM oxide/d-metal structure, consisted by contacting Tb O2 3 (140 nm) and Fe (30 and 120 nm) layers. As it is shown in 2, at that structures in case of thick (120 nm) magne-toactive film (Fe) an influence of interference to Faraday effect is weak, while at thin (30 nm) one – significant. Therefore the aim of this investigation is a determination of Faraday effect’s spectral dependence features in REM oxide/d-metal structure at weak and significant influence of light interference in layers.

The Tb2O3/Fe structure was consisted by in turn deposited to glass substrate by electron beam evaporation Fe (p = 5·10–3 Pa, υ = 20 nm/min, t substr . = 25 ˚C) and Tb2O3 (ρ02

22 10= ⋅ − Pa , υ = 40 nm/min, t substr . = 25 ˚C) layers. The Fe films were polycrystalline, oxide – amorphous.

There is the dependence of Faraday angle ϕF on light wave length λ in Tb O Fe2 3 / structure at Fe film thickness 30 and 120 nm at the figure. A strength of external mag-netic field is 700 Oe.

Figure 1.

1 Lashkaryov G. V., Kasumov A. M., Karavaeva V. M., Mikitchenko A. A., Rumiantseva Y. Y. Magnetic interaction of nanosize Ni and Dy2O3 films, Col. of Intern. Conf. NANSYS-2016. – 1–2 Dec. – 2016. – Kiev. Ukraine.

2 Maevsky V. M. Theory of magnetooptic effects at multilayer systems with arbitrary orientation of magnetization, Physics of metals and physical metallurgy, – Vol. 59. – Part 2. – 1985. – P. 213–219.

128 Section 9.

It is seen from the picture, that at Fe film thickness 120 nm a value of ϕF is larger than at 30 nm. It is in accordance with Faraday effect theory 1: at rising of magnetoac-tive matter’s thickness, ϕF must to increase.

The feature of Faraday effect’s spectral dependence in nanosize Tb O Fe2 3 / struc-ture is presence of deep minimum at ϕF ( )λ curves. At this case a form of ϕF ( )λ dependence is like parabolic ϕ λF

2~ , while for volume samples is usually hyperbolic ϕ λF

−2~ . Formation of the minimum in nanosize Tb O Fe2 3 / structure is possibly due to complicated dependence of ϕF on wave length λ , indexes of refractionn( )λ and absorptionk( )λ , which have different curves of dispersion for Fe films.

At Fe film thickness 120 nm, when influence of interference is weak, the mini-mum’s form is sharp, and it is placed at λ = 0 55, μm. But at 30 nm, significant influ-ence of interference leads to expansion of minimum up to spectral area (0,5–0,6 μm).

The largest values of specific Faraday angle received at short (0,40 μm) and long-wave (0,62 μm) boundary of visible diapason are 12·10 5 deg/cm, and smallest at 0,55 μm – 1·10 5 deg/cm.

Thus, it was determined that in nanosize Tb O Fe2 3 / structure the spectral depen-dence of Faraday effect in visible region of (0,4–0,65) μm has parabolic character ϕ λF

−2~ both at significant and weak influence of interference, at last case being more washing out near a minimum.

References:1. Lashkaryov G. V., Kasumov A. M., Karavaeva V. M., Mikitchenko A. A., Rumi-

antseva Y. Y. Magnetic interaction of nanosize Ni and Dy2O3 films, Col. of Intern. Conf. NANSYS-2016. – 1–2 Dec. – 2016. – Kiev. Ukraine.

2. Maevsky V. M. Theory of magnetooptic effects at multilayer systems with arbi-trary orientation of magnetization, Physics of metals and physical metallurgy, – Vol. 59. – Part 2. – 1985. – P. 213–219.

1 Maevsky V. M. Theory of magnetooptic effects at multilayer systems with arbitrary orientation of magnetization, Physics of metals and physical metallurgy, – Vol. 59. – Part 2. – 1985. – P. 213–219.

Physics 129

Section 10.Chemistry

Jona Keri,Elvana Cako,

Altin Mele,Faculty of Natural Science, Chemistry Department,

University of Tirana, Bulevardi “Zogu i Pare”Tiranë, Albania

Email: [email protected]

ANION EXCHANGE BY THE SUSPENSION OF AN IRON RICH MONTMORILLONITE CLAY

Abstract: The replacement of hydroxyl ions by fluoride ions is determined quantitatively for the Perrenjas clay mineral. The pH of the clay suspension in contact with fluoride ions increases because of the hydroxyl ions release. This iron rich montmorillonite clay mineral is washed out almost completely from its aluminum, iron, magnesium and hydroxyl groups by sulfuric acid treatment and afterwards was contacted with a fluoride ions solution. The hydroxyl concentration remains almost constant showing that fluoride ions replaces the hydroxyl groups bounded in the clay metal atoms. Infrared and chemical analysis of the clay before and after the acid treatment are used to determine the presence of hydroxyl groups and the metal ions clay.

Keywords: anion exchange, acid treatment.

1. IntroductionThe information available on the exchange of anions by clay minerals is scarce; it is

known, however, that the adsorption of anions is of great importance to soil fertility. The adsorption of phosphate by soil and soil minerals received particular attention (Parfitt, 1978; Bowden et al., 1980; Theng et al., 1982) concluding that phosphate, oligophosphates, polyphosphates, and many other polyanions are capable of stabilis-ing clay mineral dispersions against coagulation and flocculation.

130 Section 10.

The adsorption of fluoride ions on montmorillonite and kaolin was studied by Weiss et al. (1956) who found that the anion exchange capacity depends on the di-ameter of the montmorillonite particles.

For anions chloride and nitrate, the reported anion exchange capacity by kaolinite and montmorillonite is lower than for phosphate and arsenate (Muljadi et al., 1966a, 1966b, 1966c; Grim, 1968; Parfitt, 1978; Bergseth, 1985; Violante and Pigna, 2002).

The mechanism how the clay minerals can adsorb anions is shown to be by ex-changing structural OH groups at the edges, and also on basal (planar) surfaces of ka-olinite (Muljadi et al., 1966a, 1966b, 1966c; Parfitt, 1978; Theng et al., 1982), known as a process of “ligand exchange”.

Fluorine is of special interest in that it forms a very stable complex ion with alu-minium (AIF6) 3-, and has the same ionic radius as hydroxyl. Dickman and Bray (1941) report experimental results which indicate a stoichiometric replacement of the lattice OH of kaolinite by fluorine.

In this work, sample of Perrenjas clay mineral before and after its treatment with a 1 M sulfuric acid solution are tested for their fluorine exchange capacity against their structural hydroxyl groups. The powdered Perrenjas clay samples are shaken with a neutral solution of NaF, the suspension centrifuged and the supernatant liquid analyzed it for its concentration of OH-.

2. Experimental2.1 Material and methodsNaF reagent ≥ 99% Fluka and H2SO4 96% (ρ= 1.835 g/cm 3) of Fluka were used in

the experiments. The concentration of hydroxyl ions in solutions was determined us-ing an pH Meter of manufacturer JENWAY Model 3505.

Perrenjas clay is collected in Perrenjas area at the coordinates 41.067; 20.552, on the soil surface and washed by suspension/precipitation. The chemical composition and the diffractometry analysis of its averaged sample shows that it is an aluminium sil-icate with smectite structure 2:1, with 2 tetrahedral SiO2 and one octahedral Al2O3 lay-ers with high content of iron and magnesium as shown in table1.

Table 1. – Elemental analysis of the natural and 1 M sulfuric acid activated Perrenjas clay mineral

Sample/Element Si% Al% Fe% Ca% Mg% S% O%

Untreated Perrenjas clay 22.00 7.09 10.47 1.93 5.78 0.04 40.49

Perrenjas clay treated with 1 M H2SO4

27.71 3.68 7.07 0.39 3.00 0.05 40.06

The sulfuric acid activated Perrenjas clay was prepared by adding 20 g of Perrenjas clay and 180 g of 1 M solution of H2SO4 (ρ=1.0814 g/ml) to a 500 ml, 3 necked-flask

Chemistry 131

equipped with an inner thermometer, reflux condenser and stirrer. The mixture is stirred under reflux for 3 hours. The mixture is transferred to a 400 ml beaker. The product is purified by repeating centrifugation and washing with distilled H2O and dried over phosphorus pentoxide at 70 °C/0.05 mbar overnight.

Fourier Transform Infrared (FTIR) Spectroscopy analysisInfrared analysis of the Perrenjas clay samples were performed in a Nicolet

6700 FTIR of the producer Thermo Scientific equipped with an Attenuated Total Reflectance (ATR) device. The samples were analyzed as dried powder form by ap-plying them on the ATR crystal. The measurements were performed in the Institute of Applied Nuclear Physics, University of Tirana.

X-Ray diffraction analysisThe X-ray powder diffraction (XRPD) technique was used to carry out the

qualitative analysis of the untreated and sulfuric acid treated Perrenjas clay samples. Powder patterns were collected at room temperature by using an automated Rigaku RINT2500 laboratory diffractometer (50 KV, 200 mA) equipped with the silicon strip Rigaku D/teX Ultra detector. An asymmetric Johansson Ge crystal was used to select the monochromatic Cu Kα1 radiation (λ = 1.54056 Å). The angular range 5–80° (2θ) was scanned with a step size of 0.02º and counting time of 3.0 s/step. The measure-ments were executed in transmission mode, by introducing the samples in a special glass capillary with a 0.5 mm of diameter and mounted on the axis of the diffractom-eter. In order to reduce the effect of possible preferred orientation, the capillaries were rotated during measurements to improve the randomization of the orientations of the individual crystallites.

2.2 Fluoride vs. hydroxyl anion exchange procedureThe change in the pH of the suspensions were first investigated by adding in

two flasks with 100 mL distilled water 2 g of untreated Perrenjas clay in the first and 2 g of 1 M sulfuric acid treated Perrenjas clay to the second. The pH was measured every 15 minutes. A progressive rise was observed in both cases reaching the value of pH = 7.72 for the untreated Perrenjas clay and pH = 7.29 for the 1 M sulfuric acid treated sample.

Same procedure was repeated for both untreated and acid treated Perrenjas clay samples using 100 mL of neutral NaF solutions instead of water. The pH in the case of untreated sample rose to 8.69 and in the case of 1 M sulfuric acid treated Perrenjas clay to 7.34.

Results and discussionImpact of the sulfuric acid treatment on structural characteristics of the

Perrenjas clay mineral is shown in X-Ray diffractograms (XRD) of the figure 1. The clay mineral displays three characteristic peaks belonging to the mineral montmorillonite at 2θ = 8.7; 19.56; 35.94 and one of a non-clay mineral quartz

132 Section 10.

(2θ = 26.64) as reported in the literature 1. The 1 M sulfuric acid activation of Per-renjas clay causes evident structural changes. The intensity of the indexed peaks (100) and (006) was significantly reduced after the treatment with 1 M H2SO4. The XRD of the acid activated Perrenjas clay showed gradual dissolving of the octahedral sheets. The disappearance of the M (001) peak shows the exfoliation of the mineral.

The chemical analysis of the untreated and of 1 M H2SO4 treated Perrenjas clay mineral given in table 1 shows that the acid removes nearly half of the Al, Fe and Mg from the structure of the clay.

Figure 1. X–Ray diffractometry of the untreated and 1 M sulfuric acid treated Perrenjas clay mineral

Figure 1 shows the infrared spectra ranging from 4000 cm-1 to 2700 cm-1 of the untreated Perrenjas clay mineral and of four different samples of Perrenjas clay mineral treated in the same way with 1 M sulfuric acid solution.

The broadest band with a maximum at 3354 cm–1 has a connection with the in-terpascular water vibrations; 3690 cm–1 for valleys of Al-OH..O, where O is the oxygen of the neighboring layer; in 3765 cm–1 are detected the valence vibration of the OH group in Si-OH; in 3550 cm–1 the excitement vibration of the silanol group. Adsorption bands from 3720 to 3680 cm-1 belong to Al-OH groups. In the area from 3550 cm–1 to 3695 cm–1 we have these spikes that appear and with acid activa-tion they disappear: 3550 cm–1 (Fe-Mg-OH), 3564 cm–1 (Al-Fe-OH), 3592 cm–1 (Al-Mg-OH), 3617 cm–1 (Al-Al-OH), 3653 cm–1 (Al-Al-OH), 3695 cm–1 (AL–Mg-OH). All those peaks almost disappear after the acid treatment showing that the structural OH groups bounded on the Al, Fe and Mg are removed from the Per-renjas clay mineral. As shown in the chemical analysis of clay samples given in the table 1, the OH groups are partly removed together with Al, Fe and Mg atoms.

1 Madejova J., Buj J., and Komadel P. “Preparation and infrared spectroscopic characterization of reduced-charge montmorillonite with various Li contents”, Clay Minerals 31, – 1996. – P. 233–241.

Chemistry 133

Figure 2. FTIR Spectra of untreated Perrenjas clay mineral (red line) and of four of its samples treated with 1 M H2SO4 solution

Figure 3 shows the kinetics of the pH rise when 2 g of untreated Perrenjas clay mineral is suspended in 100 mL distilled water or neutral 0.2 M NaF solution. The pH value reached at the equilibrium in the NaF suspension is 8.69, while the pH in the distilled water suspension is 7.79. The fluoride anions replace the structural hy-droxyl groups of the clay. The hydroxyl groups are released in the solution increasing so its pH. By the difference in the OH- concentrations in these two cases the fluoride against hydroxyl anion exchange capacity may be calculated for the untreated Per-renjas clay mineral resulting in 1.343 m. e. F–/kg clay.

When 2 g of 1 M H2SO4 treated Perrenjas clay mineral is suspended in 100 mL distilled water or neutral 0.2 M NaF solution the pH increases constantly as shown in figure 4, up to 7.34 in the NaF suspension and up to 7.29 in the dis-tilled water. In this case the exchange of fluoride against hydroxyl anions is very weak because of the very few available OH structural groups remaining in the clay after the acid treatment. The calculated anion exchange capacity is in this case 0.0114 m. e. F–/kg clay.

134 Section 10.

Figure 3. Change of the pH with the time when suspending 2 g of untreated Perrenjas clay mineral in 100 mL distilled water or 100 mL 0.2 M NaF solution

Figure 4. Change of the pH with the time when suspending 2 g of Perrenjas clay mineral treated with 1 M sulfuric acid solution in

100 mL distilled water or 100 mL 0.2 M NaF solution

ConclusionWe proved that the OH- ions in the structure of the Perrenjas clay mineral are

replaced by the F- anions. When contacted with a 0.2 M NaF solution the anion ex-change capacity is 1.343 m. e. F–/kg clay. After treating the Perrenjas clay mineral with a 1 M solution of sulfuric acid, the structural OH- groups bounded to Al, Fe and Mg atoms are removed from the clay structure. For the acid treated Perrenjas clay the fluoride exchange capacity against OH- is very low (0.0114 m. e. F–/kg clay), because of the very scarce presence of the OH groups.

Chemistry 135

References:1. Parfitt R. L. Anion adsorption by soils and soil materials. Advances in Agronomy

30, – 1978. – P. 1–50.2. Bowden J. W., Posner A. M., Quirk J. P. Adsorption and charging phenome-

na in variable charge soils. In: Theng, B. K.G. (Ed.), Soils with Variable Charge. New Zealand Society of Soil Science, Lower Hutt, – 1980. – P. 147–166.

3. Theng B. K. G., Greenland D. J., Quirk J. P. Adsorption of alkylammonium cations by montmorillonite. Clay Minerals 7, – 1967. – P. 1–17.

4. Weiss A., Mehler A., Koch G., Hofmann U. Über das Anionenaustauschvermögen der Tonminerale. Zeitschrift für Anorganische und Allgemeine Chemie 284. – 1956. – P. 247–271.

5. Muljadi D., Posner A. M., Quirk J. P. The mechanism of phosphate adsorption by kaolinite, gibbsite, and pseudoboehmite. Part I. The isotherms and the effect of pH on adsorption. Journal of Soil Science 17, – 1966 a. – P. 212–229.

6. Muljadi D., Posner A. M., Quirk J. P. The mechanism of phosphate adsorption by kaolinite, gibbsite, and pseudoboehmite. Part II. The location of the adsorption sites. Journal of Soil Science 17, – 1966 b. – P. 230–237.

7. Muljadi D., Posner A. M., Quirk J. P. The mechanism of phosphate adsorption by kaolinite, gibbsite, and pseudoboehmite. Part III. The effect of temperature on adsorption. Journal of Soil Science 17, – 1966 c. – P. 238–247.

8. Grim R. E. Clay Mineralogy, 2nd edition. McGraw-Hill, New York. – 1968.9. Violante A., Pigna M. Competitive sorption of arsenate and phosphate on differ-

ent clay minerals and soils. Soil Science Society of America Journal 66, – 2002. – P. 1788–1796.

10. Zorica P., Tomic Vesna P., Logar Biljana M., Babic Jelena R., Rogan Petre Makres-ki,: “Comparison of structural, textural and thermal characteristics of pure and acid treated bentonites from Aleksinac and Petrovac (Serbia)”; Spectrochimica Acta Part A 82. – 2011. – P. 389–395.

11. Farmer V. C. (Ed.) The Infrared Spectra of Minerals, Mineralogical Society, Lon-don, – 1974. – P. 331–358.

12. Madejova J., Buj J., and Komadel P. “Preparation and infrared spectroscopic char-acterization of reduced-charge montmorillonite with various Li contents”, Clay Minerals 31, – 1996. – P. 233–241.

136 Section 10.

Yashtulov Nicolay Andreevich,Moscow Technological University

Dr.Sci., professor, energy technology and power engineering departmentE-mail: [email protected]

Lebedeva Marina Vladimirovna,Moscow Technological University

Cand.Sci., senior teacher, physical chemistry department

FUNCTIONAL ELECTRODE METAL-POLYMER MATERIALS WITH PLATINUM NANOPARTICLES

FOR CHEMICAL ENERGY SOURCESThis work was carried out with financial support from the State Task of the Rus-

sian Federation (project № 13.3140.2017/PC).1. IntroductionEnergy security is one of the cardinal challenges facing the mankind. A signifi-

cant part of received energy is delivered through fossil fuels and therefore cannot be sustained indefinitely in the long-term perspective. The destructive effects of carbona-ceous fuels excessive consumption on the economy and ecology of a large part of the world is already evident. In response to these problems, the renewable energy sources are in great interest. In recent years, besides the solar energy, geothermal energy, wind energy, water energy and fusion power technology, there is also increasing interest in hydrogen and its most efficient utilization in power energy generating. The latter is most appropriately achieved through fuel cells (FC) 1.

A fuel cell is an electrochemical power source with advantages of both the com-bustion engine and the battery. The fuel cell is represent a system of effective energy conversion, in which the chemical energy of fuel, mainly hydrogen, is converted di-rectly into electrical energy 2. FC systems have a wide range of applications: mobile phones, laptops, vehicles, etc.

Among the most common FC types, polymer electrolyte fuel cells (PEFCs) are commercially most attractive owing to their quick start-up and ambient temperature operations (fig. 1). An effective membrane electrolyte for PEFCs, besides acting as a physical separator for the fuel and oxidant, must possess high ionic conductivity with a small electronic component. It should be possible to cast them as thin and large

1 Yashtulov N. A., Lebedeva M. V., Flid V. R. “Nanocomposites based on palladium – highly efficient catalysts for chemical current sources”. Russ. Chem. Bull., – Vol. 64. – 2015. – P. 24–28.

2 Yashtulov N. A., Lebedeva M. V., Myasnikova N. V., Ragutkin A. V., Flid V. R. “The Catalytic activity of bimetallic polymeric nanocomposites of Pt-Pd in the formic acid oxidation”. Russ. Chem. Bull., – Vol. 66. – 2017. – P. 474–478.

Chemistry 137

surface-area membranes. А wide range of requirements is presented to solid poly-mer electrolytes in fuel cells: high ionic conductivity, resistance to oxidizing agents and reducing agents, long service life at elevated temperatures (100 °C) and current densities during the PEFCs operation, tolerance of catalysts, low gas permeability, mechanical strength, low cost 1.

Figure 1. Schematic of the PEM fuel cell

1 Leung D. Y. C., Xuan J. “Micro & Nano-Engineering of Fuel Cells”, CRC Press. – 2015. – 338 p.; Pu H. “Polymers for PEM Fuel Cells”, John Wiley & Sons, Inc. – 2014. – 415 p; Cheng X., Shi Z., Glass N., Zhang L., Zhang J. “A review of PEM hydrogen fuel cell contamination: impacts, mechanisms, and mitigation”, Journal of Power Sources, – Vol. 165. – 2007. – P. 739–756; Zhang J. “PEM fuel cell electrocatalysts and catalyst layers. Fundamentals and Applications”, Springer Science & Business Media, – 2008. – 1137 p.; Yashtulov N. A., Lebedeva M. V., Kuleshov N. V. “Porous silicon nanocomposites with palladium nanoparticles for renewable energy sources”, International Journal of Advances in Mechanical and Civil Engineering, – Vol. 3. – 2016. – P. 111–114; Spry D. B., Goun A., Glusac K., Moilanen D. E., Fayer M. D. “Proton transport and the water environment in Nafion fuel cell membranes and AOT reverse micelles”, J. Am. Chem. Soc., – Vol. 129. – 2007. – P. 8122–8130; Liu W., Xie Y., Liu J., Jie X., Gu J., Zou Z. “Experimental study of proton exchange membrane fuel cells using Nafion 212 and Nafion 211 for portable application at ambient pressure and temperature conditions”. Int. J. Hydr. Energy, – Vol. 37. – 2012. – P. 4673–4677.; Sode A., Ingle N. J. C., McCormick M., Bizzotto D., Gyenge E., Ye S., Knights S., Wilkinson D. P. “Controlling the deposition of Pt nanoparticles within the surface region of Nafion”. Journal of Membrane Science, – Vol. 376. – 2011. – P. 162–169; Ahmed M., Attard G. A., Wright E., Sharman J. “Methanol and formic acid electrooxidation on Nafion modified Pd/Pt {111}: the role of anion specific adsorption in electrocatalytic activity”. Catalysis Today, – Vol. 202, – 2013. – P. 128–134; Yang H. N., Lee D. C., Park S. H., Kim W. J. “Preparation of Nafion/various Pt-containing SiO2 composite membranes sulfonated via different sources of sulfonic group and their application in self-humidifying PEMFC”, Journal of Membrane Science, – Vol. 443. – 2013. – P. 210–218.

138 Section 10.

Nafion is a commercially available perfluorinated polymer anufactured by DuPont firm that is widely used as a permselective membrane in PEFCs. In a PEFC, hydro-gen is oxidized at the anode to generate a supply of electrons and protons (fig. 2). The electrons travel through an external circuit to the cathode. Protons simultaneously diffuse through a polymer electrolyte membrane (PEM) to the cathode to complete the electrochemical circuit. The ability of the PEM to selectively allow protons to travel from the anode to the cathode, while preventing the passage of the reactant gases, is essential for the PEFC’s operation.

Figure 2. Nafion cluster model

There are data on the stabilization of platinum metal nanoparticles inside the Na-fion films, the effect of particles on the crossover, and the oxidation of the fuel inside the membrane 1. The developed composite electrodes demonstrated the enhanced electrocatalytic activity in the hydrogen-air and formic acid power fuel cells.

The purpose of present work is the formation of metal-polymer nanocomposites based on the Nafion membrane modified with Pt nanoparticles and investigation of nano-composite functional characteristics in the model conditions of the fuel cell operation.

2. Experimental2.1. Materials and ProceduresThe initial Pt nanoparticle solutions were synthesized in water–organic solutions

by mixing two microemulsions with aqueous solution of H2PtCl6 (Sigma-Aldrich,

1 Spry D. B., Goun A., Glusac K., Moilanen D. E., Fayer M. D. “Proton transport and the water environment in Nafion fuel cell membranes and AOT reverse micelles”, J. Am. Chem. Soc., – Vol. 129. – 2007. – P. 8122–8130; Liu W., Xie Y., Liu J., Jie X., Gu J., Zou Z. “Experimental study of proton exchange membrane fuel cells using Nafion 212 and Nafion 211 for portable application at ambient pressure and temperature conditions”. Int. J. Hydr. Energy, – Vol. 37. – 2012. – P. 4673–4677; Sode A., Ingle N. J. C., McCormick M., Bizzotto D., Gyenge E., Ye S., Knights S., Wilkinson D. P. “Controlling the deposition of Pt nanoparticles within the surface region of Nafion”. Journal of Membrane Science, – Vol. 376. – 2011. – P. 162–169.

Chemistry 139

United States) with a concentration of 0.01 M and a 0.1 M sodium tetrahydroborate NaBH4 as reductant. A 0.15 М solution of the surfactant sodium bis (2-ethylhexyl)sulfosuccinate (AOT) (Sigma-Aldrich, United States) in isooctane was used for the reverse micelles formation. The molar ratio water: surfactant (ω) in the solutions of mi-croemulsions was varied from 1 to 8. The ultrasonic treatment of the nanoparticle solu-tions was carried out on an ultrasound dispersant Ultrasonic Cleaner UD 150SH-6L (Eumax, Germany) at a temperature of 25 ± 1 °C.

2.2. The nanoparticles and nanocomposites investigationThe sizes, shape, and platinum nanoparticles distribution were studied by atomic

force microscopy (AFM) on N-Tegra Prima scanning microscope (NT MDT, Russia). The morphology of the nanocomposite surface was studied using scanning electron microscopy (SEM) on a JSM-7401F device ( Jеol, Japan) with an INCA analyzer (Ox-ford Instruments, England). The catalytic activity and stability of the electrodes were estimated by means of cyclic voltammetry (CVA) on an IPC PRO M device (Tekh-nopribor, Russia). The scanning rate was varied from 5 to 10 mV/s. The CVA data were fixed after the stabilization of the parameters of voltamperograms. The error in the measurements of the current density did not exceed 2–3%.

3. Results and discussion3.1. The electron microscopy dataA study of the nanoparticles size and shape was carried out in semi-contact mode

by means of atomic force microscopy (AFM). Reverse microemulsion solutions of platinum nanoparticles were analyzed on a standard mica substrate (fig. 3).

Figure 3. AFM image of Pt nanoparticles at ω = 1.5

For platinum nanoparticles with a minimum water pool size the particles forma-tion, mostly spherical shape is typical. With the solubilization coefficient (ω) increas-

140 Section 10.

ing from 1. 5 to 5 the platinum nanoparticles size increasing from 3 to 9 nm. Thus, by varying the value of the coefficient of solubilization ω, it is possible to influence the size of the resulting particles.

The electrocatalyst properties are determined by the nature of the metallic phase and also by the specifics of its interaction with the matrix (support). For this reason, the Pt nanoparticles incorporated into the Nafion polymer film can be considered as a single composite platinum – Nafion (Pt/Nf).

Figure 4. SEM image of the Pt nanoparticles at ω = 1.5 on the Nafion membrane surface

Fig. 4 shows the SEM micrograph of Pt nanoparticles, obtained by chemical re-duction from reverse microemulsion solutions when the solubilization coefficient ω = 1.5. On the Nafion surface they are nanoparticles with sizes less than 6 nm. The main advantage of the proposed method is possibility of nanoparticles control on the polymer membrane surface and in the pores. As Nafion and AOT contain the same functional group is SO3–, it was made an assumption platinum nanoparticles was well stable on the polymer membrane surface.

3.2. The catalytic activity investigationThe study of the catalytic activity of the synthesized Pt/Nf composites was carried

out under standard model operation conditions for a low-temperature air-hydrogen fuel cells using the method of cyclic voltammetry (CVA). The potentiodynamic curves were taken at room temperature in a three-electrode cell in an aqueous solution of sul-furic acid after blowing with argon. A plate of platinum foil was the auxiliary electrode, while the reference electrode was silver chloride. The catalytic activity of nanocom-posites is determined by two factors: the electrocatalytic surface area (ECSA) and

Chemistry 141

the current density (j). The current density j, which is proportional to the rate of the electrochemical reaction, was calculated according to the following expression: j = I/S (А/m 2), where I is the maximum value of the current strength calculated by the peak of hydrogen oxidation and S is the area of the electrode’s surface. The electrocatalyti-cally active region is the index of the general amount of electricity generated in the process of fuel (hydrogen) oxidation. The value of ECSA is determined on the basis of the standard method used to estimate the parameters of CVA with account for catalyst loading and the potential scanning rate 1.

Table 1 presents the results obtained by the CVA method for the samples of plati-num/Nafion nanocomposites, which demonstrated the maximum functional activity (current density, the electrocatalytically surface area, platinum content, and resource) in the oxygen reduction and hydrogen oxidation reactions.

Table 1. – Characteristics of Pt/Nf nanocomposites according to the CVA data

ω mS (Pt),

mg/сm 2 ECSA, m 2/g j = I/S,А/m 2

d,nm

1.5 0.23 75.4 18.1 3.83 0.23 73.6 17.4 3.95 0.23 71.7 16.7 4.08 0.23 65.1 15.3 4.41.5 0.34 80.3 21.1 3.53 0.34 74.8 20.6 3.85 0.34 61.2 19.3 4.68 0.34 55.7 17.8 5.1

(Fig. 5) shows examples of potentiometric curves (CVA) for metal-polymer nanocomposites Pt/Nf in 0.5 M H2SO4 solutions when the solubilization coefficient ω = 1.5. The curves also show the characteristic peaks related to the hydrogen oxida-tion (0–0.25 V) and the oxygen reduction (0.6–0.8 V). When the Pt content is less than 0.05 mg/cm 2 the characteristic peaks related to hydrogen adsorption/desorption (0–0.3 V) and oxygen (> 0.6 V) are weakly expressed. This is due to the relatively low platinum content in the samples. When the platinum content of 0.2 mg/cm 2 the curves observed are typical of the platinum metals the peaks of hydrogen adsorp-tion/desorption and the molecular oxygen reduction. The platinum content increasing to 0.4 mg/cm 2 does not increase the nanocomposites functional performance.

1 Lukaszewski M., Soszko M., Czerwinski A. “Electrochemical Methods of Real Surface Area Determination of Noble Metal Electrodes – an Overview”. Int. J. Electrochem. Sci., – Vol. 11. – 2016. – P. 4442–4469; Guerrini E., Trasatti S. “Recent developments in understanding factors of electrocatalysis”, Russ. J. Electrochem., – Vol. 42. – 2006. – P. 1017–1025.

142 Section 10.

Figure 5. Potentiometric curves of the Pt/Nf nanocomposites in 0.5 M H2SO4 (ω = 1.5) at platinum content (mS) = 0.23 (1), 0.34 (2) mg/cm 2

Analysis of the (Table 1) and (Fig. 5) data is consistent with the results of previ-ous works 1 where it was shown that the volume of micellar solution, the proportion of platinum nanoparticles with a large size increases in the range of 2–10 nm with solubilization degree increasing from 1.5 to 5. (Fig. 6) shows the trend in the increase of catalytic activity (ECSA) with decreasing platinum nanoparticles size at ω = 1.5.

Figure 6. The dependence of the electrocatalytic surface area (ECSA) from the Pt nanoparticles size at ω = 1.5

1 Yashtulov N. A., Lebedeva M. V., Kuleshov N. V. “Porous silicon nanocomposites with palladium nanoparticles for renewable energy sources”, International Journal of Advances in Mechanical and Civil Engineering, – Vol. 3. – 2016. – P. 111–114. – P. 1316.

Chemistry 143

The current density in oxygen reduction and hydrogen oxidation on platinum in the Pt/Nf nanocomposite is lower than is observed for the commercial carbon black–supported samples 1. Further improvement of the Pt/Nf composite fabrication technology will likely enhance this parameter, yet even now it is noteworthy that thin film polymer–metal nanocomposites having an enhanced catalytic activity at a small Pt content (0.1–0.3 mg/cm 2) have been prepared for membrane electrode applications.

ConclusionsA new method of synthesis is proposed and the optimal conditions are established

for the formation of catalytically active Pt-containing electrode materials on polymer membrane Nafion. The technological advantages of the method include the simplic-ity of synthesis; the possibility to save platinum metals; and control over the amount and sizes of platinum nanoparticles on Nafion, the concentration of platinum ions and the reductant, and the duration of the contact of the solution membrane and the intensity of ultrasonic action. The results prove the possibility of forming highly efficient and stable platinum nanocatalysts on the polymer substrates obtained by the chemical reduction of platinum ions for the development of the membrane-electrode assemblies for micropower energy sources.

References:1. Leung D. Y. C., Xuan J. “Micro & Nano-Engineering of Fuel Cells”, CRC Press. –

2015. – 338 p.2. Pu H. “Polymers for PEM Fuel Cells”, John Wiley & Sons, Inc. – 2014. – 415 p.3. Cheng X., Shi Z., Glass N., Zhang L., Zhang J. “A review of PEM hydrogen fuel

cell contamination: impacts, mechanisms, and mitigation”, Journal of Power Sources, – Vol. 165. – 2007. – P. 739–756.

4. Zhang J. “PEM fuel cell electrocatalysts and catalyst layers. Fundamentals and Applications”, Springer Science & Business Media, – 2008. – 1137 p.

5. Yashtulov N. A., Lebedeva M. V., Kuleshov N. V. “Porous silicon nanocomposites with palladium nanoparticles for renewable energy sources”, International Journal of Advances in Mechanical and Civil Engineering, – Vol. 3. – 2016. – P. 111–114.

6. Spry D. B., Goun A., Glusac K., Moilanen D. E., Fayer M. D. “Proton transport and the water environment in Nafion fuel cell membranes and AOT reverse micelles”, J. Am. Chem. Soc., – Vol. 129. – 2007. – P. 8122–8130.

7. Liu W., Xie Y., Liu J., Jie X., Gu J., Zou Z. “Experimental study of proton exchange membrane fuel cells using Nafion 212 and Nafion 211 for portable application

1 Kaluza L., Larsen M. J., Zdrazil M., Gulkova D., Vit Z., Solcova O., Soukup K., Kostejn M., Bonde J. L., Maixnerova L., Odgaard M. “Highly loaded carbon black supported Pt catalysts for fuel cells”. Catalysis Today, – Vol. 256. – 2015. – P. 375–383.

144 Section 10.

at ambient pressure and temperature conditions”. Int. J. Hydr. Energy, – Vol. 37. – 2012. – P. 4673–4677.

8. Sode A., Ingle N. J. C., McCormick M., Bizzotto D., Gyenge E., Ye S., Knights S., Wilkinson D. P. “Controlling the deposition of Pt nanoparticles within the surface region of Nafion”. Journal of Membrane Science, – Vol. 376. – 2011. – P. 162–169.

9. Ahmed M., Attard G. A., Wright E., Sharman J. “Methanol and formic acid elec-trooxidation on Nafion modified Pd/Pt {111}: the role of anion specific adsorp-tion in electrocatalytic activity”. Catalysis Today, – Vol. 202, – 2013. – P. 128–134.

10. Yang H. N., Lee D. C., Park S. H., Kim W. J. “Preparation of Nafion/various Pt-containing SiO2 composite membranes sulfonated via different sources of sulfonic group and their application in self-humidifying PEMFC”, Journal of Membrane Science, – Vol. 443. – 2013. – P. 210–218.

11. Lukaszewski M., Soszko M., Czerwinski A. “Electrochemical Methods of Real Surface Area Determination of Noble Metal Electrodes – an Overview”. Int. J. Electrochem. Sci., – Vol. 11. – 2016. – P. 4442–4469.

12. Guerrini E., Trasatti S. “Recent developments in understanding factors of electro-catalysis”, Russ. J. Electrochem., – Vol. 42. – 2006. – P. 1017–1025.

13. Lebedeva M. V., Yashtulov N. A., Flid V. R. “Catalysts with Platinum–Palladium Nanoparticles on Polymer Matrix Supports”. Kinetics and Catalysis, – Vol. 57. – 2016. – P. 847–852.

14. Yashtulov N. A., Lebedeva M. V., Myasnikova N. V., Ragutkin A. V., Flid V. R. “The Catalytic activity of bimetallic polymeric nanocomposites of Pt-Pd in the formic acid oxidation”. Russ. Chem. Bull., – Vol. 66. – 2017. – P. 474–478.

15. Yashtulov N. A., Lebedeva M. V., Flid V. R. “Nanocomposites based on palladi-um – highly efficient catalysts for chemical current sources”. Russ. Chem. Bull., – Vol. 64. – 2015. – P. 24–28.

16. Revina A., Busev S., Kalinitchev A., Kuznetsov M., Ponomarev A., Lebedeva M. “Nanoparticles of palladium, platinum and silver: incoporation into perfluoro-sulfonated membrane MF-4SK and ionic Nafion”. Advances in Nanoparticles, – Vol. 2. – 2013. – P. 280–286.

17. Kaluza L., Larsen M. J., Zdrazil M., Gulkova D., Vit Z., Solcova O., Soukup K., Kostejn M., Bonde J. L., Maixnerova L., Odgaard M. “Highly loaded carbon black supported Pt catalysts for fuel cells”. Catalysis Today, – Vol. 256. – 2015. – P. 375–383.

Chemistry 145

146 Section 10.

Contents

Section 1. Biology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

Shehu Matilda, Zekaj (Trojani) Zhaneta COMPARATIVE STUDY OF MORPHO-HISTOLOGICAL TRAITS OF THREE POPULATION OF SCILLA AUTUMNALIS L. IN VLORE, ALBANIA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

Section 2. Innovations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .13Sidorov Evgenii Pavlovich TECHNISCHE MOGLICHKEIT DER KUHLUNG DES WASSER IN DER SPIRAL WIRDEL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .13

Section 3. Information technology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .22

Ismailov Bahram Israfil CONTROL OF DYNAMIC PROCESSES OF POWER EQUIPMENT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .22

Section 4. Materials Science . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .28

Bukleshev Dmitry Olegovich RESEARCH OF TUBE STEEL STRUCTURAL CHANGES IN THE WELD-AFFECTED ZONE IN THE COURSE OF WELDING. RESIDUAL STRESS FORMATION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .28

Section 5. Machinery construction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .35

Voronina Valeriia Yurievna, Moryakova Alena Yurievna, Trushnikova Anastasia Sergeevna A DEVICE FOR MEASURING PULSE ACCELERATION . . . . . . . . . . . . . . . . . . .35Glavchev Mikhail Dmitrievich, Chernysheva Anastasia Sergeevna, Rameikova Anastasia Andreevna A DEVICE FOR MEASURING HYSTERESIS FRICTION IN A MATERIAL. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .41Zheltukhina Lyubov Viktorovna, Nikitayeva Tatyana Vasilevna INSTALLATION FOR ACCELERATED MATERIAL TESTING . . . . . . . . . . . . .47Zaytseva Alena Alexandrovna, Ivanova Galina Mihaylovna BALL FLOWMETER . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .52Ivanova Galina Mihailovna, Voronina Valery Yurievna DEVICE FOR FIRE REGISTRATION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .57

Chemistry 147

Makurina Viktoria Alekseevna, Tihomirova Svetlana Andreevna TWO-STEP REDUCTION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .64Makurina Viktoria Alekseevna, Potapov Georgiy Kahaberovich Sharugin Lev Nikolaevich FLUID MIXTURE LIQUID . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .67Nikitaeva Tatyana Vasilievna, Potapov Georgiy Kakhaberovich ELECTRICALLY OPERATED WINDOW UNIT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .74Panfilova Elena Dmitrievna, Vasiliev Vladimir Olegovich ELECTRON-ACOUSTICAL TARGET . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .80Tihomirova Svetlana Andreevna, Averyanov Ilya Aleksandrovich, Sharugin Lev Nikolaevich HOUSEHOLD HEAT EXCHANGER . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .85Khrustaleva Nadezhda Vladimirovna, Golavsky Alexander Evgenievich, Sharygin Lev Nikolaevich FIRE ALARM SYSTEM WITH OPTICAL DETECTOR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .90Chernysheva Anastasia Sergeevna, Vasiliev Vladimir Olegovich INSTALLATION FOR RESOURCE TESTING OF PARTS . . . . . . . . . . . . . . . . . . .98Chumutina Tatyana Alekseevna, Zheltukhina Lyubov Viktorovna WASHING MACHINE OF INCREASED EFFICIENCY . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .102

Section 6. Medical science . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107Bobrakova Alexandra Alexandrovna, Silina Larisa Vyacheslavovna GENDER-AGE STRUCTURE OF CONTINGENT OF THE PATIENTS WITH PINK UGRAMS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .107Sigal Soltan Mojschewitsch ZUR FRAGE ÜBER DIE BEDEUTUNG DES CHARAKTERS DES INTRAMURALEN ARTERIELLEN BLUTFLUSSES DES DÜNNDARMS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .111

Section 7. Agricultural sciences . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114Mamuladze Merab, Fadiko Abuselidze, Mixeil Lejava RESEARCH OF VIBRATION IN TILLERS FOR DIFFERENT TYPES OF FUEL MIXTURES. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .114

Section 8. Technical sciences . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124Jamalova Jala Siyavush ONTOLOGY OF THE PORTAL KNOWLEDGE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .124

148 Section 10.

Section 9. Physics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127Kasumov Anatoliy Mukhtarovich, Karavaeva Valentina Mikhaylovna, Shapoval Kseniia Olegovna, Perepelitsa Maksim Aleksandrovich, Lashkaryov Georgiy Vadimovich SPECTRAL DEPENDENCE OF FARADAY EFFECT IN NANOSIZE TB2O3/FE STRUCTURE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .127Section 10. Chemistry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130Jona Keri, Elvana Cako, Altin Mele ANION EXCHANGE BY THE SUSPENSION OF AN IRON RICH MONTMORILLONITE CLAY . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .130Yashtulov Nicolay Andreevich, Lebedeva Marina Vladimirovna FUNCTIONAL ELECTRODE METAL-POLYMER MATERIALS WITH PLATINUM NANOPARTICLES FOR CHEMICAL ENERGY SOURCES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .137

1st international conference on innovations in technical ...ppublishing.org/upload/iblock/29b/i...

Documents