viii-я Международная научная конференция ·...

Издательский центр «Гравис»Липецк, 2012

«АКТУАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫСОВРЕМЕННОЙ

ТЕХНИКИИ ТЕХНОЛОГИИ»

Российская Федерация, г. Липецк23 июля 2012 г.

СБОРНИК ДОКЛАДОВ

Научное партнерство «Аргумент»

Балтийский гуманитарный институт

Российская ассоциация содействия науке

Технологический университет Таджикистана

Казахский Нацинальный медицинскийуниверситет им. С.Д. Асфендиярова

Липецкое региональное отделение Общероссийской общественной организации

«Российский союз молодых ученых»

Научно-исследовательский центр «Аксиома»

Молодежный парламент Липецкой области

Издательский центр «Гравис»

VII

I-я

Ме

жд

уна

ро

дн

ая

на

учн

ая

ко

нф

ер

ен

ци

я

1

Научное партнерство «Аргумент» Балтийский гуманитарный институт

Российская ассоциация содействия науке Технологический университет Таджикистана

Казахский Нацинальный медицинский университет им. С.Д. Асфендиярова

Липецкое региональное отделение Общероссийской общественной организации «Российский союз молодых ученых» Научно-исследовательский центр «Аксиома» Молодежный парламент Липецкой области

Издательский центр «Гравис»

VIII-я Международная научная конференция

«АКТУАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ СОВРЕМЕННОЙ

ТЕХНИКИ И ТЕХНОЛОГИИ» Россия, г. Липецк, 23 июля 2012 г.

СБОРНИК ДОКЛАДОВ

Ответственный редактор: А.В. Горбенко

Издательский центр «Гравис» Липецк, 2012

2

УДК 62 ББК 30 А43

Актуальные вопросы современной техники и технологии [Текст]: Сборник докладов VIII-й Международной научной конференции (Липецк, 23 июля 2012 г.). / Отв. ред. А.В. Горбенко. – Липецк: Издательский центр «Гравис», 2012. – 136 с.

Сборник включает тексты научных докладов участников VIII-й

Международной научной конференции «Актуальные вопросы современной техники и технологии», состоявшейся 23 июля 2012 г. в г. Липецке (Российская Федерация). В сборнике представлены научные доклады из Белоруссии, Казахстана, Литвы, России, Узбекистана.

Доклады сгруппированы по секциям в соответствии с принятой классификацией направлений в современной науке и технике.

Редакционная коллегия сборника:

Исмаилов Н.Ш., г. Баку, Азербайджан Шматко А.Д., г. Санкт-Петербург, Россия Горбенко А.В., г. Липецк, Россия Черепнин В.В., г. Липецк, Россия Бедрицкий И.М., г. Ташкент, Узбекистан Егоров А.И., г. Липецк, Россия Карлов В.А., г. Днепропетровск, Украина Лаубе И.С., г. Рига, Латвия Мирзорахимов К.К., г. Душанбе, Таджикистан Мосолова Е.М., г. Липецк, Россия Нурмаганбетова М.О., г. Алма-Ата, Казахстан

© Коллектив авторов

3

ОГЛАВЛЕНИЕ

А.А. Абдурахимов, Г.Э. Пардаев, С. Юсупханов, К.П. Серкаев. Исследование интенсификации процесса непрерывной рафинации хлопкового масла ................................................................ 5 Р.Р. Акрамова, К.Т. Муминова, К.П. Серкаев. Технология получения обесгоссиполенной хлопковой муки на основе хлопкового шрота .................................................................................... 7 В.А. Алехин. Термопечатающие головки для устройств регистрации информации ....................................................................... 9 В.В. Артюхин, С.А. Тергеусизова. Сдерживающие факторы внедрения технологии Powerline Communications .............................. 17 Р.В. Беляевский. Экономические механизмы управления реактивной мощностью в электрических сетях ................................... 19 О.А. Буймистрова, И.С. Кущева, М.В. Манькова, Е.С. Хухрянская. Автоматизация паркетных работ ............................ 21 В.Г. Дегтярев, Н.В. Коженко. Усовершенствоание метода комплексного обследования зданий и сооружений ............................ 24 А.А. Ержан, З.К. Куралбаев. Активные фильтры с преобразователями сопротивления и их анализ ................................ 28 Е.М. Желтобрюхов, А.В. Неклюдов, М.С. Кузнецов. Специализированная САПР долбяков ................................................. 30 В.А. Зибров, Д.А. Мальцева. Организация акустического канала в распределительных магистральных сетях малого диаметра ............ 33 К.С. Иванов, Б.Т. Шингисов, Г.К. Балбаев. Разработка бесступенчато-регулируемой передачи .............................................. 37 А.Р. Имангулов, Н.М. Филькин, Р.С. Музафаров. Крутильные колебания в трансмиссии автомобиля ................................................ 42 Н.В. Инюшкин, С.А. Ермаков, А.Г. Титов, Зал.Р. Гильванова, И.В. Коробкова, Д.А. Парамонов, К.В. Седунов, Зл.Р. Гильванова. Новая конструкция осадительных электродов электроциклона для снижения вторичного уноса ............................... 44 М.Н. Каракулов, А.С. Мельников. Место механизмов с волновым принципом преобразования движения в приводах арматуры газонефтепроводов ............................................................................... 46 О.А. Кузнецова, В.А. Сушкин. Вопросы оптимального управления динамическим объектом ....................................................................... 52 А.М. Мальтанова, О.Н. Врублевская, Т.Н. Воробьёва. Электрохимическое осаждение сплава Au–Sn из этиленгликолевого электролита ........................................................... 56 А.В. Минеев, Я.А. Дудин, Е.Е. Милосердов. Обзор противовыбросового оборудования, используемого в нефтяной и газовой отрасли россии ........................................................................ 59

4

А.Л. Миронова, С.В. Киселева. Возможности выбора расходомеров для установок измерения и учета расхода сжиженного газа ..................................................................................... 62 А.И. Нефедьев. Составной емкостной делитель высокого напряжения ............................................................................................ 65 А.А. Овчинников, В.В. Алешин, А.В. Тычинин. Оптимизация обеспечения сырьевыми ресурсами строительного предприятия из нескольких источников...................................................................... 67 Ю.Ф. Огнев, О.Ш. Бердиев, Ю.П. Денисенко. Новые решения в конструкции и технологии производства БПЛА ................................... 71 В.Г. Осипян. Некоторые свойства наноструктур ................................. 77 Е.В. Павлов. Качество наплавленных покрытий после обработки инструментами из сверхтвердых материалов ..................................... 80 Р.Ю. Першиков, О.Г. Дегтярева. Совершенствование механизма прогнозирования сметной стоимости проектов в строительстве ........................................................................................ 83 Е.Ю. Раенко, А.Н. Блазнов. Дражирование как эффективный способ предпосевной подготовки семян .............................................. 85 В.В. Смоленский, Н.М. Смоленская. Влияние добавки водорода в СПГ на среднюю скорость распространения фронта пламени в условиях поршневой установки с искровым зажиганием ................... 86 В.В. Смоленский, Н.М. Смоленская. Влияние добавки водорода в СПГ поршневой установки на интенсивность протекания процесса сгорания во фронте пламени ............................................... 94 В.В. Смоленский, Н.М. Смоленская. Скорость распространения пламени в двигателе ВАЗ-2111 при добавке водорода в бензовоздушную смесь ....................................................................... 101 А.В. Усов, Н.Н. Воробьева. Исследование влияния газирования мороженого на микрофлору при холодильном хранении ................. 109 В.А. Фрилинг, А.В. Морозов, Н.Н. Горев. Исследование качества нанесения антифрикционного покрытия на поверхность отверстия деталей гладких цилиндрических сопряжений ................ 111 Т.Н. Хусаинова, А.В. Попова, Ю.В. Титова. Получение нитрида алюминия и композиции на его основе в режиме СВС-Аз ............... 115 С.В. Шапиро, Т.А. Калева. Электротехнический комплекс постадийной озонно-ультразвуковой дезинфекции оборотной воды в полиграфии .............................................................................. 117 Раймондас Шнюолис, Агне Стулпинайте, Томас Куницкис. Исследованиее звукоизолирующих материаллов для ограждающих конструкций жилых зданий ......................................... 123 М.Н. Щербакова, А.А.Овчинников, О.А. Сёмин. Комплексное использование местного сырья для производства низкоклинкерного композиционного вяжущего .................................. 129

5

А.А. Абдурахимов, Г.Э. Пардаев, С. Юсупханов, К.П. Серкаев

ИССЛЕДОВАНИЕ ИНТЕНСИФИКАЦИИ ПРОЦЕССА НЕПРЕРЫВНОЙ РАФИНАЦИИ ХЛОПКОВОГО МАСЛА

Ташкентский химико-технологический институт

г. Ташкент, Узбекистан

Рафинация растительных масел является завершающим и са-мым ответственным этапом переработки масличных семян. Особен-но, когда перерабатывают низкосортные семена и получают высоко-кислотные черные масла, процесс усложняется в связи с содержа-нием в масле измененных форм госсипола и трудногидратируемых фосфатидов. Эти соединения, обладая амфифилностью, удержива-ют частицы образовавшегося соапстока во взвешенном состоянии. В результате, получается трудноосаждаемый соапсток, имеющий вы-сокую маслоемкость.

Сырое хлопковое масло рафинируют щелочным раствором и в итоге получают светлое нейтрализованное масло и отход- соапсток, который преимущественно состоит из: натриевых мыл жырных ки-слот, госсиполата натрия, нейтрального жира, фосфатидов, воды и др.

Как видно, соапсток состоит из двух видов компонентов: 1-диэлектрики (нейтральное жиры); 2-электронароводники ( натриевые мыла жирных кислот, госсиполат натрия, фосфотиды, вода и др.)

В зависимости от технологии щелочной рафинации раститель-ных масел соотношение 1 и 2 компонентов в нейтрализованном мас-ле и соапстока меняется. Причем, доля диэлектриков в соапстоке стремятся максимально уменьшить и наоборот, в нейтрализованном масле - увеличит. Такую же задачу с обратным эффектом ставится и для соапстока.

По действующей технологии контроль за вышеназванными продуктами в основном осуществляется физико-химическими мето-дами, без учёта электрофизических параметров. Это отрицательно влияет на скорость данного процесса и качества получаемых про-дуктов.

Учитывая это, нами исследовано влияние электромагнитной обработки смеси растительного масла с щелочным раствором на скорость экспозиции (коагуляции) хлопьев соапстока и качества по-лучаемого масла.

При этом, изучено изменение качества, в частности структуры и свойств соапстока, а также цветности нейтрализованного масла.

На практике процесс коагуляции хлопьев соапстока осуществ-ляется вколонных экспозиторах длительное время (5-6часов и бо-лее), что снижает производительность линии и увеличивает энерго материальных расходы.

6

Для устранения этих недостатков, нами на основе результатов лабораторных исследований процесса экспозиции хлопьев соапстока с использованием электромагнитных сил разработан новый аппарат- электромагнитный экспозитор для интенсивной коагуляции хлопьев соапстока, который состоит из двух секций: первая-зона образования зародышей т.е. центров формирования хлопьев соапстока; вторая- зона укрупнения хлопьев соапстока. Причем, в обеих зонах поддер-живаются режимы, отличающейся между собой в основном электро-физическими параметрами.

Отличительной особенностью в конструкции данного экспози-тора является использование электромагнитного излучателя, кото-рий непрерывно омагничивает электропроводящие компоненты смеси и ускоряет их коагуляцию вокруг центров формирования хлопьев соапстока.

Сложный механизм образования хлопьев соапстока длитель-ное время не позволяет оценить роль каждого фактора в отдельно-сти. Результаты экспериментальных исследований данного процесса с использованием ЭМЭ показивают эффективность его применения в производстве.

Так например, после такой обработки длительность образова-ния хлопьев соапстока сокращается в 10-25 раза (в зависимости от качества «чёрного» масла и понижается цветность масла на 5-8 кр. ед. (относительно обычной щелочной рафинации)). Кроме того, сни-жается концентрация и избыточный расход щелочного раствора, уплотняется соапсток, который содержит меньше нейтрального жи-ра, чем при обычной рафинации масла.

Таким образом, проведенные исследования показатели, что для интенсификация процесса экспозиции хлопьев соапстока и по-вышения качества нейтрализованного масла образованную смес растительного масла с щелочным раствором после турбулизатора целесообразно направить в электромагнитный экспозитор (ЭМЭ), где под воздействием магнитных сил значительно интенсифицируется процесс коагуляции (укрупнения) хлопьев соапстока. В итоге значи-тельно повышается технико-экономические показатели рафинацион-ного производства.

7

Р.Р. Акрамова, К.Т. Муминова, К.П. Серкаев

ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ ОБЕСГОССИПОЛЕННОЙ ХЛОПКОВОЙ МУКИ НА ОСНОВЕ ХЛОПКОВОГО ШРОТА

Ташкентский химико-технологический институт

г. Ташкент, Узбекистан

Применяемая в масложировой промышленности Республики Узбекистан технология обезвреживания нативного госсипола осно-вана гидротермическом воздействии на хлопковую мятку, при кото-ром образуется так называемый, «связанный» госсипол. Связанный госсипол представляет из себя совокупность его соединений со сво-бодными аминокислотами, белками и фосфатидами. Связанный гос-сипол менее токсичен, чем свободный. В результате получают кор-мовой хлопковый шрот с содержанием свободного госсипола не бо-лее 0,02 %, который в основном используют в животноводстве. В птицеводстве обычный хлопковый шрот применять не рекомендует-ся, т.к. происходит госсиполовое отравление.

Для птицеводства нужен низкогоссипольный шрот, в котором должно содержаться не более 0,01 % свободного госсипола и клет-чатки не более 10%. В настоящее время масложировые предприятия начали серийный выпуск низкогоссипольного шрота с содержанием протеина не менее 46% и госсипола не более 0,01%. Однако, вопрос снижения содержания клетчатки остается открытим, т.к. масложиро-вые предприятия, из-за недостатков технологии комплексной пере-работки семян хлопчатника, выпускают шрот с содержанием клет-чатки до 30%. В результате дефицит протеина в рационах птиц час-тично устраняется путем нерационального использования дорого-стоящих зерновых культур, в которых содержание белка в 3 раза ниже, чем в хлопковом шроте.

Таким образом, решение вопроса снижения клетчатки и полу-чения высокобелковой хлопковой муки и шелухи улучшенным белко-вым составом в условиях масложировых предприятий является ак-туальным и экономически целесообразным мероприятием.

Масложировая промышленность Республики Узбекистан на данный момент состоит из 23-х крупных масложировых заводов, ко-торые вырабатывают около 800 тыс.т хлопкового шрота, 250 тыс т. из которого выпускается низкогоссипольным. Это дает возможность значительного улучшения кормовой базы, в том числе для птицевод-ства.Низкогоссипольный шрот вырабатывается на основе патенто-ванного способа [1].

Сущность технологии заключается в том, что в едином ком-плексе решена задача, при которой максимальное обезвреживание свободного госсипола, снижение цветности и кислотности извлекае-мых прессовых и экстракционных масел осуществляется как за счет воздействия карбамида, так и силиката натрия и каустической соды,

8

входящих в состав многокомпонентного раствора, которым увлажня-ется мятка перед жарением.

По разработанной технологии измельченную мятку перед жа-рением обрабатывают силикатно-карбамидным раствором в количе-стве до 2% от массы мятки. В составе раствора содержится до 10% карбамида, 1,0-2,0% силиката натрия и 0,2% каустической соды.

Вследствие такой обработки, за счет комплексного воздействия раствора в ходе жарения материала в жаровнях снижается содержа-ние свободного госсипола в мезге за счет связывания с вышеуказан-ными реагентами и в конечном итоге получается легкорафинируемое хлопковое масло и шрот с низким содержанием свободного госсипо-ла (менее 0,01%).

Внедрение технологии с одной стороны - привело к улучшению качественных показателей выпускаемого шрота, повышению эффек-тивности в животноводстве и птицеводстве, т.к. новый продукт ис-пользуется как заменитель соевого шрота.

Однако, как показало практика, не смотря на свои преимущест-ва, технология получения низкогоссипольного шрота не сможет ре-шать проблемы кормления птиц, т.к. вследствие недостатков приме-няемой техники и технологических узлов содержание клетчатки в шроте намного больше, чем допустимо для скармливания птиц.

Ранее проведенными исследованиями ученых определено ис-чезновение свободного госсипола до следов при биоконверсии обычного хлопкового шрота с помощью полезных микробов как пе-карские дрожжи или молочнокислые бактерии. Как известно, микроб-ный синтез обеспечивает увеличение содержания белков в продукте, в том числе растворимой их фракции, проводя в легкоусвояемую форму. Микробы в процессе культивации разрушают структуру гос-сипола, синтезируют белки, витамины и создают благоприятную ферментативную систему в среде.

Исходя из вышеуказанных, нами разработан метод биологиче-ской переработки хлопкового шрота, который предусматривает полу-чение в конце процесса биопродукт с влажностью до 12%.

В хлопковом биопродукте, полученном из тостированного шро-та содержится до 15% больше белков, растворимая фракция которо-го увеличивается от 55 до 70%. Содержание свободного госсипола уменьшается от 0,02 до 0,003% при обработки тостированного и до следов при обработки низкогоссипольного шрота. Помимо этого, вследствие предотвращения высоких температур, биопродукт со-держит активную ферментативную систему, созданную при культи-вации микроорганизмов. Применение такого корма в рационе живот-ных и птиц улучшает их иммунитет, предотвращает развитие пато-генных микроорганизмов, создавая в пищеварительном тракте бла-гоприятную среду.

9

Литература

1. Патент РУз №IAP 03125. Технологии получения легкорафи-нируемого хлопкового масла и низкогоссипольного шрота. /Ильясов А.Т., Салихов Ш.И., Серкаев К.П., Шарипов Н.Ш.

В.А. Алехин

ТЕРМОПЕЧАТАЮЩИЕ ГОЛОВКИ ДЛЯ УСТРОЙСТВ РЕГИСТРАЦИИ ИНФОРМАЦИИ

Московский государственный технический университет радиотехники, электроники и автоматики (МИРЭА)

г. Москва, Россия

Термопечатающие головки (ТПГ) являются электронными уст-ройствами, выполненными на основе высоких технологий, и выпус-каются ограниченным числом зарубежных фирм. Наиболее широкий ассортимент высококачественных ТПГ выпускают KYOCERACorpora-tion (http://global.kyocera.com/) и ROHMCo. (http://www.rohm.com/), Ltd (Япония). Производителями ТПГ являются Toshiba (Япония) (http://www.hucoto.co.jp/), TDKCorporationofAmerica (США) (http://www.tdk.com/), Gulton (США) (http://www.gulton.com/), SHEC - ShandongHualingElectronicsCo., Ltd (http://www.hec-itochu.com/) (со-вместное предприятие Китая и Японии). Причем китайское предпри-ятие внедряет производственные технологии от MitsubishiElectricCor-poration (Япония). В России Государственный завод «Пульсар» (Мо-сква) и ОАО «Восход» - КРЛЗ (Калуга) производят только ТПГ с узкой печатью для кассовых принтеров и простых принтеров этикеток. Для проектирования высококачественных термопринтеров (ТП) россий-ским разработчикам придется выбирать импортные ТПГ японских или китайских производителей. Такой опыт разработки полутоновых видеопринтеров с использованием ТПГ японских компаний ROHMCo., Ltd и KYOCERACorporation имеется у автора статьи [1,2,3]

В развитие классификации, сделанной в [1], мы будем класси-фицировать ТПГ по совокупности признаков следующим образом:

По способу печати: А1-линейные ТПГ, в которых термопечать производится по-

строчно линейкой нагревательных элементов (НЭ); А2 - последова-тельные ТПГ с малым количеством НЭ и последовательной печатью символов в строке (в настоящее время применяются мало).

По способу управления: Б1-стандартные ТПГ с одним или несколькими одноразрядны-

ми входами данных;

10

Б2-интеллектуальные ТПГ (Intelligent) с одним или несколькими одноразрядными входами данных, содержащие специальные инте-гральные схемы контроля “предыстории” печати и многоуровнего управления энергией нагрева каждого НЭ для качественной печати на больших скоростях.

Б3- полутоновые ТПГ со многими входами данных для видео-принтеров и цветных принтеров.

По конструкции нагревательных элементов: В1-толстопленочные ТПГ; В2-тонкопленочные ТПГ; В3-с пло-

ской глазурью; В4- с частичной глазурью; В5 – тонкой глазурью; В6 – с двойной частичной глазурью; В7 – с качественной глазурью; В8 – с высококачественной глазурью; В9 – с полной глазурью; В10 – пло-ские; В11-с угловым расположением НЭ для печати на плоскости (угловой край); В12- с торцевым расположением НЭ для печати на плоскости (прямой край).

По скорости печати: Г1 - для медленной печати (25-50 мм/с); Г2 - для средней ско-

рости печати (50-100мм/с); Г3 - для высокой скорости печати (100-600 мм/с).

По напряжению питания нагревательных элементов: Д1 – на высокое напряжение (24В); Д2- на среднее напряжение

(12В); Д3 – низковольтные (3-4В). По применению: Е1 - для малых термопечатающих модулей (ТПМ) штрих-кодов,

чеков, билетов в торговле, библиотеках, больницах, офисах; Е2 – для портативных батарейных принтеров торговых пунктов (Pointof-sale (POS) – терминалов) и штрих-кодовых систем; Е3 – для факси-мильных аппаратов; Е4– последовательные ТПГ для печатающих машинок; Е5 – скоростные ТПГ для печати штрих-кодов и маркировки продукции; Е6 – высококачественные ТПГ для полутоновой и цвет-ной печати цифровых фотографий; Е7 – ТПГ с торцевым и угловым расположением нагревательных элементов для печати на твердых пластиковых материалах (банковские карточки, удостоверения лич-ности); Е8 – для цифровых копировальных аппаратов и графических плоттеров с термопечатью; Е9 – для принтеров игровых и торговых автоматов.

Типовая конструкция линейных ТПГ (А1) показана на рис. 1. ТПГ имеет алюминиевую пластину теплоотвода, керамическую под-ложку, слой глазури (у качественных ТПГ), линию нагревательных элементов (НЭ), печатную плату с интегральными схемами (ИС) управления, разъем, крышку, которая защищает ИС и печатную пла-ту от повреждений. Прижимной вал термопечатающего модуля диа-метром d прижимает термочувствительный материал к линии рези-сторов и перемещает его.

В настоящее время для разных применений используют три ос-новные технологии термопечати: 1) прямую термопечать (ПТ) на термочувствительную бумагу (ТБ) (DirectPrinting) (Е1, Е2, Е3, Е4, Е5,

11

Е8, Е9); 2) термоперенос расплавленного красителя (ТПРК) на осно-ве воска с красящей ленты на приемную бумагу (Wax Thermal Transfer) (Е2, Е5, Е7, Е8, Е9); 3) термоперенос сублимационного кра-сителя (ТПСК) с донорской красящей ленты на акцепторную прием-ную бумагу (SublimationDyeThermalTransferPrinting) (Е6, Е7). В моно-хромных ТП с термопереносом применяют монохромный черный плавкий или сублимационный краситель. В цветных ТП применяют трехцветную или четырехцветную пленку с плавким или сублимаци-онным красителем.

Рис. 1. Конструкция термопечатающей головки

Рис. 2. Конструкция нагревательных элементов

По конструкции нагревательных элементов ТПГ делятся на два

класса: толстопленочные ТПГ (В1) и тонкопленочные ТПГ (В2). В толстопленочных ТПГ (рис. 2а) общий алюминевый электрод и управляющие электроды, подключенный к интегральным схемам драйверов, образуют встречно-штыревую структуру. Шаг электродов Dp (dotpitch). Нагревателем служит толстопленочный резистор, на-

12

несенный поперек электродов вдоль всей линии нагревательных элементов. На общий электрод подается напряжение питания нагре-вателей VH. Драйверы подключают управляющие электроды к «зем-ле». При этом два участка нагревателя формируют точку печати.

В тонкопленочной ТПГ (рис. 2б) нагревателем служит тонкоп-леночный резистор, на который нанесены общий электрод и управ-ляющие электроды, подключенные к драйверам. Точка печати фор-мируется одним нагревательным элементом. На рис. 2в показана новая конструкция U-электродов фирмы Toshiba, в которой точка печатается двумя НЭ. Стрелками показано направление токов.

Для повышения качества и скорости термопечати и снижения энергетических затрат необходимо обеспечивать наилучший контакт НЭ с термочувствительным материалом. Это достигается совершен-ствованием технологии изготовления глазури и НЭ (применение ультра-вакуумного оборудования для ионного распыления, физиче-ского и химического осаждения тонких пленок из паровой фазы) и новых конструкций ТПГ.

Обычные ТПГ с плоской глазурью (flatglaze), класс В3 (рис. 3а) могут работать с гибкими материалами (термобумагой и красящими лентами), имеют конструктивные ограничения диаметра ведущего вала (как правило, не более 20 мм). Керамическая подложка покрыта плоским слоем глазури, на которой размещены электроды и рези-стивные нагревательные элементы, покрытые сверху защитным по-крытием. Электроды подключены к общей шине и к драйверам. Энергетические характеристики таких ТПГ невысокие и определяют-ся мощностью печати одной точки Po (Вт/точка) при заданных цикле печати Тц, длительности импульса печати Тимп и оптической плотно-сти отпечатка D (как правило, D=1). Энергия печати точки Eo=Po∙Tц составляет для ТПГ с плоской глазурью 0,2 мДж/точка.

Улучшение характеристик было достигнуто в ТПГ с частичной глазурью (partialglaze), класс В4 (рис. 3б). Такая ТПГ была запатен-тована в 1990 году. В классе В4 глазурь 2 выполнена в виде бугорка и частично покрывает керамическую пластину. Выпуклый бугорок, на котором расположены нагревательные элементы, имеет лучший кон-такт с термочувствительным материалом и обеспечивает хорошие энергетические характеристики и высокое качество печати.

13

А. Плоская глазурь Б. Частичная глазурь

В. Тонкая глазурь Г. Двойная глазурь

Д. Качественная (острая) глазурь Е. Суперглазурь

Ж. Полная глазурь

Рис. 3. Варианты конструкции нагревательных элементов

14

К 1999 году появились новые классы ТПГ. Класс В5 с тонкой глазурью (рис. 3в) имеет меньший объем глазури по сравнению с классом В4. Это обеспечивает более эффективный отвод тепла в подложку и сохраняет меньше тепла к моменту печати следующей линии. Тонкая глазурь увеличивает пределы скорости печати до зна-чений, при которых уже требуется контроль истории печати. ТПГ класса В5 используют для повышения скорости печати штрих-кодов и этикеток. Класс В6 с двойной частичной глазурью (рис. 3г) имеет дополнительную выпуклость непосредственно на линии НЭ, что обеспечивает дополнительное парциальное давление на термочув-ствительный материал и повышает эффективность теплопередачи. Такие ТПГ применяют для черно-белой печати в батарейных термо-принтерах. Класс В7 с качественной глазурью (другой название – с «острой глазурью») имеет узкую кромку глазури на более широком основании (рис.3д). Кромка имеет такой малый радиус кривизны, что соседние электроды не касаются материала, а ведущий вал давит на поверхность НЭ. В результате достигается более высокое давление, лучшая теплопередача в материал и более четкая печать точек. Кромка должна быть чрезвычайно прямой, так чтобы все НЭ находи-лись на ее вершине на одной и той же высоте вдоль всей ТПГ. Каче-ственная глазурь относительно высока и замедляет отвод тепла че-рез керамическую пластину. ТПГ класса В7 применяют для печати цветных цифровых фотографий и полутоновых изображений.

К настоящему времени добавились еще два класса конструкций глазури. В классе В8 – высококачественная глазурь (superfineglaze) (рис. 3е) линия НЭ формируется на вершине выпуклой части слоя глазури, который покрывает всю поверхность керамической пласти-ны. Точная выпуклая форма глазури и большая гибкость при выборе ее толщины позволяет ТПГ класса В8 перекрыть широкий диапазон требований по скорости печати, высокому качеству и тепловой эф-фективности.

Класс В9 –полная глазурь (fullglaze) (рис. 3ж) является усовер-шенствованной конструкцией, в которой глазурь покрывает всю по-верхность керамической пластины как в ТПГ с плоской глазурью класса В3. При этом обеспечивается широкий выбор толщины глазу-ри для оптимального управления теплотой, чтобы создать лучшее качество отпечатка при любых требованиях скорости печати.

Плоские ТПГ класса В10 (рис. 1) используют для печати на гиб-ких материалах (термобумага). При этом ограничения на диаметр прижимного вала (не более 12 - 20 мм) обусловлены возможным ка-санием крышки ТПГ.

Для печати на плоских твердых материалах (пластиковые кар-ты, акцепторные приемные листы для цветной печати) разработаны ТПГ с угловым (Corner edgetype) (класс В11) (рис. 4а) и торцевым (Trueedgetype) (класс В12) (рис. 4б) расположением НЭ. Диаметр ведущего вала может составлять 50 мм.

15

Рис. 4. Конструкции ТПГ с угловым (а) и торцевым (б)

расположением нагревательных элементов

Для портативных термопринтеров выпускаются низковольтные ТПГ класса Е1 без теплоотвода. Керамическая пластина устанавли-вается непосредственно на держатель ТПМ. Ведущий вал в таких ТПМ не превышает 10 мм.

Ведущие производители ТПГ успешно решили задачи повыше-ния качества и скорости печати, надежности и энергетической эф-фективности ТПГ. KYOCERACorporation производит преимуществен-но тонкопленочные ТПГ. Каждый нагревательный элемент выполнен из чрезвычайно тонкого керамического материала, имеет точную прямоугольную форму, плотный контакт с термочувствительным ма-териалом, изменение температуры к середине слоя очень незначи-тельное. Тонкопленочный нагреватель имеет лучший тепловой от-клик по сравнению с толстопленочными нагревателями. Оптимизи-руя размеры и форму глазури, можно увеличить скорость печати (класс применения Е5). Надежность ТПГ определяется стабильно-стью сопротивления НЭ, качеством защитного покрытия, снижающе-го истирание ТПГ. В качестве защитного покрытия используется тон-кая пленка алмазоподобного углерода, выдерживающая печать 150 км термочувствительного материала. Количество циклов печати дос-тигает 100 миллионов.

Высококачественные ТПГ для цветной печати цифровых фото-графий (класс Е6) имеют строгие ограничения по разбросу сопротив-ления НЭ, особенно соседних, вызывающих заметную полосатую структуру изображения (не более +/- 1,5%). В тонкопленочных ТПГ применяют специальные технологии компенсации неоднородности сопротивления НЭ и оптической плотности отпечатка.

Toshiba производит высококачественные тонкопленочные ТПГ для печати штрих-кодов, полутоновых и цветных изображений. Раз-работана новая конструкция U – электродов (рис. 2в), в которой об-

16

щий электрод разделен на секции по числу драйверов. При этом снижается ток в общем электроде, каждая точка печатается двумя нагревателями, линия НЭ приближается к краю ТПГ. Улучшается равномерность температуры на поверхности НЭ. Такие ТПГ реко-мендуются для цветной печати по технологии ТПРК и ТПСК. Для улучшения теплового контакта ТПГ с термочувствительным мате-риалом Toshiba выполняет полировку канавки над нагревательными элементами в ТПГ классов А1Б123В23459.

Рассмотрим схемы управления линейными ТПГ. Стандартная ТПГ класса А1Б1 содержит один или несколько последовательно-параллельных сдвиговых регистров с входами данных, тактовым входом, параллельно-параллельный регистр хранения, буферные усилители со стробами управления, нагревательные резисторы, под-ключенные к общей шине питания нагревателей. Термистор служит для контроля температуры алюминиевого теплоотвода. Регистры и буферы выполнены на кристаллах интегральных схем (ИС), имею-щих не менее 64 выходов. Сигналы стробов включают те буферные усилители, которые соответствуют темным точкам строки. Длитель-ность импульса печати Tимп определяется требуемой энергией печа-ти точки Eo (мДж/точка) и подведенной к НЭ мощностью Po (Вт/точка). Количество стробов зависит от максимального допустимо-го числа точек, которые можно печатать одновременно, что ограни-чено максимальным током печати (обычно не более 10А). Так, на-пример, при сопротивлении НЭ равном 1200 Ом, напряжении VH =24В, количестве НЭ равном 1280 одновременное включение всех НЭ требует ток 25,6А.

При скоростной термопечати, когда время цикла печати Тц ме-нее 3 мс, в стандартной ТПГ происходит накапливание тепла и по-вышение температуры НЭ при печати нескольких черных фрагмен-тов подряд, а также за счет печати смежных фрагментов. Появляют-ся дефекты изображения и снижается контраст краев. Поэтому для повышения качества печати (в частности, штрих-кодов) в скоростных термопринтерах применяют, так называемые, интеллектуальные термопечатающие головки с «контролем истории» (Historycontrol - HC). В интеллектуальных ТПГ контроль истории может выполняться внутренними интегральными схемами контроля (ControlIC) или во внешнем процессоре, управляющем печать. Температура печати стабилизируется.

За последнее десятилетие термопринтеры заняли лидирующие позиции в торговом и кассовом оборудовании, штрих-кодировании, печати билетов, банковских карт, удостоверений. Широкое распро-странение находят полутоновые и цветные фотопринтеры. В на-стоящее время достигнуты следующие параметры: плотность печати 24 точки/мм, скорость печати 600 мм/с, минимальное напряжение питания нагревателей 3В, стойкость к истиранию 150 км термобума-ги, количество циклов печати 100 млн.

17

Развитие отечественного приборостроения несомненно потре-бует применения высококачественных импортных комплектующих. Мы надеемся, что эта статья поможет разработчикам создать новые приборы, соответствующие мировому уровню развития техники.


1. Алехин В.А. Термопечатающие головки для устройств реги-

страции информации// Приборы и системы управления. 1999. №6. С. 55-59.

2. Алехин В.А., Парамонов В.Д. Термографические видеоприн-теры// Приборы и системы управления. 1991. №8. С. 30-33.

3. Алехин В.А., Кузнецов В.В., Парамонов В.Д. Полутоновой термографический видеопринтер// Приборы и системы управления. 1992. №8. С. 38-39.

4. Алехин В.А., Кузнецов В.В., Парамонов В.Д.Устройство реги-страции статических телевизионных изображений. Патент РФ N2054818,20.02.96. Опубл. БИ N 5,1996

Связь с автором: [email protected]

В.В. Артюхин, С.А. Тергеусизова

СДЕРЖИВАЮЩИЕ ФАКТОРЫ ВНЕДРЕНИЯ ТЕХНОЛОГИИ POWERLINE COMMUNICATIONS

Алматинский университет энергетики и связи

г. Алматы, Казахстан

Технология PLC (Power Line Communications - коммуникации по силовым линиям), также называемая PLT (Power Line Telecoms), является проводной технологией, направленной на использование кабельной инфраструктуры силовых электросетей для организации высокоскоростной передачи данных и голоса. В зависимости от скорости передачи делится на широкополосную (ВPL) со скоростью более 1 Мбит/с и узкополосную (NPL).

Сеть может передавать голос и данные, накладывая аналого-вый сигнал поверх стандартного переменного тока частотой 50 Гц или 60 Гц. PLC включает BPL (англ. Broadband over Power Lines — широкополосная передача через линии электропередачи), обеспечи-вающий передачу данных со скоростью более 1 Мбит/с, и NPL (англ. Narrowband over Power Lines — узкополосная передача через линии электропередачи) со значительно меньшими скоростями пе-редачи данных.

Электропроводка — совсем не простая среда для передачи данных, поскольку ее качественные показатели подвержены флук-

18

туациям. Впрочем, за последние годы производителям оборудова-ния удалось найти способы преодоления большинства барьеров на пути передачи цифровых данных по бытовой электросети.

Одна из основных проблем связана с большим затуханием сиг-налов на определенных частотах, что ведет к потере данных. Чтобы избежать этого, применяемый метод предусматривает динамическое включение и выключение передачи сигнала (dynamically turning off and on data-carrying signals). Устройство PLC осуществляет постоян-ный мониторинг канала передачи с целью выявления проблемного участка спектра, на котором превышен порог затухания. При его об-наружении использование соответствующих частот прекращается до восстановления нормального значения затухания. Так удается обеспечить электромагнитную совместимость и избежать взаимного влияния между основными источниками сигнала.

Решение проблемы помехоустойчивости стало возможным с появлением цифровых сигнальных процессоров DSP, позволив-ших, в частности, реализовать метод мультиплексирования с ор-тогональным разделением частот (Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM). Он взят на вооружение практически всеми про-изводителями PLC. Суть его в том, что основной сигнал разбивается на несколько составляющих, каждая передается на собственной час-тоте с компенсацией помех. На выходе из этих составляющих фор-мируется суммарный результирующий сигнал. В бытовой электросе-ти большое влияние на передачу сигнала оказывают краткосрочные импульсные помехи (до 1 мкс), источниками которых могут служить пусковые токи мощных бытовых электроприборов с электрическими двигателями (лампы дневного света, микроволновые печи, электро-дрели, компрессоры холодильников). Достоинство технологии PLC заключается в том, что при разрыве соединения вследствие помех его можно быстро восстановить. Впрочем, сеть PLC и сама может влиять на работу бытовых устройств (радиоприемников и телевизоров), однако лишь в том случае, если они располагаются на расстоянии менее 30—40 см от электропроводки. В нашей стране внедрению технологии PLC препятствует и использование алюминия в качестве материала проводящей среды, а также неоднородность среды передачи (например, скрутка «алюминий-медь»). Алюминий обладает худшей по сравнению с медью электропроводностью в результате затухание сигнала довольно велико. В последние годы PLC развивалась весьма успешно. Технология интенсивно совер-шенствуется, поэтому уязвимых мест становится все меньше. Если в спецификации HomePlug 1.0 базовая скорость передачи данных по бытовой электропроводке внутри помещений составляла 14 Мбит/с, то сегодня оборудование PLC способно обеспечить ско-рость подключения здания к Internet до 200 Мбит/с, при этом сфера его применения не ограничивается рамками внутреннего использо-вания. Основываясь на опыте развертывания сетей PLC в нескольких российских городах, специалисты компании «Электро-Ком» указывают, что скорость доступа у абонента сильно варьирует-

19

ся в зависимости от структуры и качества электропроводки в доме и квартире.

Отечественные линии электропередачи отличаются высоким уровнем шумов, быстрым затуханием высокочастотного сигнала, с помощью которого осуществляется передача данных, а также из-менениями ее параметров во времени. Развертыванию сетей PLC зачастую препятствует физический износ электропроводящей среды в эксплуатируемых зданиях: на искрящей проводке непросто добить-ся приемлемых скоростей. Как отмечает Михаил Айзман, вице-президент «Электро-Ком», индивидуальная скорость подключения абонента по сети PLC иногда не превышает 100 Кбит/с, а причиной тому могут стать плохие контакты, оголенные провода, незатянутые винты — все это вносит дополнительные помехи для сигнала PLC. Поэтому до запуска сети PLC в коммерческую эксплуатацию жела-тельно протестировать ее в реальных условиях.

Р.В. Беляевский

ЭКОНОМИЧЕСКИЕ МЕХАНИЗМЫ УПРАВЛЕНИЯ РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТЬЮ В

ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЯХ

Кузбасский государственный технический университет им. Т.Ф. Горбачева

г. Кемерово, Россия

Реактивная мощность, наряду с напряжением и частотой, явля-ется одним из основных параметров энергосистемы.Она служит для создания переменных магнитных полей в индуктивных приемниках электроэнергии, непрерывно циркулируя между источником и по-требляющими ее электроприемниками. При этом реактивная мощ-ность оказывает существенное влияние на режим напряжения в энергосистеме.При нарушении баланса реактивной мощности, ко-гдавырабатываемая реактивная мощность становится больше по-требляемой, напряжение в узлах сети возрастает,а при дефиците реактивной мощности – снижается, следствием чего может быть на-рушение устойчивости нагрузки. Кроме того, передача реактивной мощности по сети приводитк увеличению потерь электроэнергии, снижению ее качества, уменьшению пропускной способности линий электропередачи и трансформаторов и т. д.

Поэтому актуальной задачей является рациональное управле-ние реактивной мощностью в электрических сетях. Для этого исполь-зуются компенсирующие устройства – технические средства, уста-навливаемые в определенных узлах сети и осуществляющие регу-лирование вырабатываемой (потребляемой) реактивной мощности в

20

зависимости от требований нагрузки. Однако сегодня, в условиях рыночных отношений, очевидно, что помимо технических средств, важную роль в процессе рационального управления реактивной мощностьюдолжны играть также экономические механизмы.

В настоящее время данные механизмы, включающие в себя, прежде всего, взаимоотношения энергоснабжающих организаций и потребителей электроэнергии в части потребленияи генерации реак-тивной мощности,определены действующей нормативной докумен-тацией. Так, в соответствии с [1] потребители электроэнергии долж-ны соблюдать соотношения потребления активной и реактивной мощности (tgφ), определенные в договоре энергоснабжения. В слу-чае несоблюдения указанных соотношений потребитель должен ус-тановить компенсирующие устройства либо оплачивать услуги по передаче электрической энергии с учетом повышающего коэффици-ента к тарифу. В случае участия потребителя по соглашению с сете-вой организацией в регулировании реактивной мощности к стоимо-сти услуг по передаче электрической энергии применяется пони-жающий коэффициент.

Вместе с тем, анализ существующих на сегодняшний день в РФ экономических механизмов управления реактивной мощностью пока-зал, что данные механизмы нуждаются в серьезном совершенство-вании [2]. В частности, это связано с тем, что установленные значе-ния tgφ и повышающие (понижающие) коэффициенты к тарифам на электроэнергию не являются результатом строгого расчета затрат энергоснабжающих организаций и потребителей электроэнергии на передачу реактивной мощности, хотя эти затраты принимались во внимание при определении численных значений коэффициентов [3]. Очевидно, что при значениях коэффициентов, не окупающих затраты на компенсирующие устройства, плата за реактивную мощность пре-вращается в дополнительную прибыль в пользу энергоснабжающих организаций, т. к. потребителям выгоднее платить за реактивную мощность, чем устанавливать компенсирующие устройства. Кроме того, в нормативных документах не установлены количественные критерии существенности влияния потребителей на режим работы энергосистемы и необходимости установки компенсирующих уст-ройств. Не определены и экономические механизмы действий по-требителей в часы малых нагрузок электрической сети, поскольку в этом случае потребителям также целесообразнее потреблять реак-тивную мощность из сети энергоснабжающей организации, чем уста-навливать компенсирующие устройства.

Задача же заключается в том, чтобы компенсирующие устрой-ства были установлены, и при этом поддерживался оптимальный режим работы электрической сети, а потребитель не платил за избы-точное потребление реактивной мощности. Достичь этого можно только путем модернизации существующей нормативно-правовой базы, которая должна осуществляться в соответствии с рыночными принципами и учитывать взаимные интересы энергоснабжающих

21

организаций и потребителей электроэнергии. При этом обязательст-ва сторон в части потребления и генерации реактивной мощности должны быть строго определены в договорах энергоснабжения. Со-вершенствование экономических механизмовуправления реактивной мощностью позволит определить экономически целесообразные значения и технические пределы ее потребления и генерации и бу-дет способствовать повышению энергоэффективности электросете-вого комплекса.


1. Правила недискриминационного доступа к услугам по пере-

даче электрической энергии и оказания этих услуг: утв. Постановле-нием Правительства РФ от 27.12.2004 № 861 (в ред. Постановления Правительства РФ от 21.03.2007 № 168).

2. Ефременко В.М., Беляевский Р.В. О совершенствовании ме-ханизмов взаимоотношений энергоснабжающих организаций и по-требителей в области компенсации реактивной мощности / Вестн. Кузбасского гос. тех. унив. – 2012. – № 2. – С. 59-62.

3. Железко Ю.С. Новые нормативные документы, определяю-щие взаимоотношения сетевых организаций и покупателей электро-энергии в части условий потребления реактивной мощности / Про-мышленная энергетика. – 2008. – № 8. – С. 2-6.


О.А. Буймистрова, И.С. Кущева, М.В. Манькова,

Е.С. Хухрянская

АВТОМАТИЗАЦИЯ ПАРКЕТНЫХ РАБОТ

Воронежская государственная лесотехническая академия г. Воронеж, Россия

Паркетные полы являются традиционным способом художествен-

ной отделки пола в помещениях, такая отделка подходит к любому ин-терьеру, и ее можно комбинировать с другими материалами.

В период 2008-2011 гг. наблюдается изменение в структуре по-требления паркета по типам продукции: сокращается доля штучного паркета и увеличивается доля паркетной доски (в основном импортного производства). В настоящее время на долю штучного паркета отечест-венного производства приходится более 37% рынка [1].

Крупнейшими компаниями-дистрибьютерами, занимающимися паркетом на российском рынке являются «Паркет Холл», «Дом Парке-та», «Мир паркета» и «Паркет дизайн». Кроме продажи «Паркет Холл»

22

занимается изготовлением художественного паркета, а «Паркет дизайн» имеет собственные производственные мощности.

Все фирмы, так или иначе занимающиеся сознанием паркетного напольного покрытия можно условно разделить на две категории. Пер-вые имеют обширную базу осуществленных проектов, из которых заказ-чик выбирает типовое решение с небольшими изменениями, и они ори-ентированы на выпуск и настил дорогого штучного и наборного паркета. Вторые ориентируются на среднего покупателя и применяют так назы-ваемую модульную сборку пола, когда паркет выпускается в виде гото-вых прямоугольных (квадратных) блоков раппортов укладки. Конструк-ция модульных элементов позволяет «вживлять» их в орнамент штучно-го паркета, сочетать художественные элементы со стандартными уклад-ками и облегчать проектирование пола изотетичных помещений. В обо-их случаях всякое изменение типового варианта влечет к дополнитель-ным затратам.

Укладка штучного паркета является трудоемким процессом, тре-бующим высокой квалификации персонала, поэтому целесообразно использовать автоматизированную систему проектирования (САПР) паркетных работ «Мозаика», которая позволяет объединить и согласо-вать существующие разрозненные системы российских и зарубежных стандартов на паркетную продукцию [2].

В России сегодня по действующему ГОСТу 862.1-85 «Паркет штучный. Технические условия» паркетные планки подразделяются на две марки: «А» (высшая категория) и «Б». Стандарт Германии (DIN 280, Teil 1) предусматривает три группы качества (от высшего к низшему): Natur (N), Gestreift (G) и Rustical (R). В частности Natur предполагает от-сутствие заболони, резких изменений окраски и нерегулярности струк-туры. Допускаются одиночные здоровые сучки: темные диаметром до 1 мм и светлые – до 8 мм. Стандарт Австрии (D3000, Teil 2) вводит допол-нительно более высокую категорию Exwisit (E) – улучшенное качество. Такое многообразие критериев создает проблему согласования качест-вапаркетных ресурсов, поставляемых из разных регионов. Использова-ние динамической базы данных, включающей следующие библиотеки: элементов, материалов и укладок, - дает возможность не только сохра-нить полученное художественное решение, но и осуществить на этапе проектирования контроль соответствия стандартам.

Подсистема САПР формирования укладки состоит в равномерном заполнении проектируемого объема однородными фрагментами (рап-портами) и содержит некоторый набор типовых задач с возможностью модифицирования любого элемента под требующиеся исходные вели-чины:

– генерация окна видимости, соответствующего конфигурации проектируемого помещения [3];

– выбор орнамента напольного покрытия; – выбор технологии укладки; – выбор и расчет количества необходимого материала.

23

Решение данных задач предполагает ресурсные затраты на рас-смотрение всех допустимых вариантов, большинство из которых далее не используется. Для упрощения этих этапов в автоматизированной системе проектирования паркетных работ используется подсистема геометрического моделирования, дающая визуализацию общего худо-жественного решения с расчетом оптимального объема расходуемого материала. Входными параметрами являются: тип, конфигурация по-мещения; размеры паркетной клепки; угол наклона рисунка и нали-чие/отсутствие фриза.

Система поддержки принятия решений предназначена для оценки возможных вариантов и поиска стратегии оптимального управления, и позволяет рассмотреть возможные способы укладки с визуализацией по каждому предлагаемому методу и произвести выбор наилучшего реше-ния.

Определение количества расходуемого материала особенно важ-но при нетрадиционном подходе к оформлению интерьера т.к. извест-ные в настоящее время методы укладки (шахматный, «плавающий») целесообразно использовать лишь для типовых укладок на изотетичных площадях. Стандартно данная величина определяется согласно общей методике, учитывающей размер проектируемого помещения и коэффи-циент запаса материала kz, который зависит от типа укладки. Различают укладки:

– без изменения стандартных параметров плашки (kz =5%); – требующие нарезки клепок под прямым углом (kz = 20%); – использующие сочленение паркетных планок под углом, отлич-

ным от прямого (kz = 40%). Применение САПР для минимизации отходов (количества мате-

риала) позволяет расположить паркетный рисунок, чтобы обеспечить минимум обрезки ламелей, а также применить части нецелых планок в дальнейшем комплексе работ по настилу пола.

Наглядность получаемых результатов позволяет оценить все дос-тоинства выбранной укладки, исходя из общего стиля интерьера проек-тируемого помещения, и дает возможность составить оптимальный план раскладки паркетных планок. При этом учитывается: неизотетич-ность помещений; сложность мозаичных и орнаментальных рисунков из нескольких типов базовых деталей различной текстуры; расположение оконных и дверных проемов, батарей отопления; треугольные про-странства, которые образуются в пристенных и прифризовых рядах и т.д.

Критериями оптимизации являются: минимизации отходов, макси-мизация целых плашек, эргономические показатели. Расчет требуемого материала в этом случае будет получаться наиболее точным.

Для апробации алгоритма были рассмотрены несколько стандарт-ных вариантов простой укладки паркета: палубный, елка, вьетнамка, – при разной величине помещения. При этом рассчитанный объем тре-буемого материала оказался меньше на 1,5 ÷ 7,2% от традиционно рас-

24

считываемого, верхняя граница относится к большей разнице длины и ширины помещения.


1. Маркетинговое исследование. Рынок паркета. Февраль 2011

[Электронный ресурс]. / Режим доступа. – URL:http://www.indexbox.ru/sale_reports/?research_id=274

2. Хухрянская, Е.С. Математическое обеспечение САПР паркетных работ [Текст] / Е.С. Хухрянская, И.С. Кущева // Информационные и управляющие системы в пищевой и химической промышленности: ма-тер. междунар. науч.-практ. конф. / Воронеж.гос. технол. акад. – Воро-неж: ВГТА, 2009. – С. 209-212.

3. Хухрянская, Е.С. Унифицированное описание модели входного объекта для САПР паркетных работ [Текст] / Е.С. Хухрянская, В.Н. Ха-рин, И.С. Кущева // Системы управления и информационные техноло-гии. – 2006. – №3 – с.92 – 96.


В.Г. Дегтярев, Н.В. Коженко

УСОВЕРШЕНСТВОАНИЕ МЕТОДА КОМПЛЕКСНОГО ОБСЛЕДОВАНИЯ ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ

Кубанский государственный аграрный университет

г. Краснодар, Россия

В настоящее время в нашей стране большая часть жилых зда-ний и производственных сооружений имеет значительный мораль-ный и физический износ. К ним можно отнести жилые дома, постро-енные не только в 50 - 70-е года, но и сравнительно недавние по-стройки, которые, в силу конструктивно-технологических особенно-стей возведения, технологических процессов, эксплуатируются в неблагоприятных условиях и подвержены воздействию агрессивных сред, которые и вызывают различные повреждения основных конст-руктивных элементов.

К решению данного вопроса в настоящее время разработано большое количество государственных стандартов, инструкций и ре-комендаций по обследованию зданий и сооружений. Однако практи-чески отсутствуют работы, охватывающие весь комплекс вопросов, связанных с обследованиями, как отдельных конструкций, так и зда-ний в целом. Литература по современным методам обследований зданий крайне ограничена, а описанные в ней алгоритмы, если рас-сматривать их по отдельности, нельзя сказать, что они правильные,

25

что соответственно приводит к ошибкам.Алгоритм считается пра-вильным, если он отвечает требованиям задачи (например, даёт физически правдоподобный результат) и не правильным, если со-держит ошибки, если для некоторых исходных данных он даёт не-правильные результаты, сбои, отказы или не даёт никаких результа-тов вообще.

В результате проведенного анализа существующих методик нами был разработан алгоритм (см. рис.1) комплексного обследова-ния зданий, включающий все необходимые стадии. Комплексное обследование несущих конструкций и всего здания или сооружения в целом имеет главную цель — определить действительное техниче-ское состояние конструкций, их способность воспринимать дейст-вующие в данный период расчетные нагрузки и обеспечивать нор-мальную эксплуатацию здания, спрогнозировать дальнейшее пове-дение конструктива здания или сооружения по средствам построения математической модели основанной на результатах комплексного обследования (с применением приборов неразрушающего контроля) и методе конечных элементов.

Предлагаемый нами алгоритм предполагает существование начальных (входящих) данных и в результате работы приводит к получению определенного результата. Работа алгоритма происходит путем выполнения последовательности некоторых элементарных действий. Эти действия называют шагами, а процесс их выполнения называют алгоритмическим процессом. Начальными данными в на-шем алгоритме служит «Ознакомление с документацией объекта» - что подразумевает под собой сбор и анализ проектной и не только документации по интересуемому объекту и составление плана работ по обследованию. Следующий шаг «Визуальное обследование» включающее полный осмотр объекта на предмет обнаружения види-мых дефектов с применением фотофиксации и приборов, не тре-бующих специальных знаний. Далее следует произвести анализ по-лученных данных в результате данного вида обследования, что так же является отдельным шагом (стадией) в данном алгоритме. Ста-дия «Инструментального обследования» подразумевает под собой выявление дефектов, их качества и количества по средствам прибо-ров требующих специальных знаний. По окончании данной стадии следует другая – «Анализ полученных данных». Стадия «Работы индивидуального характера» - не всегда присутствует в алгоритме, все зависит от специфики объекта и места его расположения (на-пример: мероприятия по укреплению склона на котором располага-ется объект).

26

Комплексное

обследование

Ознакомление с документацией

объекта

Визуальное

обследование

Инструментальное обследование

Методы

неразрушающего контроля

Обработка

полученных данных в программ

-ных продуктах

Е, р

, деформации

Математическое моделирование

Прогнозирование

Анализ

полученных данных

Анализ


Анализ


Комплексный анализ

результатов

Работы

индивидуаль

-ного

характера

Анализ


Параметры

энергоэффек

-тивности

Рис

. 1. Алгоритм

комплексного обследования

27

При помощи приборов неразрушающего контроля и сопровож-дающих их программных продуктов получаем данные «Е» (модуль упругости) и «р» (плотность бетона), а при помощи тахеометра – «Δl» (один из видов деформации),через стадию «Обработка полученных данных в программных продуктах». Эти данные вводятся в следую-щем шаге «Математическое моделирование», который включает в себя разработку и расчет математической модели обследуемого объекта по результатам полученных данных в натуре.

После обработки данных, наступает стадия «Прогнозирова-ния»в которой объединяются все полученные данные в результате построения и расчета математической модели, а также данные не участвующие в построении модели, но имеющие не мало важную значимость для оценки общего состояния конструктива. Далее сле-дует стадия «Анализ полученных данных» для всей полученной ин-формации по стадии «Методы неразрушающего контроля».

Параллельно стадии «Математического моделирования» про-ходит стадия обработки данных энергоэффективности (в соответст-вующих программных продуктах), полученных с приборов неразру-шающего контроля также не участвующих в построении математиче-ской модели, но несущих в себе информативность другого не мало важного характера. Данная стадия также не всегда применима, ис-ходя из востребованности на сегодняшний день в основном в харак-теристиках несущей способности и деформативности зданий и со-оружений.

В конечном итоге все результаты полученные нами по четырем стадиям «Анализ полученных данных» комплексно рассматриваются в следующем шаге «Комплексный анализ результатов», в котором прослеживается влияние друг на друга полученных результатов, со-стояние конструктива объекта как по отдельности, так и в целом, а также даются рекомендации по усилению, сносу, реконструкции, ка-питальному ремонту объекта и т.п.

Разработанный нами алгоритм позволяет получить наиболее полную и точную информацию о фактическом состоянии обследуе-мого объекта по сравнению с традиционными методами обследова-ния. Также еще одно преимущество данного алгоритма заключается в том, что он позволяет прогнозировать дальнейшее поведение кон-структива здания, как до его реконструкции, так и после на основе математического моделирования и методов неразрушающего кон-троля.


1. МДС 13-20.2004 «Комплексная методика по обследованию и

энергоаудиту реконструируемых зданий», Москва 2004г. 2. АО «ЦНИИПРОМЗДАНИЙ» Пособие по обследованию строи-

тельных конструкций зданий, Москва – 2004

28

3. МРР-2.2.07-98 «Методика проведения обследований зданий и сооружений при их реконструкции и перепланировке», Москва 1998г.


А.А. Ержан, З.К. Куралбаев

АКТИВНЫЕ ФИЛЬТРЫ С ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯМИ СОПРОТИВЛЕНИЯ И ИХ АНАЛИЗ

Казахский национальный технический

университет им. К.И. Сатпаева г. Алматы, Казахстан

Доклад посвящен анализу фильтров с преобразователями со-

противления. Известно, что в настоящее время преобразователи сопротивления широко используются для реализации безиндуктивных фильтров [1]. Особый практический интерес представляют преобразователи сопротивления на интегральных операционных усилителях. Известны различные схемы таких преобразователей и фильтров.

Актуальными являются исследования и реализации преобразователей сопротивления на операционных усилителях (ОУ), позволяющие получить высокостабильные схемы фильтров.

Для построения активных RC – фильтров могут быть использо-ваны различные преобразователи сопротивления на ОУ (гираторы, мутаторы, четырехполюсники, реализующие частотно-зависимые отрицательные сопротивления). Применение частотно-зависимых отрицательных сопротивлений уменьшает необходимое число опе-рационных усилителей для безиндуктивной реализации низкочастот-ных и полосовых фильтров. Эти фильтры имеют весьма низкую чув-ствительность к изменению параметров схемы.

В любой L,R,C- схеме можно смоделировать индуктивность с помощью гираторов, мутаторов [2] и емкостей.

Идеальный гиратор представляет собой четырехполюсник, описываемый уравнениями

1 i2u R ;= 2 i1u R ;= (1)

где 1Rq

= – вещественная постоянная, называемая сопротивлением

гирации (соответственно проводимость гирации).

29

Если к выходным зажимам гиратора присоединить нагрузку с сопротивлением ZH, то входное сопротиление

2

вхH

RZZ

= . (2)

Следовательно, гиратор обладает свойством инвертирования

иммитанса. Так, идеальный гиратор, нагруженный емкостью С, эквивалентен индуктивности.

Гираторное полосовое звено на двух ОУ имеет стабильность частотных характеристик не хуже, чем звенья на трех ОУ при одина-ковом числе емкостей и меньшем числе резисторов. Гираторное по-лосовое звено второго порядка можно видоизменить, чтобы получить звенья второго порядка для фильтров низких частот (ФНЧ) и фильтров высоких частот (ФВЧ).Необходимо отметить, что в гира-торных звеньях имеется возможность независимой регулировки ос-новных параметров путем увеличения сопротивлений резисторов. Схема отвечает требованиям технологии изготовления интегральных схем. Это позволяет сделать вывод о перспективности использова-ния гираторного звена в качестве унифицированного блока для по-строения активныхRC-фильтров.

Для синтеза линейных цепей могут применяться мутаторы [2], в частности, L-R-мутатор преобразует сопротивление. Продольная незаземленная индуктивность, физически реализуемая при помощи мутаторов, будет иметь хорошее качество лишь при весьма тща-тельном согласовании параметров обоих мутаторов. Требования к согласованию мутаторов аналогичны требованиям к согласованию параметров заземленных гираторов, реализующих незаземленную индуктивность.

Поэтому рассматриваемые преобразователи сопротивления могут быть представлены эквивалентной схемой. Наличие в схеме управляемого источника напряжения с ненулевым выходным сопро-тивлением объясняется тем, что выходной зажим совпадает с выхо-дом одного из операционных усилителей, которые считаются иде-альными. Возможность реализации управляемого источника напря-жения в качестве составной части гиратора позволяет уменьшить общее число необходимых ОУ.


1. Жунусов З. А., Миронов В.Г., Пуньков И. М. Адаптивная стра-

тегия при анализе нелинейных схем на ЭВМ 1989г. Том 32. № 7 Ра-диоэлектроника /Изв. высш. учебных заведений/ С.11 – 16.

2. Власов А.И., Петренко А.И., Тимченко А.П. Табличные мето-ды моделирования электронных цепей на ЭЦВМ.-Киев: Вищ.шк. 1977.-192с.

30

3. Чуа Л.О. и др. Машинный анализ электронных схем / Пер. с англ. По ред. В.Н. Ильина. –М.: Энергия, 1980. -636с.

4. Ержан А.А., Жунусов З.А. Уравнения в гибридных координат-ных базисах. Сборник трудов // I-ая Международная научно-практическая конференция - 2010г.-Алматы.-с.145-152

5. Ержан А.А.,Жунусов З.А. Метод последовательного частич-ного LU – разложения для анализа в частотной области. Вестник АУЭС. 2010, № 3/2(10). – с.88-91


Е.М. Желтобрюхов, А.В. Неклюдов, М.С. Кузнецов

СПЕЦИАЛИЗИРОВАННАЯ САПР ДОЛБЯКОВ

Хакасский технический институт – филиал Сибирского федерального университета

г. Абакан, Россия

Одной из важнейших функций технологической подготовки про-изводства является инструментальное обеспечение технологических процессов изготовления деталей машин. Проектирование инстру-мента, особенно сложнопрофильного, представляет собой достаточ-но трудоемкую, сложную и многовариантную задачу, решить которую без использования современных вычислительных средств и методов расчета весьма затруднительно. Построение сложного профиля ре-жущих кромок инструмента производится с помощью различных пе-реходных кривых - плоских и пространственных (эвольвенты, тро-хоиды и др.), но в современных графических САПР нет предустанов-ленных кривых, поэтому они строятся приближённо по точкам при помощи кривых Безье или NURBS. Точность в 4 – 5 точек на одну кривую даёт хороший результат, Однако формулы для вычисления координат точек и граничных углов переходных кривых достаточно сложны и громоздки, поэтому их ручное вычисление весьма трудо-емко. Еще более сложным и трудоемким является построение про-странственной модели сложнопрофильного инструмента. Например, долбяк – инструмент для изготовления зубчатых колес, - представ-ляет собой совокупность бесконечного числа зубчатых колёс с пере-менным коэффициентом смещения. Поэтому зубчатый венец модели долбяка представляет собой криволинейную поверхность, огибаю-щую несколько сечений. Для создания качественной модели требу-ется построение не менее 3 – 4 сечений. Следовательно, координа-ты точек переходных кривых требуется вычислять отдельно для ка-ждого сечения, что в несколько раз увеличивает объём вычислений. Эту проблему лучше всего решать с помощью специализированной

САПР долбяков, автоматически создающей переходные кривые срзу для нескольких сечений и требуемую криволинейную поверхность

Программы автоматизированного проектирования долбяков реализованы с помощью языка С++. Для автоматизации построения модели и чертежа инструмента был выбран программный комплекс КОМПАС, широко распространенный на отечественных предприятях и вузах и предоставляющий гибкие возможности для построения чертежей из приложений за счет внутренних средств автоматизации - (прикладных библиотек и приложений), предназначенных для оргнизации вызова функций КОМПАС из внешних программ.

Работа программы начинается с ввода исходных данных для проектирования, которые должны быть введены в соответствующие поля (рис. 1) путем выбора из предложенных значений или непсредственным вводом.

Рис. 1. Главное окно программы. Ввод исходных данных для проектирования и рассчитанные значения параметров

долбяка

После прохождения ряда этапов, на которых обеспечивается контроль и уточнение необходимых данных, программой будет преложено произвести расчет, провести анализ результатов (с возмоностью корректировки введенных исходных данных и проведения нового расчета), сохранить полученные результаты в текстовом формате и перейти к построению модели и рабочего чертежа.

Применение большинства известных методик расчета долбяков основано на выборе большого количества параметров с использовнием обширных справочных данных, не поддающихся корреляции и возможности установления точных функциональных связей парметров инструмента и детали. Это вызвало необходимость введения

31

САПР долбяков, автоматически создающей переходные кривые сра-зу для нескольких сечений и требуемую криволинейную поверхность.

Программы автоматизированного проектирования долбяков реализованы с помощью языка С++. Для автоматизации построения модели и чертежа инструмента был выбран программный комплекс КОМПАС, широко распространенный на отечественных предприяти-

ставляющий гибкие возможности для построения чертежей из приложений за счет внутренних средств автоматизации

(прикладных библиотек и приложений), предназначенных для орга-

да исходных данных для проектирования, которые должны быть введены в соответствующие поля (рис. 1) путем выбора из предложенных значений или непо-

Рис. 1. Главное окно программы. Ввод исходных данных

значения параметров

После прохождения ряда этапов, на которых обеспечивается контроль и уточнение необходимых данных, программой будет пред-ложено произвести расчет, провести анализ результатов (с возмож-

х и проведения нового расчета), сохранить полученные результаты в текстовом

тежа. Применение большинства известных методик расчета долбяков

основано на выборе большого количества параметров с использова-ем обширных справочных данных, не поддающихся корреляции и

возможности установления точных функциональных связей пара-метров инструмента и детали. Это вызвало необходимость введения

32

режима диалога при выборе определенных параметров и в ходе расчета, а также создания баз данных по справочным материалам. Вместе с тем, использование режима диалога, как правило, повышет качество принимаемых решений, а также является полезным при использовании этой программы в учебных целях. Итогом работы программы является построение 3D-модели (рис. 2) и рабочего четежа инструмента.

Рис. 2. 3D-модель спроектированного долбяка

Рис. 3. Чертеж долбяка

режима диалога при выборе определенных параметров и в ходе создания баз данных по справочным материалам.

Вместе с тем, использование режима диалога, как правило, повыша-ет качество принимаемых решений, а также является полезным при использовании этой программы в учебных целях. Итогом работы

модели (рис. 2) и рабочего чер-

модель спроектированного долбяка

33

Пример созданного в редакторе KOMПАС-3D с помощью раз-работанной программы чертежа долбяка типа 1 по ГОСТ 9323-79 представлен на рисунке 3.

По результатам работы можно утверждать, что созданное про-граммное обеспечение для автоматизированного проектирования долбяков позволяет проводить расчеты геометрических и конструк-тивных параметров инструментов, а также автоматическое построе-ние 3D-модели и рабочего чертежа по рассчитанным данным.

Разработанные компьютерные программы предназначены для повышения качества проектных решений и сокращения затрат вре-мени на этапе инструментальной технологической подготовки произ-водства, а также могут быть использованы как обучающие програм-мы в учебном процессе студентов машиностроительных специаль-ностей вследствие наличия удобного и наглядного интерфейса и развитой справочной системы.


В.А. Зибров, Д.А. Мальцева

ОРГАНИЗАЦИЯ АКУСТИЧЕСКОГО КАНАЛА В РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ МАГИСТРАЛЬНЫХ СЕТЯХ

МАЛОГО ДИАМЕТРА

Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса г. Шахты, Ростовская обл., Россия

В настоящее время деятельность жилищно-коммунального хо-

зяйства сопровождается весьма большими потерями ресурсов, по-этому информация относительно текущего структурного состояния-локальных водопроводных магистралей, в совокупности со статисти-чески выведенными эмпирическими моделями отказов, может уве-личить долговечность эксплуатации ипозволит управлять системами водоснабжения рентабельным способом[1].

Оценка состояния водопроводных магистралей и соответствен-но принятия решения по восстановлениюводопровода состоит из нескольких этапов: моделирование водопроводав наземном и под-земном вариантах прокладки;оценка состоянийводопроводапри по-мощи средств измерительной техники, в том числе дефектоскопия труб;интерпретация измеренных показателей, определяющих теку-щее состояние водопровода; эмпирическое моделирование отказов в распределительных магистральных сетях малого диамет-ра;определение срока службы водопровода; оценка последствий

34

аварийных отказов; планирование затрат для полного срока эксплуа-тации водопровода (количество, качество, надежность, и т.д.).

Современный уровень развития вычислительной техники и средств связи позволяет перевести большинство объектов жилищ-но-коммунального хозяйства на автоматический режим работы с пре-доставлением возможности дистанционного мониторинга и управле-ния сетью объектов с единых диспетчерских пунктов.

Применение ультразвуковой технологии передачи данных для учета энергоресурсов, позволяет измерять параметры любых сред: жидкостей, газов и даже пара. Измерение и передачу данных можно проводить, используя гидроакустический ультразвуковой канал связи в магистрали трубопровода при транспортировке тех или иных сред[2,3].

Акустическая система связи основана на обмене акустическими сигналами между стационарными узлами в сети через воду, текущую в водопроводе. Сгенерированный акустический сигнал предается передатчиком в водопровод и через водную среду передается при-емнику на удаленном расстоянии 100…500м.

Во время распространения по водопроводу акустическая волна подвергается искажениям, которые изменяют ее форму, амплитуду, частотные и фазовые характеристики (рис.1). Основными механиз-мами искажения акустического сигнала в водопроводе являются фо-новый шум и дисперсия. Высокий уровень дисперсии и затуханияа-кустического сигнала в замкнутом объеме водопровода вызван, главным образом тем, что сигналы высокой частоты образуют мно-жество мод колебаний, которые последовательно распространяются в водопроводе на различных скоростях. Кроме этого уменьшается уровень акустического сигналав водопроводевызванный ревербера-цией волн в точках разрыва, соединения и изгибатрубы [3].

Рис. 1. Формы распространения акустической волны

Решение уравнения для акустического давления имеет вид [3]:

35

[ ] ×∑=

θωπ

ρ=θ )rnmk(nJ

N

1n)0ncos()0rnmk(nJ

2R2)x,,r(P

)0xx(nmike)ncos(

−θ× (1)

где R – радиус трубы; c/f2k π= – волновое число; r – расстояние до источника излучения; )м0x;рад174,0;R*1,0r( 000 ==θ= – коорди-наты передатчика; )м500,м100x;рад262,0;R*5,0r( ==θ= – коорди-наты приемника; )kr(nJ – функция Бесселя; 1000=ρ кг/м³ – плот-

ность воды. Из общего решения выбираем только те решения, кото-

рые удовлетворяют граничным условиям 0Rr)kr(nJdrd)kr(nJ === и,

2nmk2

0knmk −= учитывает только те значения nmk , которые

удовлетворяют условию 0knmk ≤ . Скорость распространения звука

в воде 1500=c м/с, частота акустического сигнала f =40кГц, и опре-деляем наибольшие допустимые значения nmk :

м15,16750,1/4020k)макс(nmk ≈π== .

Для трубы радиусом R =0,024м все значения Rnmk удовлетво-

ряют Rnmk <167,5*0,024=4,02 и заданным граничным условиям. Мо-

да с индексом (0,0) это плоская волна со скоростью распространения звука в воде и волновым числом 0k00k = . В статье рассмотрен сиг-

нал )tf2cos()t(f Cπ= , Cf/4t0 << . Рассмотрим распространение импульса на расстояниях

x=100м, 500м (рисунок 2-4) для различных мод. В работе использо-вана интерактивная система для выполнения инженерных и научных расчетов Matlab 7.11.0.584.

Таким образом, в цилиндрическом продуктопроводе желатель-но передавать информацию с помощью оговоренной выше волны с модой (0,0). При этом следует обратить внимание на следующее: необходимо применение согласованного фильтра для выделения режима распространения (0,0) из принятых импульсов; большая часть энергии импульса приходится на распространение многих мод, значительно ослабляя моду (0,0).

36

а) б)

Рис. 2. Вид импульса на расстоянии 100м(а), 500м(б) для моды (0,0)

а) б)


а) б)


Поэтому целесообразно: разработать имитационные модели

распространения ультразвуковых волн в неидеальном продуктопро-воде, рассмотреть различные виды сигналов, сигналы с линейной частотной модуляцией и т.п., а также провести численный экспери-

0 50 100 150 200 250 300-3

-2

-1

0

1

2

3x 10

5

Time(msec)

Pre

ssur

e am

plitu

de

0 50 100 150 200 250 300-3

-2

-1

0

1

2

3x 10

5

Time(msec)

Pre

ssur

e am

plitu

de

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800-5000

-4000

-3000

-2000

-1000

0

1000

2000

3000

4000

5000

Time(msec)

Pre

ssur

e am

plitu

de

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800-3000

-2000

-1000

0

1000

2000

3000

Time(msec)

Pre

ssur

e am

plitu

de

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000-4

-3

-2

-1

0

1

2

3

4x 105

Time(msec)

Pre

ssur

e am

plitu

de

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000-4

-3

-2

-1

0

1

2

3

4x 105

Time(msec)

Pre

ssur

e am

plitu

de

37

мент, сравнив полученные результаты с результатами натурного эксперимента.


1. А.А. Сапронов, В.А. Зибров. Использование пьезоэлектриче-

ских преобразователей для передачи информации о потребляемых водных ресурсах / Энергосбережение и водоподготовка. Научно-технический журнал. – М.: Издательский дом «Граница», 2009. – №3 – С.44-46

2. В.А. Зибров. Ультразвуковая технология мониторинга про-дуктопровода // Сборник научных трудов SWorld. Материалы между-народной научно-практической конференции «Современные про-блемы и пути их решения в науке, транспорте, производстве и обра-зовании 2011». Выпуск 4. Том 9. – Одесса: Черноморье, 2011. – С. 24-28

3. С.П. Тарасов, В.А. Зибров. Организация акустического кана-ла передачи данных в продуктопроводе / Известия ЮФУ. Техниче-ские науки. Тематический выпуск «Экология 2011 – море и человек». – Таганрог: Изд-во ТТИ ЮФУ, 2011. - №9(122). – С. 54-56


К.С. Иванов, Б.Т. Шингисов, Г.К. Балбаев

РАЗРАБОТКА БЕССТУПЕНЧАТО-РЕГУЛИРУЕМОЙ ПЕРЕДАЧИ

Алматинский университет энергетики и связи

г. Алматы, Казахстан

Законы механики позволяют создать механическую передачу, способную приводить передаточное отношение в соответствие на-грузке только за счет свойств механизма без использования какого-либо управления. Для самостоятельного регулирования передаточ-ного отношения в зависимости от нагрузки передача должна содер-жать замкнутый контур, который накладывает дополнительную диф-ференциальную связь на движение звеньев и превращает кинемати-ческую цепь в механизм. При этом механизм приобретает свойство адаптации к переменной внешней нагрузке.

Для самостоятельного регулирования передаточного отноше-ния в зависимости от нагрузки передача должна иметь дополнитель-ную степень свободы. Но определимость кинематической цепи име-ет место, если число входных звеньев равно числу степеней свобо-ды [1].

38

Ранее [2, 3, 4] на основе принципа возможных работ было пока-зано, что в частном случае кинематическая цепь с двумя степенями свободы, имеющая только один вход, может быть определимой. Та-кая передача должна содержать замкнутый контур, который накла-дывает дополнительную дифференциальную связь на движение звеньев и превращает кинематическую цепь в механизм. При этом механизм приобретает свойство адаптации к переменной внешней нагрузке. Наличие эффекта силовой адаптации было подтверждено числовыми примерами, анимационной моделью, опытными образ-цами.

Теорема. Подвижный четырехзвенный замкнутый контур нахо-

дится в равновесии, если активные силы приложены к несмежным звеньям контура

Четырехзвенный замкнутый контур C, E, G, D , на который дейст-вуют активные силы, находится в структуре кинематической цепи с двумя степенями свободы (рис. 1). Кинематическая цепь содержит стойку 0, одно входное звено 1, замкнутый четырехзвенный контур 2-3-4-5 и выходное звено 6. Внешние произвольные силы действуют на контур: входная движущая сила 1F , передаваемая со стороны вход-

ного звена 1 в точке B, и выходная сила сопротивления 6R , переда-ваемая со стороны выходного звена 6 в точке K . Внешние переме-щения контура B Ks , s точек B и K соответствуют внешним силам контура. Пассивным (внутренним) силам в точках C, E,D, G , реакциям

32 35 42 45R ,R ,R ,R , соответствуют внутренние перемещения контура,

перемещения C E D Gs , s , s , s точек C, E,D, G .

Рис. 1. Подвижный четырехзвенный замкнутый контур в

структуре кинематической цепи

Отметим предварительно, что подвижный четырехзвенный замкнутый контур может находиться в структуре кинематической це-пи с двумя степенями свободы только при наличии в ней одного вхо-

BA

a

2A

G 6A D

A

sK sB

KA b d

c

R6

CA

F1 AA

EA 0

A 1A

3A

4A

5A

LA

39

да. - На входном звене 1 движущая сила совпадает по направлению с входным перемещением. Следовательно, звено 6 цепи должно иметь силу, направленную противоположно перемещению, то есть быть выходным звеном. Иначе для замкнутого контура 2-3-4-5 не будет выполняться равенство нулю работ внешних сил.

Для доказательства теоремы выразим внутренние силы конту-ра через внешние силы.

Так как звенья 2 и 5 контура, к которым приложены активные силы, не являются смежными, то для каждого из этих звеньев внут-ренние силы 32 35 42 45R ,R ,R ,R выражаются через активные силы 1F и

6R с помощью условий статики. Чтобы замкнутый контур находился в равновесии, необходимо,

чтобы условия равновесия соблюдались и для внешних сил и для внутренних сил.

При произвольных внешних силах внутренние силы отдельно на звене 3 и на звене 4 не будут соответствовать условиям статики. Однако в замкнутом контуре при движении его звеньев происходит взаимодействие работ сил.

Составим для несмежных звеньев 2 и 5 условия равновесия по принципу возможных работ.

Для звена 2

1 32 42B C DFs R s R s= + . (1) Для звена 5

6 35 45K E GR s R s R s= + . (2) Сложим уравнения (1) и (2), получим

1 6 32 42 35 45B K C D E GFs R s R s R s R s R s+ = + + + . (3) Здесь внутренние силы, действующие во всех точках контура,

выражены через активные силы. Внутренние перемещения могут быть определены через внешние перемещения.

Левая часть уравнения (3) представляет собой сумму работ внешних сил контура. При наличии равновесия для внешних сил со-гласно принципу возможных работ для контура (или для всей цепи)

1 6 0B KFs R s+ = . (4)

Для выполнения равновесия уравнение (4) должно содержать

один неизвестный параметр. Если принять, что заданными парамет-рами являются сила сопротивления 6R и входная обобщенная коор-

40

дината Bs , то в уравнении (4) логично принять в качестве неизвест-

ного параметра не входную активную силу 1F , а внешнее перемеще-

ние Ks . Правая часть уравнения (3) представляет собой сумму работ

внутренних сил контура. Поскольку в правой части уравнения внут-ренние силы определены через известные внешние силы, внутрен-ние перемещения определены через внешние перемещения, то со-блюдение условия (4) приведет также к соблюдению равенства нулю работ внутренних сил на возможных внутренних перемещениях

32 42 35 45 0C D E GR s R s R s R s+ + + = . (5)

Это означает, что условие равновесия (4) для внешних пара-

метров контура обеспечивает также выполнение условия равновесия (5) для внутренних параметров контура.

Так как имеет место равновесие внешних и внутренних сил действующих на контур, то подвижный четырехзвенный замкнутый контур находится в равновесии, если активные силы приложены к несмежным звеньям контура, что и требовалось доказать.

Автоматическая коробка передач в виде бесступенчатой зубча-

той передачи Бесступенчатая адаптивная зубчатая передача (рис. 3) содер-

жит входное водило 1H , выходное водило 2H и четырехзвенный замкнутый контур, содержащий блок солнечных колес 1 – 4, сателлит 2, блок кольцевых колес 3 – 6 и сателлит 5.

Взаимосвязь параметров передачи по аналогии с ранее приве-денными выражениями имеет вид

2 1 1 2H H H HM / Mω = ω . (5)

Формула (5) отражает эффект силовой адаптации: при задан-

ной постоянной входной мощности с параметрами 1 1H HM , ω выходная угловая скорость обратно пропорциональна заданному переменному моменту сопротивления 2HM .

Эта передача может быть использована как зубчатая бессту-пенчатая автоматическая коробка передач автомобиля, не требую-щая никакого управления. Наличие зубчатых колес с постоянным зацеплением существенно упрощает конструкцию.

41

Рис. 3. Зубчатая адаптивная передача

Заключение Кинематическая цепь с двумя степенями свободы и подвижным

замкнутым контуром принятой конфигурации при наличии одной обобщенной координаты является статически определимой и имеет принципиально новые свойства: равновесие работ внешних и внут-ренних сил контура, силовая адаптация. Силовая адаптация имеет огромное практическое значение. Она позволяет создавать адаптив-ные приводы машин с переменным передаточным отношением, за-висящим от технологического сопротивления. Автоматическая ко-робка передач в виде бесступенчатой зубчатой передачи обеспечи-вает идеальную тяговую характеристику автомобиля и отличается чрезвычайной простотой.


1. Маркеев А.П. Теоретическая механика. М., Наука. 1990.

414 с. 2. K.S.Ivanov. The Question of the Synthesis of Mechanical Auto-

matic Variable Speed Drives.// Proceedings of the Ninth World Congress

A A

G

F

E

A

D

B

C

1 4

6

H 2 H1

2

3

5

42

on the Theory of Machines and Mechanisms, Vol.1, Politechnico di Mi-lano, Italy, August 29/Sept 2, 1995. P. 580 – 584.

3. Ivanov K.S. Discovery of the Force Adaptation Effect. // Proceed-ings of the 11th World Congress in Mechanism and Machine Science. V. 2. April 1 - 4, 2004, Tianjin, China. P. 581 - 585.

4. Ivanov K.S. Gear Automatic Adaptive Variator with Constant En-gagement of Gears.//Proceedings of the 12th World Congress in Mecha-nism and Machine Science. Besancon. France. 2007, Vol. 2.P. 182 - 188.

Связьсавтором: [email protected]

А.Р. Имангулов, Н.М. Филькин, Р.С. Музафаров

КРУТИЛЬНЫЕ КОЛЕБАНИЯ В ТРАНСМИССИИ АВТОМОБИЛЯ

Ижевский государственный технический университет им. М.Т. Калашникова

г. Ижевск, Россия

Крутильные колебания в валах трансмиссионных систем возни-кают от неравномерности периодического момента, как движущих сил,так и сил сопротивления. Одним из основных источников возму-щений,приводящих к возникновению крутильных колебаний элемен-тов трансмиссии, является двигатель внутреннего сгорания. Другим источником возмущений является дорожное покрытие.При совпаде-нии частоты свободных крутильных колебаний системы с частотой периодического крутящегомомента возникают резонансные колеба-ния. В этомслучае работа силового агрегата и всей трансмиссии в целом неспокойна:усиливается шум и меняется его характер, появ-ляется тряска в трансмиссионной системе [1].

Неравномерность крутящего момента вызывает неравномер-ность изменения угловой скорости вращения вала, т.е. то ускорение, то замедление вращения. Так как вал обладает упругостью ина нем размещаются массы, то в каждом сечении вала будет своя степень неравномерности. Это объясняется тем, что массы в одинаковый промежуток времени проходят разные углы и, следовательно, дви-жутся с разными скоростями. Последнее создает переменные за-крутки в сечениях вала, что определяет его прочность. Следова-тельно, знакопеременные крутящие моменты вызываютв валах трансмиссий знакопеременные напряжения. Последние могут стать большими и превысить предел выносливости, что приведет к уста-лости материала вала и его разрушению [1].

Согласно [2] динамические процессы в трансмиссии автомоби-ля целесообразно разделить на два вида: процессы, возникающие

43

при неустановившемся режиме движения автомобиля (при включе-нии и выключении муфты сцепления, при переключении передач), и процессы, возникающие при установившемся режиме движения ав-томобиля, т.е. при постоянной скорости его движения. К динамиче-ским процессам, возникающим в трансмиссии автомобиля при уста-новившемся режиме его движения, следует отнести резонансные режимы работы системы «двигатель-трансмиссия». В этом случае двигатель автомобиля является источником внешней возмущающей силы по отношению к трансмиссии.

При исследовании крутильных колебаний трансмиссии автомо-биля необходимо выявить резонансные режимы и изучить переход-ные процессы, возникающие при включении сцепления в момент трогания автомобиля с места и при переключении передач. Кроме того изучение влияния конструктивных параметров на возникновение в трансмиссии крутильных колебаний (например, демпфера в сцеп-лении, резиновых муфт на карданных валах и т.д. на амплитуды и частоты крутильных колебаний) является не менее важным.

Для трансмиссии автомобиля наиболее опасны одно-, двух-, трех- и четырехузловые формы крутильных колебаний. При изучении одноузловой формы колебаний измерения проводят на любом из валов трансмиссии автомобиля, так как эта форма колебаний возни-кает почти с одинаковой интенсивностью на всех валах при включе-нии любой передачи. Для изучения трехузловой формы колебаний точки для измерения выбирают на первичном валу коробки передач (эти колебания менее интенсивны на карданном валу и почти неза-метны на полуосях). При изучении четырехузловой формы колеба-ний измерения проводят на карданном валу, на первичном валу ко-робки передач, и особенно на полуосях, эта форма колебаний прак-тически незаметна. Двухузловая форма крутильных колебаний для трансмиссии автомобиля не опасна, она эффективно гасится трени-ем в шинах ведущих колес [3].

Наиболее распространенными способами снижения динамиче-ских нагрузок на элементы двигателя внутреннего сгорания и транс-миссии при крутильных колебаниях, в том числе при резонансных режимах являются:

- изменение жесткости элементов системы«двигатель-трансмиссия»;

- изменение порядка зажигания в цилиндрах; - введение динамических гасителей колебаний, настроенных на

частоту определенной формы; - установка на колеблющуюся систему демпферов различного

типа и антивибраторов. Повышение надежности, долговечности и снижение шума дви-

гателей внутреннего сгорания и трансмиссий автомобилей всегда являлось актуальной задачей. Как оказалось, одним из основных факторов, влияющих на надежность и ресурс работы двигателя внутреннего сгорания и трансмиссии, являются динамические на-

44

грузки при крутильных колебаниях, особенно на резонансных режи-мах. Таким образом, при создании современного автомобиля возни-кает необходимость проверки сложной колебательной системы на возможность развития крутильных колебаний в диапазоне возмож-ных скоростных и нагрузочных режимов работы и в соответствующих случаях принятия мер по их гашению.


1. Маслов Г.С. Расчеты колебаний валов. Справочное пособие.

– М.: «Машиностроение», 1968. – С. 11. 2. Стефанович Ю.Г., Лунев И.С. Исследование процессов ди-

намики нагружения трансмиссии автомобиля// Динамика машин: Сборник статей. – М.: Государственное научно-техническое изда-тельство машиностроительной литературы, 1963. - С. 248-249.

3. Испытания автомобилей/ В.Б. Цимбалин, В.Н. Кравец, С.М. Кудрявцев, И.Н. Успенский, В.И. Песков. – М.: «Машиностроение», 1978. – С. 108-109.


Н.В. Инюшкин, С.А. Ермаков, А.Г. Титов, Зал.Р. Гильванова, И.В. Коробкова, Д.А. Парамонов,

К.В. Седунов, Зл.Р. Гильванова

НОВАЯ КОНСТРУКЦИЯ ОСАДИТЕЛЬНЫХ ЭЛЕКТРОДОВ ЭЛЕКТРОЦИКЛОНА ДЛЯ СНИЖЕНИЯ ВТОРИЧНОГО

УНОСА

Уральский федеральный университет им. Б.Н. Ельцина г. Екатеринбург, Россия

Электроциклоны – аппараты для очистки газов от твердых и

жидких частиц. Принцип работы – осаждение частиц аэрозоля из газа сочетанием центробежной и кулоновской сил. В ряде публика-ций [1, 2] показана высокая эффективность электроциклона ЭЦВ для очистки газов от золы ТЭС. В области рабочих скоростей до 17 м/с на входе в аппарат степень очистки достигает 99,9%, при увеличении скорости до 25 м/с степень очистки снижается до 98-99% и возраста-ет вторичный унос, что отражено в работе [1].

Вторичный унос, т.е. явление отрыва от осадительного элек-трода газовым потоком частиц и запыление ими очищенного газа, существенно влияет на степень очистки электроциклона. Для уменьшения вторичного уноса была предпринята попытка установки металлических насадок в форме карманов на внешнем осадитель-

45

ном электроде электроциклона ЭЦВ. Цель новой конструкции – уменьшить вторичный унос.

Электроциклон с насадкой схематически изображенный на ри-сунке 1, состоит из корпуса 1, центрального осадительного электро-да 2, системы коронирующих электродов 3, карманной насадки 4.

Были проведены эксперименты для оценки степени очистки ап-парата и целесообразности дальнейшей разработки других конст-рукций насадок. Опытный образец – зола Красногорской ТЭС с d50 = 40 мкм. Эффективность очистки аппарата с насадкой при входной скорости газа 24 м/с составляет 99,4-99,5%, что выше при режиме без насадки. Конструкция насадки – карман 5х5 мм длиной 1200 мм при диаметре электроциклона 206 мм. Расположение кармана – по ходу газового потока.

В заключение можно сказать, что результаты оценочных опы-тов дают основание для дальнейшей работы по разработке новых конструкций насадок.

Рис. 1. Схема электроциклона ЭЦВ с насадкой

46


1. Исследование процесса улавливания летучей золы в экспе-риментальной модели электроциклона / Инюшкин Н.В., Ермаков С.А., Титов А.Г. Гильванова З.Р.,Новиков К.Л., Парамонов Д.А. / Инженер-ный вестник Дона, 2011, №4

2. Об осаждении частиц пыли в электроциклоне Петров В.А., Инюшкин Н.В., Ермаков C.А., Вестник ТГТУ, 2010, том 16, № 1, с. 44.

Исследование проведено при финансовой поддержке молодых

ученых УрФУ в рамках реализации программы развития УрФУ

М.Н. Каракулов, А.С. Мельников

МЕСТО МЕХАНИЗМОВ С ВОЛНОВЫМ ПРИНЦИПОМ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ДВИЖЕНИЯ В ПРИВОДАХ

АРМАТУРЫ ГАЗОНЕФТЕПРОВОДОВ

Воткинский филиал Ижевского государственного технического университета им. М.Т. Калашникова г. Воткинск, Удмуртская Республика, Россия

В настоящее время в качестве запорной арматуры отечествен-

ных газонефтепроводов нашли широкое применение шаровые краны как отечественного, так и импортного производства. Номенклатура же приводов управления указанным оборудованием в большинстве своем состоит из приводов, изготовленных на базе исполнительных механизмов импортного производства. Наибольшее распростране-ние получили приводы таких фирм, как Mockveld (Голландия), Grove (Италия), Cameron (Франция), Sheifer (Германия), Borzig (Германия).

Исполнительный механизм приводов указанных производите-лей представляет собой поршневой привод с механизмами вторич-ного преобразования, позволяющими преобразовать поступательное движение поршня исполнительного пневмоцилиндра во вращатель-ное неполноповоротное движение запирающего органа. Но, как пока-зывает анализ конструкций приводов управления арматурой газо-нефтепроводов, наиболее перспективными являются конструкции исполнительных механизмов с полноповоротным валом, так как они обладают большей универсальностью и могут применяться одно-временно как в шаровых кранах, так и в арматуре, использующей передачу винт-гайка.

Как показывает практика, наиболее перспективны по конструк-ции унифицированные приводы с мотор-редуктором, совмещающие в себе механизмы преобразования электрической энергиив кинети-ческую энергию поступательного или вращательного движения и

47

звенья редуцирования, способные осуществлять привод арматуры непосредственно без иных механических передач. Сегодня одним из основных направлений развития приводной техники является широ-кая унификация механизмов редуцирования. Это позволяет получить широкий спектр возможных компоновочных схем привода, с неиз-менными присоединительными размерами.

В качестве исполнительных механизмов приводов могут при-меняться и двигатели с редуцирующим узлом, реализующим волно-вой принцип преобразования движения. Например, известна конст-рукция волнового газогидродвигателя (ВГД) [5]. В данном двигателе применяется газогидравлический генератор волн, а в качестве ре-дукционного звена - волновая зубчатая передача с гибкими зубчаты-ми колесами (ГЗК). Данный привод не нашел широкого распростра-нения ввиду малого ресурса (около 15 млн. циклов [6]) работы гибко-го колеса волновой передачи при передаче больших крутящих мо-ментов и больших передаточных отношений (оптимальное переда-точное отношение волновой передачи лежит в интервале от 80 до 300).

Известна конструкция нескольких газогидродвигателей, в кото-рых применяется волновая передача с ГЗК отличающихся друг от друга конструкцией генератора волн. Так, в волновом газогидродви-гателе [5] применяется гидромеханический генератор волн с распре-делительным устройством, позволяющим использовать кинетиче-скую энергию транспортируемой среды для получения вращательно-го движения, т.е. в его конструкции совмещены объемная и турбин-ная машины. Но, как показала практика, он совмещает в себе недос-татки обоих видов двигателей, поэтому он не нашел широкого при-менения в отрасли. В конструкции волнового газогидравлического двигателя [7] применяется струйный генератор волн, использующий кинетическую энергию транспортируемой среды для деформирова-ния гибкого колеса. Такие двигатели получили очень ограниченную область применения ввиду низкого КПД и большого расхода рабоче-го тела при работе, больших габаритных размеров и большого при-веденного момента инерции.

Существуют работы, направленные на исследование возмож-ности применения волновых газогидродвигателей в системах авто-матического управления (САУ) [11], в которых разработаны структур-ные схемы САУ с волновыми двигателями, исследованы передаточ-ные функции и механические характеристики плунжерных гидроме-ханических генераторов ВГД.

Одним из направлений развития приводов арматуры является исследование возможности применения в качестве редуцирующего механизма плунжерных передач.

На рис. 1 представлена конструкция одноступенчатого плун-жерного редуктора ПВР-1.В таком редукторе эксцентриковый вал 4 с помощью стакана 2 и подшипников 1 установлен и закреплен к зуб-чатой муфте 3, которая является неподвижным звеном механизма.

48

Сепаратор 5 с крышкой 6 закреплен к зубчатой муфте 3. Выходной вал, состоящий из подвижного зубчатого колеса 7 и стакана 8, с пмощью подшипников 9 установлен на вал 4. Крышка редуктора 10 закреплена к зубчатой муфте 3 и имеет отверстие для слива масла.

Рис. 1. Конструкция опытного образца ПВР Передаточное число такого редуктора по результатам испыт

ний составляет 27, а допускаемый крутящий момент валу 420 Нм при η=0,65-0,7.

Определенный интерес представляет конструкция приводов оснащенных плунжерной передачей с гидромеханическим волнооразователем. Одна из таких конструкций - плунжерный газогидралический двигатель (ПГД) [14] показана на рис. 2 и рис. 3.

Такой двигатель (рис. 2) содержит зубчатую муфту 2, жестко зкрепленную на генераторе волн 15 с равномерно расположенными по окружности цилиндрами 14, с установленными в них поршнями 4 в проточки которых вставлены уплотнения из синтетичриала 5, и радиальными каналами 9, соединяющими каждый цлиндр с центральным отверстием 19 в котором установлен с воможностью вращения распределитель 13 в виде вала с полостями слива 8 и подачи, выполненной в виде канавок 11, причем в стенках центрального отверстия 19 выполнены кольцевая проточка 10 и освые каналы 6, сообщающие кольцевую проточку 10 с радиальными каналами 9 в момент подачи в них рабочего тела.

Подвижное жесткое зубчатое колесо 1 соединяется с плунжрами 18 зубчатой муфтой 2. Плунжеры 18 равномерно расположены по окружности и фиксируются от угловых перемещений друг отностельно друга сепаратором 3, жестко закрепленном на зубчатой муте 2, и от осевых перемещений – крышками корпуса, роль которых выполняют зубчатая муфта 2 и подвижное зубчатое колесо 1. В пазы плунжеров 18 установлены гибкие металлические тросы 16, рабочее

Сепаратор 5 с крышкой 6 закреплен к зубчатой муфте 3. Выходной вал, состоящий из подвижного зубчатого колеса 7 и стакана 8, с по-

новлен на вал 4. Крышка редуктора 10 закреплена к зубчатой муфте 3 и имеет отверстие для слива масла.

Рис. 1. Конструкция опытного образца ПВР-1

Передаточное число такого редуктора по результатам испыта-ний составляет 27, а допускаемый крутящий момент на выходном

Определенный интерес представляет конструкция приводов оснащенных плунжерной передачей с гидромеханическим волнооб-

плунжерный газогидрав-а рис. 2 и рис. 3.

Такой двигатель (рис. 2) содержит зубчатую муфту 2, жестко за-крепленную на генераторе волн 15 с равномерно расположенными по окружности цилиндрами 14, с установленными в них поршнями 4 в проточки которых вставлены уплотнения из синтетического мате-риала 5, и радиальными каналами 9, соединяющими каждый ци-линдр с центральным отверстием 19 в котором установлен с воз-можностью вращения распределитель 13 в виде вала с полостями слива 8 и подачи, выполненной в виде канавок 11, причем в стенках ентрального отверстия 19 выполнены кольцевая проточка 10 и осе-вые каналы 6, сообщающие кольцевую проточку 10 с радиальными

Подвижное жесткое зубчатое колесо 1 соединяется с плунже-лунжеры 18 равномерно расположены

по окружности и фиксируются от угловых перемещений друг относи-тельно друга сепаратором 3, жестко закрепленном на зубчатой муф-

крышками корпуса, роль которых вижное зубчатое колесо 1. В пазы

плунжеров 18 установлены гибкие металлические тросы 16, рабочее

49

тело подводится через штуцер подачи 12, коллектор 17 и осевые каналы 6.

Рис. 2. Плунжерный газогидравлический двигатель (ПГД)

Рис. 3. Опытные образцы: ПГД-1 с газомеханическим (слева) и ПВР-2 с механическим (справа) волнообразователями

Плунжерный газогидравлический двигатель работает следую-

щим образом. При подводе рабочего тела из магистрали высокого давления (не показана) через штуцер 12, коллектор 17, осевые кана-лы 6, кольцевую проточку 10, канавки 11 распределителя 13, ради-альные каналы 9 в цилиндры 14, которое заставляет поршни 4 со-вершать возвратно-поступательное движение и деформировать гиб-кие металлические тросы 16, с установленными на них плунжерами

50

18, которые под действием поршней, вступают в контакт с подвиж-ным колесом1 и зубчатой муфтой 2 и создают две диаметрально противоположные зоны зацепления, расположенные в одной плоско-сти, и при подаче на распределитель 13 от электромеханического преобразователя или управляемой турбины (не показаны) последо-вательных импульсов подвижное колесо 1 поворачивается на угол пропорциональный числу командных импульсов. Плунжеры 18, ока-завшиеся в зоне слива, воздействуют на поршни 4 силой деформа-ции гибких металлических тросов 16, которые освобождают цилинд-ры 14 от рабочего тела через радиальные каналы 9, полости слива 8 и центральное отверстие 7 распределителя 13 в магистраль низкого давления (на рисунке не показана).

На рис. 4 показан пример использования в приводах арматуры исполнительных механизмов, оснащенных плунжерной передачей с гидромеханическим генератором волн.

Рис. 4. Принципиальные схемы включения в систему управления газонефтепроводом приводов

GROVE (а) и ПГД-1 (б)

Особенностью конструкции приводов управления с ПГД явля-ется требование наличия в механизме передач механизма обла-дающего эффектом самоторможения (винтовая передача, червячная передача) или наличия автоматических запирающих устройств [15] в виде шариковых замков и сухарей. Это требование объясняется тем, что при прекращении подачи рабочего тела в магистраль ПГД, кине-матическая связь между зубчатым колесом и распределителем ис-чезает, из-за чего, при приложении нагрузок к запирающему органу со стороны транспортируемой среды, может произойти (при отсутст-вии механизма с самоторможением) произвольное изменение поло-жения запирающего органа, что согласно требованиям, предъявляе-мым к приводам управления арматурой абсолютно недопустимо.

Приведенные примеры демонстрируют весьма широкие воз-можности плунжерных передач. Несомненно, что их рациональное

a

б

51

внедрение в практику общего и специального машиностроения должно дать большой конструктивный и экономический эффект.


1. А.С. СССР №564436 от 16.09.1974. 2. Дьячков Б.И. и др. А.С. СССР №1160092 16.02.1984 3. Галашевский А.Н. а.с. СССР №885654 от 20.02.1980 4. Ерасов Ф.Н. А.С. СССР №620653 от 22.04.76 5. Галашевский А.Н. и др. А.С. СССР №885642 от 06.03.1980 6. Попков И.Ф. Разработка и исследование конструкции и тех-

нологии изготовления волнового газового двигателя, Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук, Ижевск, 1994.

7. RobinsonHughA. Harmonicdrive, ПатентСША №3058372, 1962. 8. А.С. СССР N 461258, 1979. 9. Кареев В.Н. Пневмомеханический генератор волновой пере-

дачи. В кн.: Волновые передачи. М.: СТАНКИН, 1970. 10. Кареев В.Н., Крахин О.И. Плунжерный пневмомеханический

генератор волновых передач. В сб.: Волновые передачи. М.: СТАНКИН, 1975.

11. Костин С.В., Саяпин В.В., Самсонович С.Л. А.С. СССР №461258 Следящий привод БИО №7'1975

12. Полетучий Н.В. и др. А.С. СССР №842306, БИО №24'1981. 13. Стобецкий В.Н., Сулига С.В. Высокомоментные пневмати-

ческие шаговые двигатели для тяжелых условий эксплуатации, “Вестник машиностроения” №5, 1988.

14. Попков Е.Ф., Каракулов М.Н., Туранин Ю.В. и др. Плунжер-ный газогидравлический двигатель, патент на изобретение RU№2278979 от 22.11.2004г.

15. Трубопроводная арматура с автоматическим управлением /Справочник / под.ред. С.И. Косых. – Л.: Машиностроение, 1982.


52

О.А. Кузнецова, В.А. Сушкин

ВОПРОСЫ ОПТИМАЛЬНОГО УПРАВЛЕНИЯ ДИНАМИЧЕСКИМ ОБЪЕКТОМ

Тульский государственный университет

г. Тула, Россия

К динамическому объекту будем относить широкий класс нели-нейных электромеханических систем, предназначенных для форми-рования предписанного закона движения исполнительного органа за счет регулируемого источника энергии. Оценку эффективности рабо-ты такого динамического объекта целесообразно оценить совокупно-стью критериев, отражающих как статические, так и динамические режимы работы и имеющих противоречивый характер. Электриче-ский привод различных промышленных механизмов и машин, робо-тотехнических систем и следящий привод определяют свойства ди-намического объекта, состояние которого в процессе функциониро-вания изменяется в зависимости от технологических условий. Осо-бенности таких динамических объектов при оптимальном управлении рассмотрены в работах [1-4].

В работе [5] определены основные задачи, которые необходи-мо решать как при поиске оптимальных параметров (задачи 1-3), так и при исследовании и синтезе системы управления динамическим объектом (задачи 4-5).

Предлагается при исследованиях и решениях задач оптимиза-ции параметров и режимов работы, синтеза систем управления ис-пользовать разработанную диалоговую систему "Адаптивный метод исследования пространства параметров" (АМИПП) [6-7], уделив осо-бое внимание решению задачи синтеза системы управления дина-мическим объектом.

При решении задач оптимизации параметров и режимов рабо-ты (задачи 1-3) основные проблемы связаны с разработкой модели оптимизационного расчета. Основные сложности возникают при оп-тимизации и синтезе системы управления.

Рассмотрим классическую постановку задачи оптимального управления динамическим объектом, который задан системой обык-новенных дифференциальных уравнений

( ),u,xfx =& (1)

где [ ]T

n1 xxx K= - вектор пространства состояний системы,

[ ]Tm1 uuu K= - вектор управления, nRx ∈ , mRUu ⊆∈ , nm≤ , U -

ограниченное замкнутое множество определения вида и значения,

53

( ) ( ) ( )[ ]Tn1 u,xfu,xfu,xf K= - вектор функции размерностей n , описы-вающие непрерывные однозначные отображения:

( ) .RRR:u,xf nmn →× Заданы функционалы, определяющие критерии качества

управления

( )( ) ( ) ( )( ) K,1i,dttu,txFtxGJkt

0ikii =+= ∫ (2)

где kt - длительность процесса управления.

Первое слагаемое уравнения (2) характеризует точность управления конечным состоянием системы, второе – качество управления в интегральном смысле. На основании уравнений (1)и (2) ставится задача нахождения допустимого управления u , удовле-творяющего ограничениям Uu∈ и которое за заданное время kt переведет систему (1) из начального состояния в конечное терми-нальное состояние, функционал (2) при этом будетиметь минималь-но возможное значение.

Задано начальное )0(x и терминальное )t(x k условия состоя-ния объекта управления

( ) [ ]T0

n01

0 xxx0x K== , (3)

( ) [ ]Ttn

t1

tk xxxtx K== ,

где kt - заданное время управления.

Необходимо синтезировать систему управления в виде

( )q,xgu = , (4)

где [ ]TR1 qqq K= - вектор параметров системы управления,

RRQq ⊆∈ , Q - ограниченное множество. Система уравнений (4) должна совместно с (1) представлять

собой такую систему дифференциальных уравнений, чтобы ее ре-шение для заданных начальных значений (3) обеспечивало дости-жение минимумов функционалов (2) и выполнение ограничений на управление ]t,0[t,U)q),t(x(g)t(u k∈∀∈= .

Данная задача требует построения структуры системы управ-ления (4) и выбора оптимальных значений параметров для обеспе-чения минимумов функционалов (2), поэтому ее называем в даль-

54

нейшем задачей многокритериального структурно-параметрического синтеза.

Обеспечение минимумов функционалов понимаем в смысле построения множества Парето оптимальных решений. Результатом синтеза будет система управления, выбранная из множества систем управления (4), каждая из которых при оптимальных значениях па-раметров q обеспечивает принадлежность решения множеству Па-рето.

Сверстка функционалов (2) в один с помощью суммирования значений функционалов, умноженных на соответствующие весовые коэффициенты, переводит проблему выбора решений на множестве Парето в проблему выбора весовых коэффициентов.

Выбор решения из множества Парето может осуществляться субъективно или с помощью дополнительного критерия.

Классическую формулировку задачи синтеза оптимального управления, определил Р. Беллман и сформулировал вычислитель-ные проблемы, возникающие при ее решении, предложил метод ди-намического программирования, сокращающий время вычислении, уменьшающий полный перебор возможных решений.

Основная проблема синтеза системы управления заключается в построении функциональной зависимости управления от координат пространства состояний.Этап синтеза структуры управления прово-дят на основе физического или аналитического исследования зада-чи. Численные методы синтеза управления применяют для получе-ния оптимальных значений параметров, входящих в структуру управления.

Недостатком аналитических методов синтеза систем управле-ния является ограниченная область их применения. Основные ре-зультаты по синтезу систем управления известны для линейных объектов с квадратичным критерием качества.Новые подходы к ре-шению задачи синтеза управления, например методы инвариантных многообразий или аналитического конструирования агрегированных регуляторов,требуют ясного понимания поведения оптимальной сис-темы управления для построения инвариантных многообразий в пространстве состояний системы. Синтез управления выполняют с целью обеспечения устойчивости системы в окрестности заданного инвариантного многообразия. Данный метод применим в большинст-ве случаев для задач стабилизации, а также для систем, оптималь-ное поведение которых очевидно.

Для решения задачи синтеза разработан вычислительный ме-тод, который основан на подборе математического выражения с по-мощью вычислительной машины. Следует уточнить, что вычисли-тельная машина ищет не значения параметров в некой формуле, заданной исследователем, а самуформулу, т.е. структуру математи-ческого выражения, состоящего из нелинейных операций. Для пред-ставления математических выражений в вычислительной машине

55

используется разработанная авторамиметодика формирования ал-гебраического выражения на основе τЛП последовательности [6-7].

Обеспечение минимального значения функционала (2) дости-гается за счет решения этой задачи в диалоговой среде АМИПП и при переводе интегрального критерия (2) в систему дифференци-альных уравнений, расширяющих дифференциальные уравнения динамического объекта. Построение упорядоченного множества оп-тимальных расчетных вариантов [7] обеспечивает нахождение экс-тремумов соответствующих критериев.


1. Кузнецова О.А. Оптимизация параметров привода динамиче-

ских систем. Машиностроение и техносфера ХХI века // Сборник тру-дов XVII международной научно - технической конференции в г. Се-вастополе 13-18 сентября 2010 г. В 4-х томах. Донецк: ДонНТУ, 2010. Т. 2. С. 84-87.

2. Грязев М.В., Кузнецова О.А. Формирование оптимального управления электромеханическими системами. Известия ТулГУ. Технические науки. Вып. 5: Тула: Изд-во ТулГУ, 2012. С.130-135.

3. Кузнецова О.А., Сушкин В.А. Формирование оптимального управления асинхронным электроприводом средствами АМИПП // Известия ТулГУ. Технические науки. Вып. 3. Ч.1. Тула: Изд-во ТулГУ, 2010. С.160-167.

4. Грязев М.В., Кузнецова О.А. Оптимальное управление асин-хронным электроприводом. Известия ТулГУ. Технические науки. Вып. 5. Ч.2. Тула: Изд-во ТулГУ, 2011. С.212-220.

5. Кузнецова О.А. Многокритериальная концепция оптимально-го управления динамическим объектом. Сьома мiжнародна науково-практична конференцiя. "Математичне та iмiтацiйне моделювання систем МОДС 2012". Тези доповiдей. – Чернiгiв. - 2012. -25-28 червня 2012 р. С. 411-415.

6. Кузнецова О.А., Сушкин В.А. Диалоговая система многокри-териальной оптимизации и синтеза оптимальных законов управле-ния. Сборник научных трудов по материалам международной науч-но-практической конференции "Перспективные инновации в науке, образовании, производстве и транспорте '2010". Том 4. Технические науки. Одесса: Черноморье, 2010. С. 47-55.

7. Кузнецова О.А. Многокритериальная оптимизация асинхрон-ного электропривода: монография / под ред. В.А. Сушкина. Тула: Изд-во ТулГУ, 2009. 104 с.


56

А.М. Мальтанова, О.Н. Врублевская, Т.Н. Воробьёва

ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЕ ОСАЖДЕНИЕ СПЛАВА Au–Sn ИЗ ЭТИЛЕНГЛИКОЛЕВОГО ЭЛЕКТРОЛИТА

Белорусский государственный университет

г. Минск, Беларусь

Сплав Au–Sn нашёл широкое применение в опто- и микроэлек-тронике, ювелирной технике в качестве припоя, благодаря высокой коррозионной устойчивости, хорошей паяемости [1, 2]. Этот припой получают, сплавлением нанодисперсных порошков, термическим испарением в вакууме, последовательным или совместным осажде-нием из растворов. Основным недостатком вакуумной технологии является необходимость использования дорогостоящего оборудова-ния, а также большой непроизводительный расход металлов, что особенно нежелательно в случае золота. Получение припоя Au–Sn методом последовательного электрохимического осаждения метал-лов из растворов значительно более экономично, однако оно сдер-живается трудностями регулирования элементного и фазового со-става сплава [3]. Совместное осаждение сплава Au–Sn из растворов является перспективным, однако до сих пор неясны пути управления соотношением металлов в сплаве и его фазовым составом, что осо-бенно затруднительно в связи с большой разницей электродных по-тенциалов этих металлов и преимущественным восстановлением золота. Кроме того, требуется предпринимать меры по подавлению гидролиза соединений олова и протекания окислительно-восстановительных реакций в объеме растворов, содержащих ионы золота и олова в разных степенях окисления, а также растворенный кислород. Одним из способов решения проблем сближения элек-тродных потенциалов и подавления гидролиза соединений олова является малоизученное осаждение сплава из неводных электроли-тов, в частности многоатомных спиртов, в которых соли олова и зо-лота могут растворяться с получением проводящих электролитов.

Целью данной работы являлось определение условий электро-химического осаждения сплава Au–Sn из этиленгликолевого элек-тролита и изучение факторов, влияющих на скорость осаждения, соотношение Au:Sn в сплаве, его фазовый состав и морфологию поверхности пленок.

Осаждение сплава Au–Sn проводили на медные или никелевые подложки из 1,4 М раствора SnCl4 и 0,05 М K[Au(CN)4] в этиленглико-ле (99,95%) при комнатной температуре. Электролит содержал 4,9 % воды, поскольку хлорид олова содержит кристаллизационную воду. Соединения олова и золота в высших степенях окисления были вы-браны для предотвращения окислительно-восстановительных реак-ций в объеме раствора. Электроосаждение проводили при постоян-ном токе, перемешивая раствор магнитной мешалкой. Плотность

57

тока варьировали от 5 до 10 мА/см2, поскольку вне этих пределов осаждались покрытия неудовлетворительного качества. Использо-вали нерастворимый платиновый анод. Унос металлов из раствора в результате их восстановления не превышал 5 % от введенного в электролит количества олова и золота.

Фазовый состав сплавов определяли методом рентгенофазово-го анализа на установке ДРОН 2, элементный состав определяли методом микрорентгеноспектрального анализа, используя приставку Ronteс к сканирующему электронному микроскопу LEO 1420. Этот же микроскоп использовали для изучения морфологии поверхности пленок сплава методом сканирующей электронной микроскопии (СЭМ).

Осаждаемые в указанных условиях пленки сплава равномер-ные, плотные, с хорошей адгезией к подложке, имеют светло-серый с желтоватым оттенком цвет. Электролит устойчив и позволяет полу-чать воспроизводимые результаты вплоть до выработки на 15–20 %, после чего его можно корректировать.

Данные, приведенные в таблице и на рис. 1, свидетельствуют, что на медной подложке плёнки сплава осаждаются с несколько большей скоростью, чем на никелевой (2 и 1,7 мкм/ч соответствен-но). Этот факт, возможно, связан с большей электропроводностью медного катода. Данные рентгенофазового анализа плёнок свиде-тельствуют, что при плотности тока 5 осаждается интерметаллид AuSn. При увеличении плотности тока до 10 мА/см2 осаждается рент-геноаморфный сплав. В обоих случаях соотношение олова и золота близко к единице. Содержание олова в сплаве немного повышается с увеличением толщины пленок (более 2 мкм) и плотности тока.

Таблица 1

Зависимость толщины пленок сплава, элементного и фазового состава от природы подложки и плотности тока

№ Тип катода

Плотность тока, мА/см2

Масса сплава, г

Элемент-ный состав,

ат. %

Фазовый состав

1 Ni

5 0,0016 Au – 50; Sn – 50 AuSn

2 10 0,00185 Au – 53; Sn – 47

Ренгено-аморфный

3 Сu

5 0,0019 Au – 50; Sn – 50 AuSn

4 10 0,0025 Au – 42; Sn – 58

Ренгено-аморфный

58

0 10 20 30 40 50 600,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

h, мкм

t, мин

никелевая подложка медная подложка

Рис. 1. Зависимость толщины пленки сплава Au–Sn от времени осаждения при плотности тока 5 мА/см2

Судя по данным СЭМ исследования осаждённые плёнки прак-

тически не имеют пор и состоят из плотноупакованных зёрен с раз-мерами от 0,2 до 0,5 мкм в ширину и от 1 до 2 мкм в длину в случае осаждения при 5 мА/см2, а также более крупных агломератов, дости-гающих 4 мкм в случае осаждения при 1 мА/см2 (рис. 2). Зерна имеют палочкообразную или чечевицеобразную форму и ориентированы параллельно плоскости подложки, т. е. плёнки текстурированы.

Рис. 2. СЭМ фотографии плёнок Au–Sn толщиной 1мкм при разных плотностях тока: а − 5мА/см2; б −10мА/см2.

Результаты проведенного исследования свидетельствуют о

возможности осаждения пленок сплава Au–Sn при комнатной темпе-ратуре из устойчивого этиленгликолевого электролита, содержащего соединения золота и олова в высшей степени окисления в мольном

59

соотношении 1:28. Скорость роста пленок составляет 1,7 и 2,0 мкм/ч и зависит от природы подложки (на меди осаждение протекает быст-рее). В состав пленок входит интерметаллид AuSn при соотношении Au: Sn = 1: 1. Плёнки текстурированы и состоят из плотноупакован-ных зёрен удлинённой формы, размером от 1 до 4 мкм.


1. Djurfors B, Ivey D.G. Microstructural characterization of pulsed

electrodeposition Au/Sn alloy thin films / Mater. Sci. Eng. – 2002. –Vol. B90 − P. 309 −320.

2. Bozzini B., Giovannelli G., Natali S., Serra M., Fanigliulo A. Elec-trodeposition of Au-Sn alloys from alkaline baths / J. Appl. Electrochem. – 2004. −№4. – P. 147 −158.

3. Sun W., Ivey D.G. Development of an electroplating solution for codeposition Au−Sn alloys / Mater. Sci. Eng. – 1999. − Vol. 36− P. 112 −122.


А.В. Минеев, Я.А. Дудин, Е.Е. Милосердов

ОБЗОР ПРОТИВОВЫБРОСОВОГО ОБОРУДОВАНИЯ, ИСПОЛЬЗУЕМОГО В НЕФТЯНОЙ И ГАЗОВОЙ ОТРАСЛИ

РОССИИ

Сибирский федеральный университет г. Красноярск, Россия

Эффективность разработки нефтяных и газовых месторожде-

ний во многом определяется состоянием призабойной зоны скважин в период заканчивания. Увеличение добывающей способности сква-жин – один из путей увеличения эффективности нефтегазодобы-вающей промышленности, альтернатива экстенсивному пути разви-тия. Если исходить из условий сохранения природного состояния коллектора, продуктивный пласт необходимо вскрывать при условии депрессии или равновесия между пластовым и забойным давления-ми.

Противовыбросовое оборудование предназначено для герме-тизации устья скважины с целью предотвращения открытых выбро-сов жидкости или газожидкостной смеси и фонтанов при бурении, испытании, опробовании и освоении скважины. Основная причина этих явлений — превышение давления в продуктивном пласте зале-жи над давлением промывочной жидкости, заполняющей скважину.

60

Пластовое давление возрастает примерно на 0,1 МПа на каж-дые 10 метров глубины залегания пласта. Однако встречаются изо-лированные участки с аномально низким или высоким пластовым давлением, не подчиняющимся этому правилу. Интенсивность фон-танирования и выбросов возрастает с увеличением перепада давле-ний

Открытые фонтаны и выбросы представляют опасность для обслуживающего персонала, приводят к загрязнению окружающей среды и пожарам, тушение которых требует больших трудовых и материальных затрат. Противовыбросовое оборудование должно обладать абсолютной надежностью и высокой степенью готовности. Только тогда можно обеспечить своевременное перекрытие устья скважины при наличии или отсутствии в ней бурильной колонны.

В состав противовыбросового оборудования входят: превенто-ры, устьевая крестовина, надпревенторная катушка и разъемный желоб, составляющие стволовую часть превенторного оборудова-ния, манифольды для обвязки стволовой части противовыбросового оборудования, обеспечивающие возможность управления скважиной при газонефтепроявлениях, станции управления превенторами и манифольдом.

Противовыбросовое оборудование устанавливают между усть-ем скважины и полом буровой установки. В связи с этим для умень-шения высоты и облегчения основания вышечнолебедочного блока, масса и размеры которого возрастают с увеличением высоты пола буровой установки, необходимой для монтажа противовыбросового оборудования, превенторы и другие элементы его стволовой части должны быть компактными.

По правилам безопасности в нефтегазодобывающей промыш-ленности установка противовыбросового оборудования обязательна при бурении на разведочных площадях, газоконденсатных и газовых месторождениях и на месторождениях с аномально высокими пла-стовыми давлениями. Устье скважины оборудуется превенторами после спуска и цементированиякондуктора и промежуточной колон-ны. Противовыбросовое оборудование испытывается на прочность и герметичность.

С целью повышения надежности противовыбросовое оборудо-вание комплектуется резервными элементами, предназначенными для выполнения функций основных элементов в случае их отказов. При этом увеличиваются масса, габариты и стоимость этого обору-дования. Однако надежность противовыбросового оборудования возрастает на несколько порядков. В целях безопасности пульт управления противовыбросовым оборудованием устанавливают на расстоянии не менее 10 м от устья скважины, а дублер — у поста бурильщика.

Основные параметры противовыбросового оборудования — диаметры проходных отверстий и рабочее давление превенторов и манифольда. Диаметры и присоединительные размеры превенторов

61

согласуются с диаметрами долот, бурильных и обсадных труб, а также колонных головок, предназначенных для обвязки наружных концов обсадных колонн, зацементированных в скважине. Превенто-ры и задвижки должны иметь устройства для четкого дистанционного контроля их положения (открытые, закрытые)[1].

Для герметизации устья скважины используют плашечные, уни-версальные и вращающиеся превенторы. Плашечный превентор предназначен для герметизации устья скважины при наличии и от-сутствии труб в скважине.

В структурно-поисковом бурении используются плашечные превенторы ППБ-307×320 с электрическим приводом. Разработан и испытан плашечный превентор с односторонним приводом ПГО-230×320 Бр, плашки которого посредством рычагов перемещаются от одного силового цилиндра. Благодаря этому в превенторах ПГО плашки сходятся в центре проходного отверстия независимо от со-осности превентора и подвешенной колонны труб.

Плашечные превенторы не обеспечивают герметизации устья скважины, если на уровне плашек располагаются ведущая труба, бурильный замок, муфта и другие части колонны труб, диаметр и геометрические формы которых не соответствуют установленным в превенторе плашкам.

Универсальные превенторы обладают более широкими воз-можностями. Они герметизируют устье скважины при наличии и от-сутствии в ней подвешенной колонны труб и вместе с тем позволяют, сохраняя герметичность устья скважины, проворачивать бурильную колонну и протаскивать трубы вместе с муфтами и бурильными зам-ками. Универсальный превентор способен герметизировать устье скважины независимо от диаметра и геометрической формы уплот-няемого предмета. Универсальные превенторы, как и плашечные, различаются по диаметру проходного отверстия и рабочему давле-нию.

Вращающиеся превенторы предназначены для герметизации кольцевого зазора между устьем скважины и бурильной колонкой и обеспечения возможности вращения, подъема и спуска бурильной колонны при герметизированном устье. В составе противовыбросо-вого оборудования вращающийся превентор используется при ро-торном бурении с очисткой забоя от выбуренной породы газом, воз-духом или аэрированным промывочным раствором, а также при об-ратной промывке скважины и вскрытии пластов, с высоким пласто-вым давлением.

Вращающийся превентор в отличие от плашечного и универ-сального превенторов, имеющих гидравлический привод, во вра-щающемся превенторе используется самоуплотняющаяся манжета, которая обжимает обхватываемую часть бурильной колонны под действием собственной упругости и давления на устье скважины. Литой корпус из легированной стали снабжен опорным фланцем для соединения с плашечным или универсальным превентором и боко-

62

вым отводом для присоединения к циркуляционной системе буровой установки.

Диаметр отверстия опорного фланца зависит от типоразмера превентора и должен быть достаточным для прохода долота. Ствол, имеющий форму полого цилиндра с наружным опорным фланцем, вращается на упорном и радиальных подшипниках[2].


1. Гульянц Г. М. Противовыбросовое оборудование скважин / Г.

М. Гульянц. - М.: Недра, 1991. – 293 с. 2. Ильский А. Л. Расчет и конструирование бурового оборудо-

вания: Учебник для вузов / А. Л. Ильский, Ю. В. Миронов, А. Г. Чер-нобыльский. – М.: Недра, 1985. – 452 с.

А.Л. Миронова, С.В. Киселева

ВОЗМОЖНОСТИ ВЫБОРА РАСХОДОМЕРОВ ДЛЯ УСТАНОВОК ИЗМЕРЕНИЯ И УЧЕТА РАСХОДА

СЖИЖЕННОГО ГАЗА

Ливенский филиал Государственного университета –учебно-научно-производственного комплекса

г. Ливны, Орловская обл., Россия

Промышленное измерение сжиженного газа стало важной не-обходимостью на современном рынке углеводородов.

Наша страна имеет огромные природные запасы углеводоро-дов. Ежегодно из недр земли в России извлекается около 500 млн. тонн нефти. Добыча, которой всегда сопровождается извлечением попутного газа. В советское время основное количество попутного газа сжигалось. С 2010 года вступил в силу закон ограничивающий процент сжигания попутного газа. Эти меры позволяют наиболее рационально использовать природные ресурсы страны и снизить негативное влияние на экологию. При этом продукты переработки попутного газа вошли в нашу жизнь как один из важнейших компо-нентов нефтегазовой промышленности. Сжиженный газ нашел широ-кое применение в коммунальном хозяйстве, нефтехимии, промыш-ленности, в качестве моторного топлива.

Проектирование установок учета сжиженного газа является сложным и ответственным процессом. Свойства сжиженного газа требуют специального оборудования, отвечающего высоким требо-ваниям по безопасности и точности. Измерение расхода и массы веществ (жидких, газообразных, сыпучих, твердых, паров и т. п.) в химических производствах широко применяется как в товароучетных

63

и отчетных операциях, так и при контроле, регулировании и управле-нии технологическими процессами.

Свойства сжиженных газов влияют на меры безопасности, а также конструктивные и технические особенности оборудования, в котором они хранятся, используются, перевозятся.

Одним из основных вопросов при проектировании установок учета являются приборы измерения. Современный рынок представ-лен большим многообразием типов расходомеров и фирм их выпус-кающих. Порой цены на оборудование использующие одинаковый принцип измерения могут различаться в десятки раз.

Расходомеры (счётчики) количества вещества являются важ-ными элементами систем учёта потребления энергоресурсов и управления технологическими процессами в различных отраслях промышленности и жилищно-коммунальном хозяйстве.

При выборе конструкции расходомера необходимо учитывать следующие требования:возможность проводить измерение расхода сжиженного газа, диаметр условного прохода, погрешность измере-ния – 1-2%; отсутствие требований по монтажу на прямолинейных участках трубопровода, возможность измерения паровой состав-ляющей возвратившейся обратно в резервуар.

На современном рынке широко представлены расходомеры шести основных типов использующие различный принцип измере-ния. Каждый тип характеризуется своим рядом преимуществ и не-достатков.

Средства для измерения расхода сжиженных газов при различ-ных условиях всё время модернизируются с целью повышения мет-рологических и технических характеристик.

На основании паспортных данных и нормативных документов проведен комплексный анализ условий применимости каждого из типов расходомеров, что позволяет сделать правильный выбор рас-ходомера для каждого конкретного случая с учетом условий эксплуа-тации и свойств перекачиваемых сред.

В процессе изученния данных была составлена таблица 1, по-казывающая возможности применения расходомеров основных ти-пов в зависимости от свойств измеряемых сред.

Проведенный анализ дает возможность на стадии проектиро-вания избежать системных ошибок,связанных с неверным подбором измерительного оборудования, что влечет за собой изменение ком-пановок измерительных комплексов, и замены присоединительного оборудования.

64

Таблица 1 Возможности применения расходомеров основных типов в

зависимости от свойств измеряемых сред

Типы расходомеров

Кориоли-

совые

Электро

- магнитные

Ультра

- звуковые

Вихре

- вые

Термально-

массовые

По перепаду

давления

Применение на жидких средах Жидкости вообще, например вода + + + + * +

Очень маленькие расходы (<2л/ч) + + – – – – Очень большие расходы (>100000м3/ч) – + + – – +

Непроводящие жидкости + – + + * + Вязкие жидкости(>50 сП) + + * * – * Криогенные жидкости (например жидкий О2) + – * + – +

Пища и напитки (например моло-ко, пиво) + + + – – –

Применения для газов и пара Поток газа вообще (например поток воздуха ) + – – + + +

Маленькие расходы (<20л/мин) + – – – + * Большие расходы – – – * + + Пар * – – + – + Специальные применения Суспензии, взвеси * + – * – * Смеси жидкость/жидкость (нефть/вода) + * * + – *

Смеси жидкость/газ (вода/воздух) * * – * – – Коррозионные жидкости (кисло-ты, щелочи) + + * * – *

Коррозионные газы (например, пары НС) * – – * * *

Применение в добывающей про-мышленности (взвеси руды) – + – – – –

Двунаправленные измерения (прямой/обратный поток) + + + – + *

Измерение снаружи без останов-ки процесса – – + – – –

Примечание: +- применяется; *-возможно применение при некоторых ограничениях; – -не применяется


65

А.И. Нефедьев

СОСТАВНОЙ ЕМКОСТНОЙ ДЕЛИТЕЛЬ ВЫСОКОГО НАПРЯЖЕНИЯ

Волгоградский государственный технический университет

г. Волгоград, Россия

В настоящее время одной из актуальных проблем является по-вышение точности измерения высокого переменного напряжения, что обусловлено ростом потребления электроэнергии, поиском но-вых источников электроэнергии, внедрением мер по экономии энер-горесурсов и повышением точности измерений энергетических вели-чин при научных исследованиях и в промышленности.Однако, не-смотря на то, что проблема повышения точности измерения энерге-тических величин в низковольтной электроэнергетике во многом ре-шена, в области измерения высоких напряжений она остается акту-альной и в настоящее время [1].

Для решения этих проблем были разработаны высоковольтный емкостной делитель напряжения (ЕДН) и средство поверки высоко-вольтных измерительных трансформаторов напряжения [2].

Особенности построения ЕДН состоят в следующем. ЕДН со-держит измерительную и две эквипотенциальных цепи(рис. 1). Изме-рительная цепь состоит из n номинально равных и последовательно соединенных газонаполненных конденсаторов типа ФГТ-И емкостью 0,1 мкФ на напряжение 2 кВ,имеющих весьма малые потери и зави-симость емкости от приложенного напряжения. Эквипотенциальные цепи состоят изn номинально равных и последовательно соединен-ных конденсаторов К74-14 емкостью 0,1 мкФ на напряжение 4 кВ.

Высоковольтное плечо С2делителя СВ составлено из (n-1) по-следовательно соединенных конденсаторовФГТ-И, помещенных в экраны, а низковольтное выходное плечо С1 делителя состоит из одного конденсатора того же типа, также помещенного в экран. Кон-структивно ЕДН выполнен в виде колонныиз изоляционного мате-риала, где конденсаторы измерительной и эквипотенциальной цепей размещены по окружности колонны в виде винтовой линии.

Эквипотенциальные цепи СЭП1 и СЭП2выполнены аналогично измерительной цепи СВ. При этом защитный потенциал электродов измерительного ЕДН определяется соответствующим потенциалом эквипотенциального делителя СЭ1, а защитный потенциал экрана определяется соответствующим потенциалом эквипотенциального делителя СЭП2.

Соединение конденсаторов измерительной цепи ЕДН и эквипо-тенциальных цепей производится при помощи коаксиальных разъе-мов типа СР-50, что обеспечивает возможность калибровки незави-симой калибровки ЕДН.

Следует отметить, что обеспечение постоянства коэффициента деления ЕДН в широком диапазоне измеряемых напряжений в ре-

66

шающей степени зависит от стабильности емкости конденсаторов, составляющих измерительную цепь СВЕДН.

С использованием газонаполненных конденсаторемкостью 0,1 мкФ был построен ЕДН на напряжения до 220/

Разработанный высоковольтный ЕДН может быть использован в составе средства поверки высоковольтных измерителформаторов напряжения [3]. Данное средство поверки бильным, и позволяет проводить поверку трансформаторов напржения при рабочем напряжении на месте их эксплуатации, что снжает общие затраты на их поверку.

Рис. 1. Принципиальная схема составного емкостного делителя высокого напряжения

конденсаторов,

онденсаторов типа ФГТ-И до 220/ 3 кВ.

может быть использован поверки высоковольтных измерительных транс-

поверки является мо-бильным, и позволяет проводить поверку трансформаторов напря-жения при рабочем напряжении на месте их эксплуатации, что сни-

ного емкостного

67


1. Загорский, Я.Т. Метрологическое обеспечение измерений для учета электроэнергии – насущная или ничтожная проблема? / Я.Т. Загорский //Новости Электротехники. – 2003. – № 3. – С. 38-41.

2. Полезная модель РФ №7209, МПК G01R35/02. Устройство для поверки высоковольтных измерительных трансформаторов на-пряжения / А.И. Нефедьев. Опубл. 16.07.1998.

3. Нефедьев, А.И. Методы и средства повышения точности вы-соковольтных составных ёмкостных делителей напряжения / А.И. Нефедьев // Приборы. - 2010. - № 11. - C. 49-52.


А.А. Овчинников, В.В. Алешин, А.В. Тычинин

ОПТИМИЗАЦИЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ СЫРЬЕВЫМИ РЕСУРСАМИ СТРОИТЕЛЬНОГО ПРЕДПРИЯТИЯ ИЗ

НЕСКОЛЬКИХ ИСТОЧНИКОВ

Ивановский государственный архитектурно-строительный университет

г. Иваново, Россия

В последнее время в строительстве жилых и общественных зданий широкое применение получил метод монолитного бетониро-вания основных несущих конструкций. Особенностью этого метода является необходимость бесперебойного непрерывного снабжения качественной бетонной смесью, которая не может быть произведена непосредственно на объекте строительства. Снабжение бетонной смесью осуществляется зачастую из нескольких бетоносмеситель-ных узлов (БСУ) расположенных на различном расстоянии от объек-та строительства при помощи автомобилей-бетоновозов, которые нанимаются отдельно. Оптимизировать число автомобилей-бетоновозов, за счет снижения времени простоев и тем самым сни-зить издержки на их наем, обеспечив при этом непрерывность строи-тельного производства, является одной из актуальных задач строи-тельства.

Для решения задачи оптимизации является эффективным при-менение имитационного моделирования с использованием нечетко-интервального подхода [1-2]. Для этого было принято, что каждый БСУ имеет одинаковую способность отгрузить бетон, при этом они расположены на различных расстояниях от потребляющего бетон строительного объекта. Кроме того, имеется парк автомобилей-бетоновозов, осуществляющих перевозку сырья.

68

В такой имитационной модели снабжения строительного объек-та бетоном число автомобилей является внешним управляющим параметром.

Базовыми входными переменными в данной производственно-логистической системе можно принять следующие факторы: время загрузки автомобиля; время разгрузки автомобиля; продолжитель-ность мелкого ремонта, который осуществляется водителем в пути; производительность каждого из карьеров; скорость автомобиля; ко-личество используемых автомобилей.

В соответствии с реальными условиями транспортных перево-зок все входные величины, за исключением числа используемых автомобилей-бетоновозов (управляющий параметр), характеризуют-ся неопределенностями. Они описываются соответствующими час-тотными распределениями, параметры которых в данном случае принимаются в соответствии с текущими нормативами в строитель-стве.

Выходными характеристиками процесса, определяющими его эффективность, являются: суммарное время простоя автомобилей на объекте строительства из-за отсутствия бетона; общее время простоя объекта строительства из-за отсутствия бетона; общее вре-мя простоя автомобилей на погрузке; общее время простоя автомо-билей при разгрузке; суммарная продолжительность мелкого ремон-та; общая стоимость перевозок.

При использовании имитационного моделирования принимали, что суммарная производительность (способности отгружать бетон) БСУ равна потребности объекта строительства в бетоне.

Для реализации нечетко-интервального подхода – расширения полученных аналитических выражений, была разработана балансо-вая модель системы, которая на первом этапе полагается четко де-терминированной, то есть суточная потребность бетона прямо про-порциональна произведению количества автомобилей-бетоновозов на их грузоподъемность и число рейсов [3].

Продолжительность одного полного рейса автомобиля (вклю-чая время на загрузку и разгрузку автомобиля) (мин) описывалась зависимостью:

РАЗПi

i ttVS

60*2t ++= , (1)

где tП-время загрузки, мин; tРАЗ- время разгрузки, мин, V - скорость автомобиля при перевозке км/ч; i - номер БСУ, в который совершает-ся рейс; Si-расстояния от объекта строительства до i-го БСУ, км. Множитель 60 соответствует переводу единиц измерения (скорости автомобиля из км/час в км/мин).

Количество рейсов, совершаемых за рабочий день в каждый из БСУ, ед., определялась формулой:

69

c60a)tt(

n iiРДi

−= , (2)

где tРД- продолжительность рабочего дня за вычетом времени обе-денного перерыва, мин; с - грузоподъемность одного бетоновоза, т; ai- производительность соответствующего БСУ, т/ч.

Выражение (tРД - ti) в (2) формализует выполнение следующего условия: если водитель не успевает до конца рабочего дня совер-шить рейс (конец рабочего дня застанет его в пути), то для этого во-дителя рабочий день считается законченным и его автомобиль на-правляется в гараж.

Время от начала рабочего дня до разгрузки первого автомоби-ля на объекте строительства характеризовалось выражением (мин):

)S,...S,min(SП

m21ПЕРВ

m21a

c60tV

)S,...S,min(S60t ++= , (3)

где a min(S1, S2 , …Sm) - производительность ближайшего к строи-тельному объекту БСУ.

Множитель 60 также, как и ранее осуществляет перевод единиц измерения (в первом случае скорость автомобиля из км/час в км/мин, а во втором - производительность БСУ из часов в минуты).

Слагаемое V

)S,...S,min(S60 m21 представляет собой время пе-

реезда от ближайшего БСУ до объекта строительства, величина

)Sm,...S,min(S 21a

c60 - является временем, необходимым для выгрузки

бетона в количестве, достаточном для загрузки одного автомобиля. Время простоя на объекте строительства в течение рабочего

дня из-за отсутствия бетона описывалось зависимостью (мин):

∑=

−−=m

1iiРАЗПЕРВРДПР ntttt , (4)

где tПЕРВ- время от начала рабочего дня до разгрузки первого авто-мобиля на объекте строительства, мин.

Стоимость перевозок, совершенных за весь рабочий день, тыс. руб., рассчитывалась по формуле:

∑=

=m

1iii0 Snst2st , (5)

где st0 - стоимость перевозки одной тонны груза на расстояние в один километр, тыс. руб./т.км.

70

Общая продолжительность мелкого ремонта в течение рабоче-го дня, мин., определяется выражением:

∑=

=m

1ii

i0 n

VS

rr , (6)

где r0 - нормативный коэффициент ремонта, минут ремонта/часов работы автомобиля.

Общее время простоя автомобилей на погрузке и в очереди на погрузку, мин., характеризовалось соотношением:

∑ ∑∑= ==

+−−=m

1i

n

1ii

m

1i0iii

i

*П )i

ac60()nn)(t

amc60(t

0i

, (7)

где ni0 - количество автомобилей, находящееся на соответствующем БСУ в начале рабочего дня, штук.

Слагаемое ∑ ∑= =

m

1i

n

1ii

)iac60(

0i

представляет собой время простоя на

погрузке, связанное с начальным количеством автомобилей на БСУ;

сумма ∑=

−−m

1i0iii

i

)nn)(tamc60( характеризует время простоя в устано-

вившемся режиме работы (после того как каждый из автомобилей уже совершил по одному рейсу на объект строительства).

Общее время простоя автомобилей на разгрузке и в очереди на разгрузку, мин., рассчитывалось по зависимости:

−−= ∑

=

)S)S,...S,Smax(m(V60mt)n,...n,nmax(t

m

1iim21РАЗm21

*РАЗ , (8)

В (8) слагаемое mtРАЗпредставляет собой время простоя на раз-

грузке, при условии, что автомобили из m БСУ приходят на объект строительства одновременно, невязка

− ∑

=

)S)S,...S,Smax(m(V60 m

1iim21 - является поправочным коэффици-

ентом, учитывающим неодновременность прихода автомобилей из разных БСУ на разгрузку.

В соответствии с общими принципами нечеткого расширения входные неопределенные переменные заменялись нечеткими ин-тервалами, полученными из соответствующих частотных распреде-лений.

Полученные результаты моделирования свидетельствуют о том, что использование нечетко-интервального подхода обеспечива-

71

ет достаточно высокую точность и при решении задач многокритери-альной оптимизации.


1. Саати Т., Кернс К. Аналитическое планирование. Организа-

ция систем. М.: Радио и связь, 1991. 224 с. 2. Севастьянов П.В., Вальковский В.И. Имитационное модели-

рование технологических процессов в транспортно-сбытовой логи-стике при нечетких исходных данных // Ресурсы Информация Снаб-жение Конкуренция. 1999. № 2-3. С. 79 - 83.

3. Севастьянов П.В., Вальковский В.И.Методика нечетко-интервального имитационного моделирования технико-экономических систем // Информационные технологии. 1999 , №6, С. 23-26.


Ю.Ф. Огнев, О.Ш. Бердиев, Ю.П. Денисенко

НОВЫЕ РЕШЕНИЯ В КОНСТРУКЦИИ И ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА БПЛА

Филиал Дальневосточного федерального

университета в г. Арсеньеве г. Арсеньев, Приморский край, Россия

Аннотация: В статье изложен материал, о создании и отработ-

ке беспилотных летательных аппаратов различных типов. Исполь-зованы технические решения, данные исследований, проведённых специалистами, а также данные собственной НИОКР.

В различных сферах возросло внимание к беспилотным лета-тельным аппаратам (БПЛА). Необходимо отметить, что сейчас об-ласти применения и возможности БПЛА значительно расширились и у перспективных моделей появились задачи как для военного, так и для гражданского назначения.

БПЛА различаются по массе (от аппаратов в 0,5 кг, сравнимых с авиамоделью, до 10-15-тн), высоте и продолжительности полета [1].

Впервые БПЛА появились в середине 1930-х годов в виде управляемыхвоздушных мишеней, используемых на учебных стрельбах. В 1950-х годах создали беспилотные самолеты-разведчики. В 1970-1980г.г. появились машины ударного назначения из ОКБ П.О. Сухого, А.Н.Туполева, В.М.Мясищева, А.С. Яковлева, Н.И. Камова.

72

У истоков создания БПЛА стоял Харьковский авиационный ин-ститут(ХАИ). В 1965-1970 г.г. в лаборатории кафедры конструкции ХАИпроведена отработка нескольких модификаций беспилотного ЛА

Черановского О.Р., который долгое время возглавлял лабора-торию лётныхиспытаний.

Беспилотные ЛА в ХАИ имели классическую схему моноплана с различным расположением вертикального и горизонтального хво-стового оперения. Для взлёта использовали компактный стандарт-ный сбрасываемыйтвёрдотопливный ракетный двигатель. Фюзеляж – круглого сечениясборно-клёпаной конструкции из тонкостенного алюминиевого листа. Крыло прямоугольное толстого профиля ме-таллопластиковое, без центральноголонжерона, где конструкция металлического набора облицовываласьстеклопластиком. Все плос-кости и киль снабжены элементами управления, акрыло – и элеро-нами. Конструкция не имела шасси. Для обеспечениябезопасной посадки в хвостовой части фюзеляжа располагался стандартный парашют.

Взлёт ЛА выполнялся по трубчатым направляющим, установ-ленным на автомобиле Урал-375. Посадка – с применением хвосто-вого парашюта. Контакт с землёй гасился носовым телескопическим спецамортизатором,многократного действия.

Направляющие фермы автомобиля Урал-375 в горизонтальном положении – использовались для транспортировки аппарата, а для запуска направляющие фермы, при помощи гидропривода, устанав-ливалисьпод острым углом к горизонтальной оси автомобиля. Ко-мандный пункттелеметрии и управления располагался в кузове от-дельного автомобиля.

ЛА строился для отработки схем конструкции, скрытного взлёта безпредварительной подготовки, активного маневрирования в возду-хе ипосадки на любую неприспособленную площадку – с последую-щейнемедленной эвакуацией (см. рис. 1-5). БПЛА, по сути, - летаю-щая платформа для аппаратуры наблюдения.

Рис. 1. БПЛА с V-образным хвостовым оперением

73

Рис. 2. БПЛА с Т-образным хвостовым оперением

Рис. 3. Предстартовая (предполётная) подготовка

Рис. 4. БПЛА в транспортном положении на автомобиле

УРАЛ-375

74

Рис. 5. Запуск БПЛА

Соединив полезную нагрузку с бортовыми системами, можно

получитьполноценный интегрированный комплекс, максимально ос-нащенныйрадиоэлектронным оборудованием. Это качественно но-вый видавиационной техники – фактически стратосферная плат-форма для решения задач, которые либо не по силам низко-, сред-невысотным пилотируемым ибеспилотным ЛА, либо требуют неоп-равданно больших затрат привыполнении их спутниковыми группи-ровками.

В филиале ДВФУ в г. Арсеньеве ведётся собственная НИОКР поБПЛА из полимерных композиционных материалов (ПКМ), элемен-тыфюзеляжа которого изготавливаются из тонкостенных многослой-ныхсиловых панелей, вместо тонколистовых металлических с под-креплением сетки профилей. Метод изготовления панелей из ПКМ позволяет одновременно с обшивкой панели в агрегате изготавли-вать подкрепляющуюсетку профилей для увеличения её прочност-ных характеристик. Известныконструкции и технологии изготовления агрегатов из ПКМ, где сиспользованием метода непрерывной намот-ки на станке с вращающейся оправкой (формообразующим инстру-ментом) изготавливают объёмнуюоболочку [2]. Характерной особен-ностью является то, что на вращающуюся оправку непрерывно и равномерно укладывают по заданнойтраектории и с установленной скоростью, оплетая её как кокон, спиральныеленты из волокон ПКМ, пропитанных связующим и образующим силовойкаркас панели бу-дущей конструкции из подкрепляющих профилей илисиловых эле-ментов. На этой стадии формируется объёмная жёсткая сетчатая-конструкция из спиральных взаимно-пересекающихся волокон [3, 4].

Впоследствии сформированный каркас подкрепляющих профи-лей или силовых элементов усиливается наружными лентами, нама-тываемыми в кольцевом направлении. Причём намотка кольцевого слоя или уже обшивки по наружной поверхности панели производит-ся на предварительноуложенные симметричные спиральные сило-вые слои.

Практически аналогична технологическая схема с рациональ-ным сочетанием силовой схемы, где при изготовлении сетчатых (рё-

75

берных) композитных конструкций на поверхность вращающейся оправкипредварительно укладываются эластичные матрицы с на-ружнымипазами для изготовления рёбер панели, в которые в про-цессе намотки, вначале производственного цикла, укладываются пропитанныесвязующим волоконные жгуты, образующие систему симметричныхспиральных и кольцевых рёбер силового набора. Из-готавливаемыенамоткой рёбра ориентированы перпендикулярно к наружнойповерхности будущей панели. Уже после заполнения пазов исформированности силового сетчатого каркаса из спиральных вза-имно-пересекающихся рёбер наматывается наружная кольцевая обшивка. Затемпроводится процесс отверждения (фиксации формы) изготовленнойконструкции и снятие панели с оправки вместе с эла-стичными матрицами, которые остаются на внутренней поверхности панели. Впоследствииэластичные матрицы удаляются сначала вытя-гиванием во внутреннююполость оболочки и извлекаются наружу.

Отличительной особенностью процесса является то, что пазы под рёбра каркаса в эластичных вставках изготовлены по высоте меньшей, нежелитолщина вставки, т.е. толщина эластичной вставки должна быть больше чем высота паза ребра.

По указанной схеме можно изготовить однослойную панель с сетчатым каркасом рёбер, поскольку наращиванию числа слоёв па-нели препятствует потребность обязательного извлечения эластич-ных матриц после процесса. Получение нескольких слоёв обшивки или изготовление тонкостенных многослойных силовых панелей возможно при использовании вместоэластичных матриц, обводо-бразующих вставок, которые после выполнения технологической функции следует извлекать иным методом, тогда возможно изготов-ление любого потребного количества слоёв обшивки и в этомна-правлении сосредоточены исследования собственной НИОКР [5].

При заполнении лёгким газом, образующихся секций камер со стороныобводообразующих поверхностей конструкции ЛА, этот ап-парат приобретает аэростатическую составляющую силы и подоб-ным образом компенсирует часть собственной массы [6] (см. рис. 6).

76

Рис. 6. БПЛА – разработка филиала ДВФУ в г. Арсеньеве


1.Ю.Ф.Огнев, О.Ш.Бердиев, Ю.П. Денисенко. Применение но-

вого ПКМ в конструкции микровертолёта // Актуальные вопросы со-временной техники и технологии [Текст]: Сборник докладов VI-й Ме-ждународной научной конференции (Липецк, 28 января 2012г.). / Отв. ред. А.В. Горбенко. – Липецк: Издательский центр «Гравис», 2012. – 176 с. с.56. ISBN 978-5-4353-0024-6

2. Основы авиа- и ракетостроения: учеб.пособие для вузов / А.С. Чумадин, В.И. Ершов, К.А. Макаров и др. – М.: Инфра-М.2008. – 992 с.: ил.

3. Ю.О. Бахвалов, С.А. Петроковский, В.П. Поликовский, А.Ф. Разин. Проектирование углепластиковых нерегулярных сетчатых

77

оболочек для ракетно-космической техники//Журнал Российской ака-демии им. К.Э. Циолковского и Академии наук авиации и воздухо-плавания «Полёт». –8.2009.

4. В.П.Поликовский. Исследование влияния расположения кольцевых рёбер на несущую способность композитных сетчатых отсеков нерегулярной структуры//Журнал Российской академии им. К.Э. Циолковского и Академии наук авиации и воздухоплавания «По-лёт». – 9.2009.

5. Способ изготовления тонкостенных многослойных силовых панелей. Положительное решение о выдаче патента №2011112270/05(018103). Ю.Ф. Огнев, О.Ш. Бердиев, заявлено 30.03.2011г.

6. Летательный аппарат. Патент РФ на полезную модель №109094 от 10.10.2011г. Ю.Ф. Огнев, О.Ш. Бердиев.Заявлено 29.03.2011г. Опубликовано: 10.10.2011 Бюл. №28.


В.Г. Осипян

НЕКОТОРЫЕ СВОЙСТВА НАНОСТРУКТУР

Филиал Московского государственного индустриального университета в г. Вязьме

г. Вязьма, Смоленская обл., Россия

Нанонаука основана на изучении объектов размерами менее 100 нм хотя бы в одном измерении, что и в обусловливает принци-пиально новые свойства: переход количества в качество.

Пра-пра…дедушкой понятий нанонаука, нанотехнология, нано-материалыследует считать греческого философа Демокрита, кото-рый 2400 лет назад впервые использовал слово “атом” для описания самой малой частицы вещества. А. Эйнштейн в 1905 г.опубликовал работу, в которой доказал, что размер молекулы сахара составляет примерно 1 нанометр. В1931 г.немецкие физики Макс Кнолл и Эрнст Руска создали электронный микроскоп, который впервые позволил исследовать нанообъекты.

Конкретизировал все и фактически положил начало всем сего-дняшним «нанопроблемам» американский физик Ричард Фейнман, опубликовав в 1959 г. работу, где оценивались перспективы миниа-тюризации. Основные положения нанотехнологий были намечены в его легендарной лекции “Там внизу – много места” (“There’s Plenty of Room at the Bottom”), произнесенной им в Калифорнийском Техноло-гическом Институте. Фейнман научно доказал, что с точки зрения фундаментальных законов физики нет никаких препятствий к тому,

78

чтобы создавать вещи прямо из атомов (как бы из строительных кир-пичиков).

Первым и самым главным признаком наночастиц является их геометрический размер - протяженность не более 100 нм хотя бы в одном измерении. Именно с таких размеров может наблюдаться ка-чественное изменение свойств частиц по сравнению с макрочасти-цами того же самого вещества. Именно размерными эффектами оп-ределяются многие уникальные свойства наноматериалов. Для раз-личных характеристик (механических, электрических и др.) критиче-ский размер может быть различным. Например, электропроводность начинает зависеть от размера частицы при уменьшении кристалла вещества до размеров 10-20 нм и менее.

Важнейшими свойствами наноструктур, отличающими их от обычныхматериалов, являются повышенная диффузионная и мигра-ционная способность атомов, молекул веществ и электронов по по-верхности твердых наноструктур, а для жидких наноструктур - уско-ренная диффузия внутри них, повышенная прочность изолирован-ных твердых наноструктур и способность твердых наноструктур к самоорганизации и самосборке.

Наноструктуры, находящиеся в жидкой, газовой среде и в ва-кууме, обладают максимальными возможностями к самоорганизации и самосборке.

Сканирующая зондовая микроскопия-один из важнейших со-временных методов исследования морфологии и локальных свойств поверхности твердого тела. Применительно к наночастицам термин «микроскопия» не отражает сущности процесса, и следует говорить о «наноскопии».

Учитывая абсолютные размеры наночастиц, с определенными допущениями можно считать, что наночастица представляет собой вещество, близкое по свойствам к межфазной границе.

С помощью нанотехнологий появляется возможность создавать новые сверхпрочные композиционные конструкционные материалы, не изменяя химический состав компонентов, а регулируя размеры и формы частиц, составляющих вещество. Первые же исследования показали, что, например, нанотрубки обладают уникальными меха-ническими свойствами. Модуль упругости вдоль продольной оси трубки достигает 70 х 105 МПа. Для сравнения: у легированной стали он равняется 2,1 х 105 МПа, а у наиболее упругого металла иттрия – 5,2 х 105 МПа. Кроме того, однослойные нанотрубки имеют высокую эластичность.

С позиций квантовой механики электрон может быть представ-лен волной, описываемой соответствующей волновой функцией. Распространение этой волны в наноразмерных твердотельных структурах контролируется эффектами, связанными с квантовым ограничением, интерференцией и возможностью туннелирования через потенциальные барьеры. Свободный электрон в твердом теле, может беспрепятственно распространяться в любом направлении.

79

Ситуация кардинально меняется, когда электрон попадает в твердо-тельную структуру, размер которой, по крайней мере в одном на-правлении, ограничен и сравним с длиной электронной волны. В данных направлениях возможно распространение только волн с длиной, кратной геометрическим размерам структуры. Это значит, что соответствующие им электроны могут иметь только определен-ные фиксированные значения энергии, вызывая дополнительное квантование энергетических уровней. Это явление получило назва-ние квантового ограничения.Так, с одной стороны, есть трубки с хо-рошей электронной проводимостью, а с другой стороны, большинст-во трубок – это полупроводники с шириной запрещенной зоны от 0,1 до 2 эВ. Управляя их зонной структурой, можно создать различные электронные приборы. В частности, появляется реальная перспекти-ва разработки запоминающих устройств с плотностью записи до 1014 бит/см2.

Итак, наночастицы обладают комплексом уникальных свойств. Многие из них еще не полностью изучены, а другие, возможно, и не открыты. Эти свойства открывают возможности принципиального изменения современного состояния науки и техники и создают пред-посылки к новой технической революции, которая началась и станет содержанием 21 века.


1. Бинниг Г. Сканирующая туннельная микроскопия - отрожде-

ния к юности: нобелевские лекции по физике/Г. Бинниг, Г. Ро-рер//УФН. - 1996. - Т. 154 (1988), вып. 2. - С. 261.

2. Календин В. В. Нанометрия: проблемы и решения/В. В. Ка-лендин//Автометрия. - 2004. - Т. 40, № 2. - С. 20-36.

3. Кластеры, структуры и материалы наноразмера: технические перспективы/М. А. Меретуков (и др.). — М.: Руда и металлы, 2005. — 128 с.

4. Ковальчук М. В. Органические наноматериалы, наност рукту-ры и нанодиагностика/М. В. Ковальчук // Вестник РАН. - 2003. - Т. 73, № 5. - С. 405-412.

80

Е.В. Павлов

КАЧЕСТВО НАПЛАВЛЕННЫХ ПОКРЫТИЙ ПОСЛЕ ОБРАБОТКИ ИНСТРУМЕНТАМИ ИЗ СВЕРХТВЕРДЫХ

МАТЕРИАЛОВ

Юго-Западный государственный университет г. Курск, Россия

В технологиях упрочнения и восстановления деталей машин и

механизмов большое внимание следует уделять обеспечению тре-буемой конструктивной точности и шероховатости поверхностей де-талей после нанесения покрытий, что практически невозможно без применения механической обработки. Причем для повышения про-изводительности чистовой обработки деталей типа «тел вращения» целесообразно заменять абразивное и алмазное шлифование то-карной обработкой инструментами, оснащенными сверхтвердыми материалами на основе поликристаллов кубического нитрида бора (композитов) [1].

Анализ исследований в области обеспечения качества поверх-ностного слоя и точности обработки деталей машин позволяет ут-верждать, что для современного машиностроения наиболее рацио-нальным является установление связи параметров качества поверх-ности с технологическими факторами процесса резания [2].

Нами были проведены исследования влияния режимов резания на шероховатость обработанных наплавленных поверхностей дета-лей.

Для установления степени влияния режимов резания на шеро-ховатость обработанной поверхности проведем полный факторный эксперимент применительно к токарной обработке наплавленных гетерофазных поверхностей инструментами, оснащенными компози-тами. В качестве переменных были выбраны скорость резания v, подача s и глубина резания t.

Методом Бокса - Уилсона получены оптимальные значения скорости резания, подачи и глубины резания, обеспечивающие ми-нимально возможные значения шероховатости обработанных на-плавленных поверхностей деталей.

Уровни факторов и интервалы варьирования приведены в таб-лице 1, матрица полного факторного эксперимента 23 – в таблице 2.

Таблица 1

Уровни факторов и интервалы варьирования Уровни фак-

торов

Обоз-на-чение

ν, м/мин s, мм/об t, мм

1X~ ln 1X~ 2X~ ln 2X~ 3X~ ln 3X~

1 2 3 4 5 6 7 8 Основной 0 220 5,39363 0,060 -2,8134 0,15 -1,8971

81

Окончание табл. 1 1 2 3 4 5 6 7 8

Интервал варьирова-

ния ∆ iX~ 60 4,6052 0,015 -4,1997 0,05 -2,9987

Верхний +1 300 5,70378 0,075 -2,5903 0,20 -1,6094 Нижний –1 160 5,07517 0,045 -3,1011 0,10 -2,3026

Таблица 2

Матрица планирования эксперимента № точки плана Х0 X1 X2 Х3 X1X2 Х1Х3 Х2Х3 Х1Х2Х3

Параметр оптимизации

1 + - - - + + + - 1,254 2 + + - - - - + + 0,455 3 + - + - - + - + 1,452 4 + + + - + - - - 0,524 5 + - - + + - - + 1,306 6 + + - + - + - - 0,463 7 + - + + - - + - 1,461 8 + + + + + + + + 0,712 Математическое планирование провели с преобразованием па-

раметра оптимизации и факторов. Преобразование независимых переменных iX~ выполняем с помощью уравнения

1X~lnX~ln

)X~lnX~(ln2X

minimaxi

maxiii +

−

−= . (1)

Уравнение в преобразованных переменных

3322110 XbXbXbbY +++= .(2) (2) После определения коэффициентов уравнение запишется сле-

дующим образом

321 X032,0X084,0X415,0953,0Y ++−= . (3) Для проверки адекватности уравнения вычисляем дисперсию

0038,0)13(8

708112,8723891,8)1k(N

bNyS

k

0i

2i

N

1j

2j

2ад =

+−−

=+−

−=

∑∑== . (4)

82

Адекватность уравнения проверяем по F-критерию Фишера. Находим расчетное значение F-критерия

{ } 57,50007,00039,0

YSS

F 2

2ад

p === . (5)

Табличное значение F-критерия при 5%-ном уровне значимости

и числе свободы f=3 равно 9,1. Так как Fp<Fт, то линейная модель адекватна.

Следовательно, зависимость шероховатости от режимов реза-ния при лезвийной обработке наплавленных поверхностей с доста-точной точностью можно представить уравнением

γβα ⋅⋅⋅= tSvCRа . (6)

В результате математической обработки данных была получе-

на следующая зависимость шероховатости от режимов резания при обработке наплавленных поверхностей композитом 10:

328,1

092,0329,0

vtSCRa ⋅⋅

= , мкм. (7)

Проанализировав полученную зависимость, делаем вывод, что

наиболее существенное влияние на параметры микрогеометрии об-рабатываемой поверхности оказывают скорость резания ивеличина подачи. Глубина резания оказывает наименьшее влияние на шеро-ховатость обработанной поверхности. Выполненные эксперимен-тальные исследования показали незначительные отклонения экспе-риментальных и теоретических зависимостей параметров режимов резания на шероховатость обработанных наплавленных поверхно-стей.

В исследованном диапазоне режимов резания минимальное значение подачи и максимальное значение скорости резания спо-собствуют получению минимально возможного значения шерохова-тости. Как недостаток, отметим, что минимальные подачи сущест-венно снижают производительность, а значению максимальной ско-рости резания препятствуют проблемы обработки наплавки, такие как посторонние включения, перепады неровностей наплавки, коле-бания твердости.

Работа выполнена при финансовой поддержке грантов Пре-

зидента Российской Федерации МК-1502.2012.8, НШ-4423.2012.8, а также в рамках федеральной целевой программы «Научные и науч-но-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 го-ды.

83


1. Кудряшов Е.А. Применение композиционных инструменталь-ных материалов при ремонте деталей машин / Е.А. Кудряшов, Е.В. Павлов, Е.И. Яцун и др. // Упрочняющие технологии и покрытия, № 9, 2010. С. 30-31.

2. Павлов Е.В. Совершенствование технологии восстановления изделий с применением обработки инструментами, оснащенными сверхтвердыми материалами / Е.В. Павлов, О.Г. Локтионова, С.Ф. Яцун // Известия Юго-Западного государственного университета, № 1, Ч.1, 2012. – С. 120-127.


Р.Ю. Першиков, О.Г. Дегтярева

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕХАНИЗМА ПРОГНОЗИРОВАНИЯ СМЕТНОЙ СТОИМОСТИ

ПРОЕКТОВ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ

Кубанский государственный аграрный университет г. Краснодар, Россия

Прогноз - это расчет неизвестного экономического показателя

по заданным факторам на основании модели. Прогнозирование, разработка прогноза; в узком значении —

специальное научное исследование конкретных перспектив развития какого-либо процесса.

Прогнозы делятся по срокам: краткосрочные, среднесрочные, долгосрочные. В настоящее время для прогнозирования сметной стоимости

проектов в строительстве используют статистические показатели инфляции предыдущих лет, что негативно сказывается на точности прогноза в целом.

В строительной отрасли период прогнозирования устанавлива-ется в месяцах от даты разработки сметной документации или даты заключения договора подряда до даты планируемого этапа строи-тельства.

При начальном периоде прогнозирования (0 месяцев) расчет-ные индексы устанавливают уровень изменения сметной стоимости строительства на текущий момент разработки сметы.

Строительная отрасль относится к наиболее продолжительно-му производственному циклу и поэтому в наибольшей степени стра-дает от неточности существующих методов прогнозирования цен на свою продукцию. Проблема прогнозирования изменения индекса роста цен и объемов производства является чрезвычайно сложной

84

даже для условий стабильно работающей экономики. Этим и обу-словлена актуальность рассматриваемой темы.

Для повышения точности прогнозирования изначально было решено проанализировать учет влияния внешних факторов таких, как курс рубля, курс евро и цена стоимости нефти марки Brent, на индексы роста СМР.

В результате исследований была установлена взаимосвязь внешних факторов и индексов роста СМР, на основе полученных результатов была проанализирована внутренняя структура индексов СМР, что позволило создать алгоритм прогнозирования, который может давать прогноз не на год, как применение индекс-дефлятора, а поквартально. Полученные прогнозные данные имеют погрешность равную 1%, это говорит о том, что алгоритм является рабочим.

Экономическая теория выделяет ряд циклов экономическою развития (роста): длинноволновые циклы, выражающие долговре-менные колебания экономической активности с периодом около 50 лет и получившие название «циклы Кондратьева»; большие, про-мышленные циклы с периодом от 8 до 12 лет («циклы Жугляра»); малые циклы, или «циклы Китчина», продолжительностью 3-4 года и охватывающие тот срок, который необходим для массового обнов-ления основных фондов.Исходя из чего, было предложено теорети-чески разбить некоторые факторы по существующим циклам, в ре-зультате получили следующие связки:

Малые циклы – отражают изменения цены на определенный товар, следовательно учитывают параметры спроса и предложения. Для исследования данной связки мы проведем мониторинг цен с учетом фактора случайности т.е. настроения людей, на который по нашему мнению влияют времена года.

Большие циклы – отражают изменения инвесторской активно-сти, где для исследования предложено проанализировать статистику выдачи банками кредитов для инвестиций в строительную отрасль, с целью определения величины влияния этой статистики на ценовую политику инвестиционных проектов в строительстве.

Длинноволновые циклы – отражают изменения технологическо-го уровня строительной отрасли, вследствие чего будут проанализи-рованы по времени переходы от одного технологического уклада к другому и рассмотрены уровни цен в строительной отрасли по этим переходам.

На данный момент времени ведутся исследования предложен-ных гипотез. На основании полученных результатов планируется создать уникальный механизм прогнозирования с использованием разработанного ранее алгоритма, на прогнозе которого можно будет узнавать изменения стоимости строительной продукции, анализиро-вать тенденцию развития строительного рынка, определять измене-ния спроса и предложения на виды строительных материалов и дру-гое.


85

Е.Ю. Раенко, А.Н. Блазнов

ДРАЖИРОВАНИЕ КАК ЭФФЕКТИВНЫЙ СПОСОБ ПРЕДПОСЕВНОЙ ПОДГОТОВКИ СЕМЯН

Бийский Технологический институт (филиал) Алатйского государственного технического

университета им. И.И. Ползунова г. Бийск, Алтайсткий край, Россия

Ослабить отрицательное влияние неблагоприятных условий,

преодолеть низкую всхожесть позволяет предпосевная подготовка семян.Среди всех приемов допосевной обработки наиболее широкое признание в сельскохозяйственной практике в нашей стране и за рубежом получило дражирование(гранулирование, капсулирование) семян.

Эти процессы предпосевной подготовки заключаются в нане-сении на семя оболочки, в состав которой входят водорастворимые связующие вещества, питательные вещества (микроэлементы, регу-ляторы роста), необходимые для стартового роста растений, а также защитные средства (против почвенных и наземных вредных насеко-мых – инсектициды и репелленты, а от болезней проростков и моло-дых растений – фунгициды) [1].

Дражирование применяется для различных семян по структуре, форме и размерам. Практическое применение гранулирования на-шли семенасахарной свекла, люцерны, хлопчатника, различных зла-ковых культур, овощных и т.д.

Гранулирование позволяет увеличить размеры и придать ок-руглую форму семенам для точного высева современными сеялка-ми, подать локальным образом к семенам элементы питания, стиму-ляторы, пестициды. Наносимая на поверхность семян оболочка обеспечивает их механическую защиту от повреждения во время хранения, транспортировки и посева. Снижается расход семян при посевах в 2 и более раз, исключается травмирование семян деталя-ми высевающих аппаратов; снижается опасность поедания семян птицами, насекомыми, повышается урожайность с площади посе-вов[2].

Расход пестицидов, стимуляторов, микроэлементов снижается в сотни и тысячи раз по сравнению с внесением их по вегетирующим растениям. Вместе с тем до минимума снижается отрицательное воздействие на окружающую природу [2].Защищенные семена уве-личивают всхожесть полевой культуры в среднем на 10-15% и обес-печивают созревание 90% урожая в срок [3].

Проводят дражирование в специальном, вращающемся аппа-рате – дражираторе. Засыпают туда откалиброванные, полновесные семена порциями, увлажняют клеящим раствором и добавляют пита-

86

тельную смесь. После дражирования семена просушивают, хранить их можно до 9 месяцев [3].

Технологии гранулирования - операция кропотливая, это связа-но в первую очередь со сложной подготовкой композиции, учиты-вающей особенности посевных культур и состояние почв, техноло-гии и оборудования для нанесения этих составов на разные по свой-ствам и размерам семена.

Решаемыми задачами являются разработка технологии и обо-рудования дражирования семян в рамках международного россий-ско-германского проекта «КУЛУНДА»(KULUNDA), направленного на разработку и реализацию инновационных стратегий землепользова-ния для увеличения и стабилизации урожайности сельскохозяйст-венных культур в степной части Алтайского края.


1. Розметов К. С. О повышении качества подготовки посевных

семян хлопчатника / К. С. Розметов // Молодой ученый. - 2011. - №5. Т.2. - С. 263-265.

2. УсольцевВ. Предпосевная подготовка и дражирование се-мян/ Режим досту-па:http://luk.at.ua/index/predposevnaja_podgotovka_i_drazhirovanie_semjan

3. Афанасенко М. Защита в одном драже/ М. Афанасен-ко//АгроТехника.- 2007. - №4 осень. – С. 86.


В.В. Смоленский, Н.М. Смоленская

ВЛИЯНИЕ ДОБАВКИ ВОДОРОДА В СПГ НА СРЕДНЮЮ СКОРОСТЬ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ФРОНТА ПЛАМЕНИ В УСЛОВИЯХ ПОРШНЕВОЙ УСТАНОВКИ С ИСКРОВЫМ

ЗАЖИГАНИЕМ

Тольяттинский государственный университет г. Тольятти, Россия

Применение водорода в качестве активатора процесса сгора-

ния углеводородных топлив является одним из основных перспек-тивных направлений развития современного автомобилестроения. В тоже время, как отмечают многие исследователи, добавка водорода в бензовоздушную смесь приводит к повышению токсичности отра-ботавших газов (ОГ) по оксидам азота (NOX) для одинакового коэф-фициента избытка воздуха и приводит к смещению максимума в об-

87

ласть бедных смесей. В результате чего, возможность применения добавки водорода ограничивается стехиометрическими и богатыми составами смеси, а также при обеднении более чем 1,38 – 1,4 по α. При этом, влияние добавки водорода на токсичность в области сте-хиометрических и богатых смесей незначительна, что значительно затрудняет активное применение водорода в качестве активатора процесса сгорания бензовоздушных смесей в ДВС с искровым зажи-ганием. При этом, как показывает обзор иностранной литературы, в настоящее время значительное внимание уделяется исследованию процесса сгорания метановоздушных смесей с добавками водорода. Данное направление исследований объясняется возможностью до-бавки водорода в сжатый природный газ (СПГ) непосредственно на газонаполнительных станциях, что позволяет избавиться от дубли-рующих систем питания на борту автомобиля, тем самым снижая себестоимость и повышая эффективность применения добавки во-дорода. В результате проведение исследований по влиянию добавки водорода в СПГ на токсичность ОГ по NOX, как самому токсичному из продуктов сгорания, является актуальной и необходимой задачей.

Рис. 1. Схема камеры сгорания экспериментальной установки:1 – свеча зажигания установленная в

переходник с датчиком ионизации,2 – корпус переходника с 2 датчиками ионизации и датчиком давления,

3 – фронт пламени

Экспериментальное оборудование На кафедре «Тепловые двигатели» Тольяттинского государст-

венного университета проведены экспериментальные исследования влияния добавки водорода в СПГ на среднюю скорость распростра-

88

нения фронта пламени в условиях поршневой установки с искровым зажиганием. Исследования поводились на одноцилиндровой уста-новке УИТ-85 (рис. 1), способной поддерживать с высокой точностью основные рабочие режимы: частоту вращения n=600 1/мин и n=9001/мин, состав смеси (α),угол опережения зажигания (УОЗ).

Моторный стенд оснащался системой подачи водорода в топ-ливовоздушную смесь (ТВС) схема которой, представлена на рис. 2.

Рис. 2. Схема системы подачи водорода Н - баллон с водородом, М1-М2 - манометры, Р1-Р2 -

редукторы,БФ – блок форсунок, РЕ - расходная емкость, БУФ - блок управления форсунками, АКБ – аккумуляторная батарея.

Система работает следующим образом. Водород из баллона

высокого давления (Н) через редуктор (Р1, Р2) и блок тарированных форсунок (БФ), подавался во впускной коллектор двигателя в сече-ние, расположенное непосредственно за дроссельной заслонкой. Управление форсунками осуществлялось с помощью блока управле-ния форсунками (БУФ), выполненного в виде транзисторного ключа. Для исключения влияния изменения давления во впускном коллек-торе двигателя перед блоком форсунок поддерживался закритиче-ский перепад давления равный ∆Р = 0,35 мПа.

Блок форсунок (БФ) состоял из четырех тарированных объем-ным методом бензиновых форсунок типа Bosch. Тарировочная зави-симость расхода водорода Gн от времени открытияτприведена на рис. 3.

Расход водорода через систему определялся скважностью (длительностью открытия) форсунок в составе БФ, несущая частота

89

при этом составляла 50 Гц. Частота и длительность импульса сигна-ла задавалась генератором прямоугольных импульсов типа Г5-60.

Рис. 3. Тарировочная зависимость БФ

Для изменения диапазона возможного регулирования в сторону

уменьшения расходной характеристики БФ использовалась возмож-ность отключения одной или нескольких форсунок. В этом случае тарировочная зависимость изменяется на величину расхода водоро-да, определяемую отключаемой форсункой.

Регистрация перемещения фронта пламени в камере сгорания осуществлялась с помощью специально спроектированных датчиков ионизации, установленныху свечи зажигания и в наиболее удален-ной от свечи зоне камеры сгорания в переходнике с датчиком давле-ния (рис. 4).

90

Рис. 4. Датчик ионизации расположенный в удаленной

части камеры сгорания

Результаты испытаний и их анализ Для оценки влияние добавки водорода в СПГ поршневой уста-

новки насреднюю скорость распространения фронта пламени в ус-ловиях поршневой установки с искровым зажиганием были взяты такие параметры процесса сгорания, как:

– средняя скорость распространения фронта пламени в основ-ной фазе сгорания, включающая в себя среднюю скорость распро-странения фронта пламени с момента подачи искры до достижения пламенем наиболее удаленной от свечи зажигания зоны камеры сго-рания, где расположен ионизационный датчик;

– средняя скорость распространения фронта пламени вовторой фазе сгорания, включающую в себя среднюю скорость распростра-нения фронта пламени с момента образования устойчивого очага горения, т.е. в условиях эксперимента достижением пламенем дат-чика ионизации расположенного в 7 мм от свечи зажигания, до дос-тижения пламенем наиболее удаленной от свечи зажигания зоны камеры сгорания, где расположен ионизационный датчик на рас-стоянии 85 мм от свечи зажигания.

На рис. 5 представлена зависимость средней скорости распро-странения фронта пламени в основной фазе сгорания от состава смеси при различных добавках водорода в СПГ для УИТ-85, режим работы n = 600 1/мин, УОЗ = 13°, ε = 7.

Рис. 5. Зависимость средней скорости распространения фронта пламени в основной фазе сгорания от состава смеси при различных добавках водорода в СПГ для УИТ-85, режим работы n = 600 1/мин, УОЗ = 13°, ε = 7

Из рис. 5 видно, что с добавка водорода увеличивает среднюю

скорость распространения пламени в основной фазе сгорания, при этом наименьшее влияние оказывает добавка водорода в зоне богтых смесей, где прирост на каждые 5% добавляемого водорода сставляет примерно 0.8-1.0 м/с, а в зоне бедных смесей 1.2При этом максимум по составу смеси при добавке водорода смещется в область бедных смесей, так для СПГ без добавок водорода максимум находится в районе α≈1.05, то с добавкой 5, 10 и 15% вдорода от массы топлива он соответственно смещается до α≈1.12 и α≈1.15. Также добавка водорода значительно расширяет предел устойчивого сгорания при работе на бедных смесях, так при работе на СПГ он соответствовал α≈1.3-1.4, то при добавке 15% вдорода в СПГ он стал составлять α≈1.7-1.8.

Рассмотрим влияние добавки водорода в СПГ на среднрость распространения фронта пламени в основной фазепри частоте вращения 900 об/мин, представленное на рис.6. Изрис. 6 видно, что добавка 5% водорода увеличивает среднюю скорость распространения фронта пламени на 1 м/с в зоне богатых смесей и с увеличением коэффициента избытка воздуха влияние увеличиваеся и достигает 2,2 м/с в зоне бедных смесей. В тоже время, далнейшее увеличение количества добавляемого водорода на каждые 5% от массы топлива приводит к росту средней скорости примерно на 1 м/сна всем исследуемом диапазоне составов смеси. изменение средней скорости распространения фронта пламени при увеличении частоты вращения с 600 до 900 об/мин, следует отм

91

Рис. 5. Зависимость средней скорости распространения

азе сгорания от состава смеси при различных добавках водорода в СПГ для

ε = 7

Из рис. 5 видно, что с добавка водорода увеличивает среднюю скорость распространения пламени в основной фазе сгорания, при

аименьшее влияние оказывает добавка водорода в зоне бога-тых смесей, где прирост на каждые 5% добавляемого водорода со-

1.0 м/с, а в зоне бедных смесей 1.2-1.4 м/с. При этом максимум по составу смеси при добавке водорода смеща-

сть бедных смесей, так для СПГ без добавок водорода то с добавкой 5, 10 и 15% во-

дорода от массы топлива он соответственно смещается до α≈1.1, Также добавка водорода значительно расширяет го сгорания при работе на бедных смесях, так при

1.4, то при добавке 15% во-

среднюю ско-ной фазе сгорания

при частоте вращения 900 об/мин, представленное на рис.6. Изрис. 6 видно, что добавка 5% водорода увеличивает среднюю скорость распространения фронта пламени на 1 м/с в зоне богатых смесей и с

ние увеличивает-ся и достигает 2,2 м/с в зоне бедных смесей. В тоже время, даль-нейшее увеличение количества добавляемого водорода на каждые 5% от массы топлива приводит к росту средней скорости примерно на 1 м/сна всем исследуемом диапазоне составов смеси. Оценивая изменение средней скорости распространения фронта пламени при увеличении частоты вращения с 600 до 900 об/мин, следует отме-

92

тить, что наибольшее влияние увеличения частоты вращения нблюдается в районе стехиометрического состава смеси, так в облати богатых смесей (α=0.8-0.95) и бедных смесей (α=1.1ние средней скорости составило 14-19%, в тоже время, как на соствах смеси (α=0.95-1.1) прирост достигал 24-27%, как для СПГ, так и при добавке до 15% водорода.

Рис. 6. Зависимость средней скорости распространения фронта пламени в основной фазе сгорания от состава смеси при различных добавках водорода в СПГ для УИТ-85, режим работы n = 900 1/мин, УОЗ = 13°,

Рис. 7. Зависимость средней скорости распространения фронта пламени во второй фазе сгорания от состава смеси при различных добавках водорода в СПГ для УИТ-85, режим работы n = 600 1/мин, УОЗ = 13°,

тить, что наибольшее влияние увеличения частоты вращения на-блюдается в районе стехиометрического состава смеси, так в облас-

α=1.1-1.4) увеличе-19%, в тоже время, как на соста-

27%, как для СПГ, так и

скорости распространения

фронта пламени в основной фазе сгорания от состава смеси при различных добавках водорода в СПГ для

ин, УОЗ = 13°, ε = 7

Рис. 7. Зависимость средней скорости распространения

рой фазе сгорания от состава смеси при различных добавках водорода в СПГ для

n = 600 1/мин, УОЗ = 13°, ε = 7

Рис. 8. Зависимость средней скорости распространения фронта пламени во второй фазе сгорания от состава смеси при различных добавках водорода в СПГ для УИТ-85, режим работы n= 900 1/мин, УОЗ=13°, ε=7

Рассмотрим влияние добавки водорода в СПГ на средн

рость распространения фронта пламени во второй фазе сгоранияпри частоте вращения 600 и 900 об/мин, представленные на рис8 соответственно. Из рис. 7 и 8 видно, что добавка водорода увелчивает скорость распространения фронта пламени во второй фазе сгорания на всем диапазоне коэффициента избытка воздуха, при этом также следует отметить, что относительно минимальное влиние водорода наблюдается на богатых смесях и при обеднении смси влияние водорода на среднюю скорость распространения фронта пламени во второй фазе сгорания увеличивается.При этомдобавки водорода на среднюю скорость распространения пламени во второй фазе сгорания при работе на бедных смесях и частоте вращения 600 об/мин больше, чем при частоте вращения 900 об/мин. Так в среднем прирост средней скорости при увеличении добавки водорода на 5% (в диапазоне от 0 до 15%) для частоты вращения 600 об/мин составляет примерно 7.6% при α=1 α=1.2, а для 900 об/мин 8.2 и 8.5%, соответственно.

Выводы Проведённые исследования позволяют расширить понимание

влияния добавки водорода в СПГна среднюю скорость распрострнения фронта пламени в условиях поршневой установки с искровым зажиганием.

Проведенные исследования показали значительный вклад дбавки водорода в СПГ на увеличение средней скорости распрострнения фронта пламени. Так в среднем увеличение средней скорости распространения фронта пламени в основной фазе сгорания придбавки 5% водорода составляет около 20%, а для каждых последу

93

средней скорости распространения

от состава для ε=7

среднюю ско-во второй фазе сгорания

при частоте вращения 600 и 900 об/мин, представленные на рис. 7 и 8 соответственно. Из рис. 7 и 8 видно, что добавка водорода увели-чивает скорость распространения фронта пламени во второй фазе сгорания на всем диапазоне коэффициента избытка воздуха, при этом также следует отметить, что относительно минимальное влия-ние водорода наблюдается на богатых смесях и при обеднении сме-си влияние водорода на среднюю скорость распространения фронта

При этом, влияние добавки водорода на среднюю скорость распространения пламени

рой фазе сгорания при работе на бедных смесях и частоте вращения 600 об/мин больше, чем при частоте вращения 900

Так в среднем прирост средней скорости при увеличении добавки водорода на 5% (в диапазоне от 0 до 15%) для частоты

α=1 и 9% при

Проведённые исследования позволяют расширить понимание на среднюю скорость распростра-

й установки с искровым

Проведенные исследования показали значительный вклад до-бавки водорода в СПГ на увеличение средней скорости распростра-нения фронта пламени. Так в среднем увеличение средней скорости

й фазе сгорания придо-бавки 5% водорода составляет около 20%, а для каждых последую-

94

щих 5% увеличение еще на 8-9% соответственно, а во второй фазе сгорания 8-9% на каждые 5% добавляемого водорода в СПГ.

Полученные результаты могут быть использованы для модели-рования процесса сгорания при разработке новых способов органи-зации рабочего процесса ДВС, при работе на альтернативном топ-ливе СПГ с добавкой водорода.

Данная работа выполнена в рамках реализации ФЦП «Науч-

ные и педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы, ГК №П1181 от 03.06.2010 г.



ВЛИЯНИЕ ДОБАВКИ ВОДОРОДА В СПГ ПОРШНЕВОЙ УСТАНОВКИ НА ИНТЕНСИВНОСТЬ ПРОТЕКАНИЯ ПРОЦЕССА СГОРАНИЯ ВО ФРОНТЕ ПЛАМЕНИ

Тольяттинский государственный университет

г. Тольятти, Россия

Применение альтернативных топлив, а также добавок, интен-сифицирующих процесс сгорания классических углеводородных топ-лив, сопряжено с комплексным исследованием возможности приме-нения на выпускаемые модели двигателей без существенного изме-нения в конструкции и анализа эффективности применения новых топлив. Применение природного газа в качестве основного топлива, зачастую, приводит к значительному росту токсичности отработав-ших газов по несгоревшим углеводородам, вследствие большей за-держки воспламенения и увеличившейся продолжительности про-цесса сгорания, что приводит к повышенной неполноте сгорания. В мировой практике активно применяются газовые смеси, состоящие из 85% сжатого природного газа и 15% водорода позволяющего ин-тенсифицировать процесс сгорания и выполнить все современные нормы по токсичности ОГ. В результате, целью проводимых иссле-дований было определение влияние количества добавляемого водо-рода в СПГ на токсичность отработавших газов по несгоревшим уг-леводородам и угарному газу.

Экспериментальное оборудование В Тольяттинском государственном университете на кафедре

«Тепловые двигатели» проведены экспериментальные исследова-ния влияния добавки водорода в СПГ на интенсивность протекания процесса сгорания во фронте пламени. Исследования поводились на одноцилиндровой установке УИТ-85, способной поддерживать с вы-

95

сокой точностью основные рабочие режимы: частоту вращения n=600 1/мин и n=9001/мин, состав смеси (α), угол опережения зажи-гания (УОЗ). Стенд оборудован системой питания природным газом (СППГ).

Стенды, также, оснащены системой подачи водорода в топли-вовоздушную смесь (ТВС). Система работает следующим образом. Водород из баллона высокого давления через редуктор и блок тари-рованных форсунок, подавался во впускной коллектор двигателя в сечение, расположенное непосредственно за дроссельной заслон-кой. Управление форсунками осуществлялось с помощью блока управления форсунками (БУФ), выполненного в виде транзисторного ключа. Для исключения влияния изменения давления во впускном коллекторе двигателя перед блоком форсунок поддерживался закри-тический перепад давления равный ∆Р = 0,35 мПа.

Блок форсунок (БФ) состоял из тарированных объемным мето-дом бензиновых форсунок типа Bosch. Расход водорода через сис-тему определялся скважностью (длительностью открытия) форсунок в составе БФ, несущая частота при этом составляла 50 Гц. Частота и длительность импульса сигнала задавалась генератором прямо-угольных импульсов типа Г5-60.

Для изменения диапазона возможного регулирования в сторону уменьшения расходной характеристики БФ использовалась возмож-ность отключения одной или нескольких форсунок. В этом случае тарировочная зависимость изменяется на величину расхода водоро-да, определяемую отключаемой форсункой.

Рис. 1. Датчик ионизации расположенный в переходнике

рядом со свечей зажигания

96

Регистрация перемещения фронта пламени в камере сгорания осуществлялась с помощью специально спроектированных вионизации, установленныху свечи зажигания (рис. 1) и удаленной от свечи зоне камеры сгорания.

Результаты испытаний и их анализ Для оценки влияние добавки водорода в СПГ поршневой уст

новки на интенсивность протекания процесса сгорания во фронте пламени были взяты такие параметры процесса сгорания, как скрость распространения фронта пламени в начальной фазе сгорания и амплитуда сигнала ионного тока в начальной и завершающей стдии процесса сгорания. В результате обработки и оценки результтов исследований более 180 режимов работы исследовательской установки УИТ-85 при работе на СПГ с добавками водорода, преставляются полученные следующие результаты.

На рис. 2 представлена зависимость средней скорости распрстранения фронта пламени в начальной фазе сгорания (путь от электрода свечи зажигания до датчика ионизации расположенн7 мм) от состава смеси при различных добавках водорода в СПГ для УИТ-85, режим работы n = 600 1/мин, УОЗ = 13°, ε = 7.

Рис. 2. Зависимость средней скорости распространения фронта пламени в начальной фазе сгорания от состава смеси при различных добавках водорода в СПГ для УИТ-85, режим работы n = 600 1/мин, УОЗ = 13°,

Изрис. 2видно, что добавка водорода дает увеличение средней

скорости распространения фронта пламени в начальной фазе сгорния примерно на 1 м/с на каждые 5% добавляемого в СПГ При этом максимальные значения соответствуют составу смеси близкому к стехиометрическому (α≈0,95-1). Для большей достовености рассмотрим влияние добавки газообразного водорода в СПГ на среднюю скорость распространения фронта пламени в начальной фазе сгорания при скоростном режиме работы УИТУОЗ = 13°, ε = 7. (рис. 3)

в камере сгорания специально спроектированных датчико-

ху свечи зажигания (рис. 1) и в наиболее

влияние добавки водорода в СПГ поршневой уста-новки на интенсивность протекания процесса сгорания во фронте

были взяты такие параметры процесса сгорания, как ско-ения фронта пламени в начальной фазе сгорания

и амплитуда сигнала ионного тока в начальной и завершающей ста-дии процесса сгорания. В результате обработки и оценки результа-тов исследований более 180 режимов работы исследовательской

те на СПГ с добавками водорода, пред-

представлена зависимость средней скорости распро-странения фронта пламени в начальной фазе сгорания (путь от электрода свечи зажигания до датчика ионизации расположенного в 7 мм) от состава смеси при различных добавках водорода в СПГ для

Рис. 2. Зависимость средней скорости распространения фронта пламени в начальной фазе сгорания от состава

авках водорода в СПГ для 85, режим работы n = 600 1/мин, УОЗ = 13°, ε = 7

2видно, что добавка водорода дает увеличение средней скорости распространения фронта пламени в начальной фазе сгора-ния примерно на 1 м/с на каждые 5% добавляемого в СПГ водорода. При этом максимальные значения соответствуют составу смеси

1). Для большей достовер-ности рассмотрим влияние добавки газообразного водорода в СПГ на среднюю скорость распространения фронта пламени в начальной

работы УИТ-85900 1/мин,

Рис. 3. Зависимость средней скорости распространения фронта пламени в начальной фазе сгорания от состава смеси при различных добавках водорода в СПГ для УИТ-85, режим работы n = 900 1/мин, УОЗ = 13°, ε =

Изрис. 3 видно, что с увеличением числа оборотов влияние в

дорода на среднюю скорость распространения фронта пламени в начальной фазе сгорания насколько уменьшилось в зоне богатых смесей и составило примерно 0,7 м/с на каждые 5% добавляемого водорода. Максимум скорости также находится в районе стехиомерического состава смеси (α≈1-1,1). При этом если рассмотреть рис. 2 и 3 внимательно в диапазоне бедных смесей, то видно, что набольшую прибавку к скорости дает именно первые 5% добавляемого водорода (для 600 об/мин 1,2 м/с, что составляет примерно 30%, а для 900 об/мин 2,1-2,2 м/с это примерно 40%), при дальнейшем увличении количества добавляемого водорода его эффективность пдает, так, в среднем, прирост скорости для 600 и 900 об/мин соствил 0,6-0,7 и 0,65-0,75 м/с соответственно.

Рассмотрим влияние водорода на интенсивность протекания процесса сгорания во фронте пламени, для этого косвенно оценим скорость протекания химических реакций окисления по амплитуде ионного тока проводимости пламени. Из литературных источников известно, что основной вклад в ток проводимости вносят ионы сдержащие атом углерода, соответственно для одного коэффициента избытка воздуха при добавке водорода, вызывающего удельное снижение концентрации атомов водорода в смеси. Изменение велчины ионного тока показывает увеличение скорости образования ионов содержащих атом углерода во фронте пламени, тем самым показывая изменение скорости химических реакций окисления.

На рис. 4 и 5 представленызависимости амплитуды сигнала ионного тока пламени на датчике у свечи зажигания, от состава см

97

Рис. 3. Зависимость средней скорости распространения фронта пламени в начальной фазе сгорания от состава смеси при различных добавках водорода в СПГ для

ε = 7

Изрис. 3 видно, что с увеличением числа оборотов влияние во-дорода на среднюю скорость распространения фронта пламени в начальной фазе сгорания насколько уменьшилось в зоне богатых

с на каждые 5% добавляемого водорода. Максимум скорости также находится в районе стехиомет-

1,1). При этом если рассмотреть рис. 2 и 3 внимательно в диапазоне бедных смесей, то видно, что наи-

о первые 5% добавляемого водорода (для 600 об/мин 1,2 м/с, что составляет примерно 30%, а

2,2 м/с это примерно 40%), при дальнейшем уве-личении количества добавляемого водорода его эффективность па-

я 600 и 900 об/мин соста-

Рассмотрим влияние водорода на интенсивность протекания процесса сгорания во фронте пламени, для этого косвенно оценим скорость протекания химических реакций окисления по амплитуде

тока проводимости пламени. Из литературных источников известно, что основной вклад в ток проводимости вносят ионы со-держащие атом углерода, соответственно для одного коэффициента избытка воздуха при добавке водорода, вызывающего удельное

ации атомов водорода в смеси. Изменение вели-чины ионного тока показывает увеличение скорости образования ионов содержащих атом углерода во фронте пламени, тем самым показывая изменение скорости химических реакций окисления.

амплитуды сигнала ионного тока пламени на датчике у свечи зажигания, от состава сме-

98

си при различных добавках водорода в СПГ для УИТ-боты n = 600 и 900 об/мин, соответственно УОЗ = 13°, ε = 7.

Рис. 4. Зависимость амплитуды сигнала ионного тока пламени на датчике у свечи зажигания, от состава смеси

при различных добавках водорода в СПГ для УИТ-85, режим работы n = 600 1/мин, УОЗ = 13°,

Рис. 5. Зависимость амплитуды сигнала ионного тока пламени на датчике у свечи зажигания, от состава смеси

при различных добавках водорода в СПГ для УИТ-85, режим работы n = 900 1/мин, УОЗ = 13°,

Из рис. 4 и 5 видно, что добавление водорода приводит к ув

личению амплитуды ионного тока в начальной фазе сгорания, как для бедной, так и для богатой смеси. При этом максимальные значния достигаются при частоте вращения 600 об/мин при

-85, режим ра-ε = 7.

го тока

пламени на датчике у свечи зажигания, от состава смеси при различных добавках водорода в СПГ для 85, режим работы n = 600 1/мин, УОЗ = 13°, ε = 7

Зависимость амплитуды сигнала ионного тока

става смеси при различных добавках водорода в СПГ для

n = 900 1/мин, УОЗ = 13°, ε = 7

Из рис. 4 и 5 видно, что добавление водорода приводит к уве-личению амплитуды ионного тока в начальной фазе сгорания, как

той смеси. При этом максимальные значе-ния достигаются при частоте вращения 600 об/мин при α≈0,9, а при

99

900 об/мин при α≈1, что соотносится с расположением максималь-ных значений средних скоростей распространения пламени в на-чальной фазе сгорания (рис. 2 и 3). Также рассматривая рис. 4 и 5 наблюдается следующая картина, амплитуда ионного тока для доба-вок водорода от 5 до 15%(20%) лежит вблизи одной кривой соответ-ственно. Данный эффект объясняется следующим, что при добавке водорода скорость протекания химических реакций окисления во фронте пламени растет компенсируя уменьшение атомов углерода в смеси из-за увеличения доли атомов водорода в топливе. То есть при добавке водорода меньшее количество атомов углерода быст-рее вовлекаются в процесс окисления во фронте пламени, образуя одинаковую концентрацию ионов углерода в единицу времени.

На рис. 6 представлена зависимость амплитуды сигнала ионно-го тока пламени на датчике, установленном в удаленной части КС, от состава смеси при различных добавках водорода в СПГ для УИТ-85, режим работы n = 900 1/мин, УОЗ = 13°, ε = 7.

Рассматривая амплитуду сигнала ионного тока проводимости в заключительной части процесса сгорания на датчике ионизации рас-положенном радиально на противоположной стороне КС от свечи зажигания (рис. 6 и 7), следует отметить, что добавка водорода в зоне богатых и стехиометрических смесей не вносит заметных изме-нений в значения амплитуды ионного тока. В области бедных смесей наблюдается некоторое повышение амплитуды ионного тока при добавке водорода в СПГ, что характерно и для частоты вращения и 600 и 900 об/мин. Снижение амплитуды ионного тока при обеднении смеси объясняется, во-первых, уменьшением концентрации атомов углерода в смеси, а во-вторых, увеличением продолжительности сгорания, что приводит к снижению температуры и давления в мо-мент достижения пламенем удаленной части КС, где установлен датчик ионизации. Так же если сравнивать значение амплитуды сиг-нала на датчике, установленном в удаленной части КС, при измене-нии частоты вращения с 600 до 900 об/мин, то наблюдаются близкие значения во всем диапазоне состава смеси от α=0,8 до α=1,6. Отсю-да следует сделать вывод, что в заключительной части сгорания роль изменения турбулентности потока вследствие увеличения обо-ротов не существенна и определяется в большем составом смеси. Также сравнивая значения амплитуды сигнала в начале и в конце процесса сгорания, следует отметить снижение амплитуды сигналы в завершающей части процесса сгорания, что может объясняться меньшей интенсивностью протекания химических реакций окисления во фронте пламени вследствие влияния процесса расширения на процесс сгорания.

100

Рис. 6. Зависимость амплитуды сигнала ионного тока пламени на датчике, установленном в удаленной части КС, от состава смеси при различных добавках водорода в СПГ для УИТ-85, режим работы n = 900 1/мин, УОЗ = 13°,

ε = 7

Рис. 7. Зависимость амплитуды сигнала ионного тока пламени на датчике, установленном в удаленной части КС, от состава смеси при различных добавках водорода в

СПГ для УИТ-85, режим работы n = 600 1/мин, УОЗ = 13°,ε = 7

В тоже время при рассмотрении влияния частоты вращения на

амплитуду сигнала на датчике расположенном вблизи свечи зажигния (рис. 5 и 6) наблюдается увеличение амплитуды ионного тока, что особенно заметно в диапазоне от α≈0,9-1,1, где прирост ампл


пламени на датчике, установленном в удаленной части КС, от состава смеси при различных добавках водорода в

n = 900 1/мин, УОЗ = 13°,


пламени на датчике, установленном в удаленной части КС, от состава смеси при различных добавках водорода в

0 1/мин,

В тоже время при рассмотрении влияния частоты вращения на амплитуду сигнала на датчике расположенном вблизи свечи зажига-

5 и 6) наблюдается увеличение амплитуды ионного тока, , где прирост ампли-

101

туды составил 100-110 мкА для СПГ и 110-120 мкА для СПГ с добав-кой водорода от 5 до 15% соответственно, что составило около 30% роста амплитуды. Данный рост как для СПГ, так и для СПГ с добав-кой водорода объяснятся увеличением турбулентности с ростом оборотов, и согласно К.И. Щелкину увеличение турбулентности в КС пропорционально росту числа оборотов двигателя, т.е. увеличение частоты вращения с 600 до 900 1/мин привело к увеличению турбу-лентности в КС примерно на 25%, что соответствует росту амплиту-ды сигнала.В то же время для смесей богаче 0,9 и беднее 1,1 увели-чение амплитуды ионного тока в начальной фазе сгорания произош-ло значительно меньше и составило около 10%, следовательно, ухудшение условий горения, вследствие ухода из зоны максималь-ной скорости распространения пламени по составу смеси приводит к меньшему влиянию турбулентности на скорость протекания химиче-ских реакций окисления во фронте пламени. Тем самым показывает-ся, что наиболее эффективный способ расширить эффективные гра-ницы устойчивого горения и работы двигателя является применение активирующих процесс окисления добавок в топливо, наиболее пер-спективной в настоящее время является добавка водорода.

Выводы Проведённые исследования позволяют расширить понимание

влияния добавки водорода в СПГ на интенсивность протекания про-цесса сгорания во фронте пламени. Полученные результаты могут быть использованы для моделирования процесса сгорания при раз-работке новых способов организации рабочего процесса ДВС, при работе на альтернативном топливе СПГ с добавкой водорода.

Данная работа выполнена в рамках реализации ФЦП «Науч-

ные и педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы, ГК №П1322 от 09.06.2010 г.



СКОРОСТЬ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ПЛАМЕНИ В ДВИГАТЕЛЕ ВАЗ-2111 ПРИ ДОБАВКЕ ВОДОРОДА В

БЕНЗОВОЗДУШНУЮ СМЕСЬ

Тольяттинский государственный университет г. Тольятти, Россия

Современное состояние экологии и исчерпаемость природных

ресурсов требует новых подходов к проектированию и созданию со-временных энергоэффективных и низкотоксичных автомобильных

102

двигателей. В настоящее время, наметились два основных направ-ления в данном вопросе: первый – это конструкторский подход по улучшению условий сгорания топлива – создание гибридных сило-вых установок и осуществление непосредственного впрыска топли-ва, который значительно удорожает и усложняет производимую про-дукцию, и второй – это применение активирующих добавок в основ-ное топливо.

Оценивая основные направления исследований проводимых ведущими мировыми автопроизводителями можно сделать вывод, что новым альтернативным видом топлива для транспортных средств, в ближайшее время, станет добавка водорода к основному углеводородному топливу. Данный подход объясняется возможно-стью получения необходимого количества водорода непосредствен-но на борту автомобиля питаемым от генератора электролизером воды. При этом, достигается значительная экономия углеводород-ных ресурсов, а также, снижении выбросов парникового газа СО2, т.к. при сгорании водорода образуется вода, которая возвращается об-ратно в биосферу [1].

Перспективность использования водорода в автомобильном транспорте связана, главным образом, с экологической чистотой и высокими моторными свойствами. Использование водорода позво-лит, также, устранить один из основных недостатков автомобильных двигателей – резкое снижение КПД с 30 до 10% на частичных нагруз-ках в условиях городской эксплуатации.

Исследования, проводимые в Тольяттинском государственном университете [2, 3], показали, что добавка водорода к основному углеводородному топливу бензину вносит свои особенности в про-цесс сгорания: значительно расширяет пределы устойчивого горе-ния, интенсифицирует процесс сгорания, уменьшает задержку вос-пламенения (первую фазу), увеличивает скорость распространения пламени. Особенно сильно проявляется добавка водорода на пере-ходных режимах и при обеднении смеси.

В настоящее время, несмотря на все достоинства применения водорода, не определены концентрации газообразного водорода в основном топливе, позволяющие обеспечить сохранение и повыше-ние литровой мощности двигателя.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ Испытания проводились в моторном боксе кафедры «Энерге-

тические машины и системы управления» Тольяттинского государст-венного университета, оборудованном в соответствии с ГОСТ 14846-81. Подача водорода в двигатель производилась через впускной коллектор. Исследования поводились на двигателе ВАЗ-2111 обору-дованном проставкой (рис.1) с установленными в неё ионизацион-ными датчиками и датчиком давления, рабочим объемом Vh = 1.5 л., степенью сжатия ε = 7.5.

Расход бензина двигателем определялся по показаниям кон-троллера двигателя с применением программного обеспечения об-

работки данных «MSNEW» и с учетом поправки, определенной при тарировке форсунок объемным методом по ГОСТ 8.207-76 «Прямые измерения с многократными наблюдениями. Методы обработки рзультатов наблюдений».

Расход воздуха определялся расходомером «ИРГА», ненного с впускным трубопроводом посредством гасящей колебания емкостью объёмом 300 литров.

Рис. 1. Пластина для измерения скорости распространения пламени в двигателе ВАЗ 2111, толщиной 4мм с местами у

тановки датчиков ионизации. На рис. 2 представлена принципиальная схема моторного бо

са. РЕЗУЛЬТАТЫ ИСПЫТАНИЙ И ИХ АНАЛИЗ Оценка влияния добавки водорода на процесс сгорания

на и экономические показатели двигателя определялся на трех раличных расходах водорода: 0, 0,2 кг/ч, 0,3 кг/ч.

При этом производилось снятие регулировочных характеристик ДВС по составу смеси, изменение которого осуществлялось в диапзоне коэффициентов избытка воздуха от 0,7 до 1,3. Частота вращния коленчатого вала поддерживалась постоянной и равнялась 880

. Угол опережения зажигания выбирался оптимальным по мнимальному расходу бензина.

Полученные в результате эксперимента регулировочные харатеристики представлены на рис. 3.

103

» и с учетом поправки, определенной при 76 «Прямые

измерения с многократными наблюдениями. Методы обработки ре-

Расход воздуха определялся расходомером «ИРГА», соеди-ного с впускным трубопроводом посредством гасящей колебания

Рис. 1. Пластина для измерения скорости распространения пламени в двигателе ВАЗ 2111, толщиной 4мм с местами ус-

На рис. 2 представлена принципиальная схема моторного бок-

авки водорода на процесс сгорания бензи-и экономические показатели двигателя определялся на трех раз-

При этом производилось снятие регулировочных характеристик ествлялось в диапа-

. Частота враще-ния коленчатого вала поддерживалась постоянной и равнялась 880

. Угол опережения зажигания выбирался оптимальным по ми-

те эксперимента регулировочные харак-

104

Н2 – водородный баллон, Бензин – бензобак; М1, М2 метры соответственно высокого и низкого давления; БФ форсунок; БУ – блок управления БФ; Р1 – датчик расхода то

лива; Насос – безонасос, ГТ – гидравлический тормоз.Рис. 2. Принципиальная схема бокса

Рис. 3. Регулировочная характеристика по составу смеси, n=880 , УОЗ=опт

Из рис. 3 видно, что добавка водорода существенно сокращ

ется расход бензина при всех составах ТВС. Частично это связано с увеличением концентрации и снижением концентрации бензина в

бензобак; М1, М2 - мано-

метры соответственно высокого и низкого давления; БФ - блок датчик расхода топ-

гидравлический тормоз.

. Регулировочная характеристика по составу смеси,

что добавка водорода существенно сокраща-ах ТВС. Частично это связано с

и снижением концентрации бензина в

ТВС. Однако, при расходе добавке =0,02 кг/ч, что соответствует примерно 10% по массе, снижение расхода составило в среднем 20% на богатых смесях и 37% на бедных. Это говорит о том, что нличие добавки водорода приводит к изменению физико-химических процессов, происходящих при сгорании ТВС. При этом характер крвых остается неизменным. Происходит резкое сокращение бензина до α=0,9, после чего снижение является незначительным.

Рассмотрим изменение средней скорости распространения пламени в зависимости от коэффициента избытка воздуха. На рис. 4 представлена зависимость изменения средней скорости распрострнения фронта пламени от состава бензовоздушной смеси вле ВАЗ-2111 оборудованного переходной пластиной для измерения скорости сгорания.

Рис. 4. Средняя скорость распространения фронта пламени бензвоздушной смеси от свечи зажигания, до первого электрода установленного в 15 мм под свечей зажигания (рис. 1) и до второго электрода V2 установленного у выпускного клапана, 45 мм от свечи зажигания; для двигателя ВАЗ-2111 со степенью сжатия 7,5, обордованного переходной пластиной для измерения скорости сгорания.

Из рис. 4 видно, что средняя скорость распространения фронта

пламени выше на участке от свечи зажигания до второго электрода V2 установленного у выпускного клапана (45 мм от свечи зажиганияэто объясняется большим вкладом скорости распространения зажгания во второй фазе сгорания, т.к. как показали исследования врмя прихода сигнала на электрод у выпускного клапана соответствует либо времени Pz или после Pz, что говорит о том, что пламя достгает второго электрода в завершающей стадии сгорания. В тоже время в среднюю скорость распространения фронта пламени, на

105

=0,02 кг/ч, что соответствует примерно 10% по массе, снижение расхода составило в среднем

а бедных. Это говорит о том, что на-химических

процессов, происходящих при сгорании ТВС. При этом характер кри-вых остается неизменным. Происходит резкое сокращение бензина

Рассмотрим изменение средней скорости распространения пламени в зависимости от коэффициента избытка воздуха. На рис. 4 представлена зависимость изменения средней скорости распростра-нения фронта пламени от состава бензовоздушной смеси в двигате-

2111 оборудованного переходной пластиной для измерения

Средняя скорость распространения фронта пламени бензо-

воздушной смеси от свечи зажигания, до первого электрода – V1 ия (рис. 1) и до второго

установленного у выпускного клапана, 45 мм от свечи 2111 со степенью сжатия 7,5, обору-

дованного переходной пластиной для измерения скорости сгорания.

распространения фронта зажигания до второго электрода

45 мм от свечи зажигания), это объясняется большим вкладом скорости распространения зажи-

оказали исследования вре-мя прихода сигнала на электрод у выпускного клапана соответствует

, что говорит о том, что пламя дости-гает второго электрода в завершающей стадии сгорания. В тоже

фронта пламени, на

106

участке от свечи зажигания до 1 датчика расположенного под ней в 15 мм, вносит основной вклад время развития устойчивого очага горения, анализ которого будет проведен в следующих публикациях.

Рис. 5. Средняя скорость распространения фронта пламени бензвоздушной смеси с добавкой 4%(0,02 кг/час) водорода от свечи зажгания, до первого электрода – V1 установленного в 15 мм под свечей зажигания (рис. 1) и до второго электрода V2 установленного у выпскного клапана, 45 мм от свечи зажигания; для двигателя ВАЗсо степенью сжатия 7,5, оборудованного переходной пластиной для

измерения скорости сгорания.

Из рис. 5 и 4 видно, что добавка ≈ 4% водорода не приводит в существенному повышению средней скорости распространения фронта пламени как в бедных, так и богатых смесях.

Рассматривая результаты, приведенные на рис. 6, можно отмтить, что по сравнению с результатами, представленными на рис. 4 и 5, при добавке ≈6%(0,03 кг/час) водорода происходит увеличение средней скорости распространения пламени во всей области соствов смеси в которой проходили эксперименты. Также следует отмтить, что на режиме холостого хода, при сильно забалластированных отработавшими газами топливных смесях, добавка водорода смщает максимум по скорости распространения пламени в область стехиометрического состава смеси, что позволяет говорить об актвирующей способности водорода и возможности реализации режима холостого хода при большей эффективности процесса сгорания.

участке от свечи зажигания до 1 датчика расположенного под ней в 15 мм, вносит основной вклад время развития устойчивого очага горения, анализ которого будет проведен в следующих публикациях.

фронта пламени бензо-

воздушной смеси с добавкой 4%(0,02 кг/час) водорода от свечи зажи-установленного в 15 мм под свечей

установленного у выпу-ия; для двигателя ВАЗ-2111

со степенью сжатия 7,5, оборудованного переходной пластиной для

водорода не приводит в существенному повышению средней скорости распространения

Рассматривая результаты, приведенные на рис. 6, можно отме-тить, что по сравнению с результатами, представленными на рис. 4 и

кг/час) водорода происходит увеличение ламени во всей области соста-

вов смеси в которой проходили эксперименты. Также следует отме-тить, что на режиме холостого хода, при сильно забалластированных отработавшими газами топливных смесях, добавка водорода сме-

пламени в область стехиометрического состава смеси, что позволяет говорить об акти-вирующей способности водорода и возможности реализации режима холостого хода при большей эффективности процесса сгорания.

Рис. 6. Средняя скорость распространения фронта пламени бензвоздушной смеси с добавкой 6%(0,03 кг/час) водорода от свечи зажгания, до первого электрода – V1 установленного в 15 мм под свечей зажигания (рис. 1) и до второго электрода V2 установленного у выпскного клапана, 45 мм от свечи зажигания; для двигателя ВАЗсо степенью сжатия 7.5, оборудованного переходной пластиной для


Рис. 7. Средняя скорость распространения фронта пламени бензвоздушной смеси с добавкой 6%(0,03 кг/час) водорода от свечи зажгания, до первого электрода – V1 установленного в 15 мм под свечей зажигания (рис. 1) и до второго электрода V2 установленного у выпскного клапана, 45 мм от свечи зажигания; для двигателя ВАЗсо степенью сжатия 7.5, оборудованного переходной пластиной для


107

пламени бензо-


установленного у выпу-я двигателя ВАЗ-2111

со степенью сжатия 7.5, оборудованного переходной пластиной для

Средняя скорость распространения фронта пламени бензо-


установленного у выпу-скного клапана, 45 мм от свечи зажигания; для двигателя ВАЗ-2111 со степенью сжатия 7.5, оборудованного переходной пластиной для

108

В ходе проведения экспериментов помимо датчиков ионизации в камере сгорания был также размещен датчик давления ДМВГ. На рис. 7 представлены результаты исследования добавки водорода на время от подачи искры до времени соответствующему максималь-ному давлению в камере сгорания. Так из рисунка видно, что добав-ка водорода в размере 4-6% не внесла на режиме холостого хода существенного влияние на время достижение максимальных значе-ний по давлению, что частично можно объяснить тем, что угол опе-режения зажигания при добавке водорода варьировался от 39 до 42 град. ПКВ, а при работе на бензине без добавки водорода угол варь-ировался от 33до 35 град. ПКВ. Тем самым незначительное влияние водорода на средние скорости распространения пламени и время достижения максимального давления, может объясняться тем, что сгорание на бензине происходило при большем начальном давле-нии, соответственно. В тоже время, если рассмотреть графики изме-нения скорости распространения пламени при добавке 4 и 6% водо-рода то отмечается некоторое увеличение скорости распростране-ния пламени, что отражается в некотором уменьшении времени дос-тижения максимального давления в камере сгорания, показывающе-го сокращение продолжительности всего процесса сгорания.

ВЫВОДЫ Проведённые исследования позволяют расширить понимание

влияния добавки водорода в бензиновые двигатели на интенсив-ность протекания процесса сгорания в цилиндре двигателя при ра-боте на режиме холостого хода.

Проведенные исследования показали, что добавка водорода снижает расход топлива, что достигается за счет повышения ста-бильности протекания процесса сгорания на режиме ХХ, а также по-вышением средней скорости распространения фронта пламени при одинаковых условиях сгорания.

Полученные результаты могут быть использованы для модели-рования процесса сгорания при разработке новых способов органи-зации рабочего процесса ДВС, при работе на альтернативном топ-ливе бензине с добавкой водорода.

Данная работа выполнена в рамках реализации ФЦП "Научные

и педагогические кадры инновационной России" на 2009-2013 годы, ГК №П907 от 26.05.2010 г.


109

А.В. Усов, Н.Н. Воробьева

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ГАЗИРОВАНИЯ МОРОЖЕНОГО НА МИКРОФЛОРУ ПРИ

ХОЛОДИЛЬНОМ ХРАНЕНИИ

Кемеровский технологический институт пищевой промышленности

г. Кемерово, Россия

Появление на российском рынке разнообразных видов мороже-ного ставит задачу многостороннего изучения их свойств. Была раз-работана технологическая схема производства газированного низко-калорийного мороженого [1, с. 16].

Целью данной работы являлось исследование влияния газиро-вания мороженого на изменение микробиологических показателей при низкотемпературном хранении.

Объектом исследования служили шесть образцов мороженого «Зеленый чай», пять из которых были разморожены до жидкого со-стояния (температуры + 4 0С) и загазированы углекислым газом. Га-зирование мороженого производилось в течении 5 минут. Первый образец не размораживался и принят в качестве контрольного. По-сле газирования пять образцов были помещены в морозильную ка-меру с температурой минус 35,8 0С на 30 минут. После заморажива-ния 2 образца (один из которых контрольный негазированный, а дру-гой газированный) были взяты на исследование, а остальные образ-цы помещены на хранение при температуре минус 18 0С. Темпера-тура мороженого закладываемого на хранение должна быть возмож-но более низкая, что в большей степени способствует сохранению исходной структуры. В соответствии с технической документацией на закаленное мороженое температура воздуха в камере хранения со-ставляет минус 18 – минус 20 0С. Допустимые сроки хранения моро-женого основных видов приведены в табл. 1.

Таблица 1

Допустимые сроки хранения мороженого основных видов, мес.

Мороженое

На молочной основе Из плодов и ягод, фасован-ное

весовое фасованное Без напол-нителя

С наполни-телем

Без наполни-теля

С напол-нителем

1. Молочное 1,0 1,0 1,5 1,0 - 2. Сливочное 2,0 1,5 2,0 1,5 - 3. Пломбир 3,0 2,0 2,0 2,0 - 4. Плодово-ягодное - - - - 1,5

В процессе холодильного хранения образцы мороженого брали

на исследования через 15, 30, 45 и 60 суток. Перечень контролируе-

110

мых микробиологических показателей определялся по обязательным показателям безопасности, предусмотренным СанПиН 2.3.2.1078-01 «Гигиенические требования безопасности и пищевой ценности пи-щевых продуктов». Определение количества мезофильных аэробных и факультативно-анаэробных микроорганизмов КМАФАнМ, в КОЕ/г и бактерии группы кишечной палочки БГКП производили в соответст-вии с ГОСТ 9225-84 в Кемеровской межобластной ветеринарной ла-боратории.

Результаты экспериментов приведены в табл. 2.

Таблица 2 Изменение микробиологических показателей мороженого

Сроки хранения КМАФАнМ, КОЕ/г БГКП в 0,01 г Норма Фактически Норма Фактически

Контроль – негази-рованное мороже-ное

1,0х105 менее 1,0х102

не допус-кается

не обна-ружено

Газированное мо-роженое, 0 суток 1,0х105 менее

1,0х102 не допус-кается














Установлено, что добавление углекислоты в фруктовое моро-

женое не влияет на микробиологические показатели (КМАФАнМ и БГКП) при холодильном хранении.

По норме содержание мезофильных аэробных и факультатив-но-анаэробных микроорганизмов КМАФАнМ, в КОЕ/г не должно пре-вышать 1,0х105, фактически во всех образцах было менее 1,0х102, бактерии группы кишечной палочки не было обнаружено.

Микробиологические показатели качества является основой безопасности всех пищевых продуктов. Только соответствие качест-ва микробиологическим нормативам гарантирует безопасность мо-роженого для потребителей и определяет степень стабильности продукта при хранении.


1. Усов А. В, Лифенцева Л. В., Воробьева Н. Н. Разработка ли-

нии производства газированного мороженого // Пищевая промыш-ленности. – 2009. – № 8. – С. 16.

111

В.А. Фрилинг, А.В. Морозов, Н.Н. Горев

ИССЛЕДОВАНИЕ КАЧЕСТВА НАНЕСЕНИЯ АНТИФРИКЦИОННОГО ПОКРЫТИЯ НА ПОВЕРХНОСТЬ ОТВЕРСТИЯ ДЕТАЛЕЙ ГЛАДКИХ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ

СОПРЯЖЕНИЙ

Ульяновская государственная сельскохозяйственная академия им. П.А.Столыпина

г. Ульяновск, Россия

По результатам исследований [1,2,3] установлено, что трибо-технические материалы на основе меди получили широкое распро-странение в связи с их высокими антифрикционными свойствами, коррозионной стойкостью, теплоэлектропроводностью. Трибологиче-ские свойства и физико-механические характеристики поверхностей трения с покрытиями в значительной степени определяются качест-вом покрытия.

К параметрам качества относится толщина покрытия и равно-мерность распределения по поверхности обрабатываемого мате-риала.

В данной работе исследуется качество нанесения на поверх-ность отверстия детали гладких цилиндрических соединений покры-тия методом ФАБО при помощи фетровых притиров и технологиче-ской жидкости, содержащей соли меди.

Для исследования изготавливались втулки из стали 45 с диа-метром отверстия 25 мм.

Перед нанесением покрытия поверхность отверстия предвари-тельно обезжиривали и покрывали смесью, состоящей из двух час-тей глицерина и одной части 10%-ного раствора соляной кислоты.

Это необходимо для разрыхления окисной пленки на поверхно-сти стального образца в процессе трения, тем самым поверхность медного сплава пластифицируется и создаются условия для его схватывания со сталью.

Для выполнения микрорентгеноспектрального анализа из обра-ботанной втулки вырезался сегмент (рис. 1).

Электронно-микроскопические изображение исследуемого по-крытия были получены с помощью сканирующего электронного мик-роскопа XL30 ESEM-TMP производства американской фирмы FEI/Philips Electron Optics (рис. 2).

Микрорентгеноспектральный анализ проводился с помощью спектрометра волновой дисперсии (INCA Wave 700) производства британской фирмы Oxford Instruments установленного на данном сканирующем электронном микроскопе.

112

Рис. 1. Исследуемые образцы

Рис. 2. Внешний вид сканирующего электронного микроскопа Philips XL30 ESEM-TMP

Исследования проводились при ускоряющем напряжении 10

При таких условиях глубина проникновения электронов в металл составляет ~1 мкм. Элементы регистрировали по следующим харатеристическим рентгеновским линиям: медь – Lα, железо честве эталонов сравнения для количественного микроанализа (оределения массовой доли элементов в точке) использовались сооветственно для: Cu – чистая медь, Fe – чистое железо. Сила тока зонда не превышала 60 мкА. Результаты всех количественных измрений корректировались с учетом ZAF коррекции и усреднялись по нескольким точкам измерения.

Внешний вид сканирующего электронного

проводились при ускоряющем напряжении 10 кВ. При таких условиях глубина проникновения электронов в металл

мкм. Элементы регистрировали по следующим харак-, железо – Lα. В ка-

я для количественного микроанализа (оп-ределения массовой доли элементов в точке) использовались соот-

чистое железо. Сила тока зонда не превышала 60 мкА. Результаты всех количественных изме-

коррекции и усреднялись по

На поперечной поверхности отшлифованного и отполированнго образца было получено электронно-микроскопическое изображние с различным увеличением(рис. 3а) и картараспределения элментов (рис. 3б). На карте более светлый цвет соответствует болшей массовой доле химического элемента.

Из распределений элементов следует, что медь распределлась на поверхности отверстия в виде тонкого слоя. Неравноменость на поперечном шлифе может быть вызвана как нерным нанесением меди, так и подготовкой поперечного шлифа (кравой эффект) – часть покрытия могло осыпаться при шлифовке.

Количественный анализ показал содержание железа в матрице около 98,5% а меди < 0,1%, содержание железа в поверхностном слое < 1% меди около 99%. В отдельных местах в покрытие было обнаружено повышенное содержание кислорода.

а) б) Рис. 3. Микрорентгеноспектральный анализ исследуемого

покрытия а) электронно-микроскопическое изображение б) карта

распределения Cu

Результаты линейного сканирования торцевой поверхности оразца представлены на рис. 4.

Содержание

элемента

, отн

.ед.

Содержание

элемента

, отн

.ед.

Расстояние, мкм Расстояние, мкм

Рис. 4. Линейное распределения Cu и Fe

113

На поперечной поверхности отшлифованного и отполированно-ое изображе-

араспределения эле-более светлый цвет соответствует боль-

распредели-Неравномер-

ность на поперечном шлифе может быть вызвана как неравномер-ным нанесением меди, так и подготовкой поперечного шлифа (крае-

я могло осыпаться при шлифовке. Количественный анализ показал содержание железа в матрице

около 98,5% а меди < 0,1%, содержание железа в поверхностном меди около 99%. В отдельных местах в покрытие было

Рис. 3. Микрорентгеноспектральный анализ исследуемого

зображение б) карта

торцевой поверхности об-

Расстояние, мкм

114

Результаты сканирования показали, что проникновения на большую глубину меди в основной материал не происходит.

Была исследована также область образца со стороны покртия. Результаты представлены на рис.5. На картах более светлый цвет соответствует большей массовой доле химического элемента.

Из выше сказанного можно отметить, что при нанесении покртия на поверхность отверстий гладких цилиндрических отверстий методом ФАБО получаем равномерный медный слой толщиной чуть более 1 мкм, в областях с повышенным содержанием меди (~98%), при практическом отсутствии кислорода и железа (~0,4%). В других точках массовая доля меди (~70%), железо (~9%) и кислород (

e- Cu

O Fe Рис. 5. Электронно-микроскопические изображения (с указанием

области сканирования) и карты распределения О,


1. Киричек А.В. Повышение эффективности упрочняющих тех

логий://Справочник. Инженерный журнал, 2007 №3. - с 15…202. Крагельский И.В., Дабычин М.Н., Комалов В.С. Основы ра

чета на трение и износ. М. Машиностроение, 1977. – 526 с.3. Сулима А.М., Шулов В.А., Ягодкин Ю.Д. Поверхностный слой

и эксплуатационные свойства деталей машин. М.: Машиностроение. 1988. – 240 с.

, что проникновения на большую глубину меди в основной материал не происходит.

Была исследована также область образца со стороны покры-. На картах более светлый

большей массовой доле химического элемента. Из выше сказанного можно отметить, что при нанесении покры-

тия на поверхность отверстий гладких цилиндрических отверстий методом ФАБО получаем равномерный медный слой толщиной чуть

енным содержанием меди (~98%), (~0,4%). В других

точках массовая доля меди (~70%), железо (~9%) и кислород (~21%).

микроскопические изображения (с указанием нирования) и карты распределения О, Cu и Fe

Киричек А.В. Повышение эффективности упрочняющих техн-с 15…20

Крагельский И.В., Дабычин М.Н., Комалов В.С. Основы рас-526 с.

Сулима А.М., Шулов В.А., Ягодкин Ю.Д. Поверхностный слой и эксплуатационные свойства деталей машин. М.: Машиностроение.

115

Т.Н. Хусаинова, А.В. Попова, Ю.В. Титова

ПОЛУЧЕНИЕ НИТРИДА АЛЮМИНИЯ И КОМПОЗИЦИИ НА ЕГО ОСНОВЕ В РЕЖИМЕ СВС-АЗ

Самарский государственный технический университет

г. Самара, Россия

Нитрид алюминия был впервые синтезирован в 1877 году и благодаря его уникальным свойствам, области его практического применения увеличиваются с каждым годом. Практически все тради-ционные методы получения данного нитрида устарели и не оправ-дывают поставленных задач. Поэтому актуальной задачей являлось нахождение нового метода получения нитрида алюминия.

Нами был выбран самораспространяющийся высокотемпера-турный синтез с использованием неорганических азидов (СВС-Аз) в реакторе постоянного давления в отсутствие катализаторов. Сте-хиометрическое уравнение для получения нитрида алюминия выгля-дит следующим образом:

AlF3 + 3NaN3 → AlN + 3NaF + N2↑. (1) Полученные результаты исследования продуктов реакции пока-

зали, что данный метод позволяет получить порошок нитрида алю-миния в виде наноразмерных волокон, что главным образом сказы-вается на физико-химических и механических свойствах конечных продуктов.

Для усовершенствования и повышения характеристик нитрида алюминия, нами была допущена возможность получения композиции нитридов. Для выполнения поставленных задач был выбран нитрид титана, обладающий высокими показателями: температурой плавле-ния, модулем упругости, прочностью, стойкостью к окислению и воз-горанию, огнеупорностью, диэлектрическими и полупроводниковыми свойствами.

Стехиометрические уравнения получения композиции нитрид алюминия – нитрид титана выглядят следующим образом:

Ti + 8Al + 6NaN3 + 2AlF3 = 9AlN + TiN + 6NaF + 4N2↑, (2) 3Ti + 4Al + 2NaN3 + 2NH4F = 4AlN + 3TiN + 2NaF + 0,5N2↑,(3) (3) Для определения возможности протекания представленных

процессов, был проведен термодинамический расчет, показавший, что эти химические реакции взаимодействия являются экзатермич-ными. Ожидаемыми продуктами синтеза являются нитриды титана и алюминия, водород, а так же фторид натрия, удаление которого возможно с помощью промывки дистиллированной водой.

116

Конечные продукты синтеза исследовались с помощью растрвого электронного микроскопа JSM-6390 и порошкового рентгенофзового дифрактометра ARLX’trA-138. Целевой продукт представляет собой композицию нитрид алюминия – нитрид титана (см. рисунки 1, 2), что согласуется с данными термодинамических расчетов. Присуствующий на рентгенограммах гексафторалюминат натрия содежится в небольшом количестве (менее 3 %) и удаляется путем пвторной промывки.

Рис. 1. Результаты рентгенофазового анализа конечных продуктов, синтезированных из системы (Ti- 8Al- 6NaN3 - 2

Рис. 2. Результаты рентгенофазового анализа конечных продуктов, синтезированных из системы

(3Ti - 4Al - 2NaN3 - 2NH4F) Результаты исследования показали, что метод СВС

ляет синтезировать нитрид алюминия и композицию нитрид титана нитрид алюминия высокого качества.


Конечные продукты синтеза исследовались с помощью растро-6390 и порошкового рентгенофа-

138. Целевой продукт представляет нитрид титана (см. рисунки 1,

2), что согласуется с данными термодинамических расчетов. Присут-аммах гексафторалюминат натрия содер-

жится в небольшом количестве (менее 3 %) и удаляется путем по-

Результаты рентгенофазового анализа конечных продуктов, 2AlF3)

ентгенофазового анализа конечных

продуктов, синтезированных из системы

Результаты исследования показали, что метод СВС-Аз позво-ляет синтезировать нитрид алюминия и композицию нитрид титана –

117

С.В. Шапиро, Т.А. Калева

ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС ПОСТАДИЙНОЙ ОЗОННО-УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ДЕЗИНФЕКЦИИ

ОБОРОТНОЙ ВОДЫ В ПОЛИГРАФИИ

Уфимская государственная академия экономики и сервиса г. Уфа, Россия

В процессе офсетной печати оборотная вода с течением вре-

мени загрязняется краской, бумажной пылью, противоотмарываю-щим порошком и смывочными веществами. Кроме того, при неблаго-приятных условиях в системе могут появиться бактерии, грибки и водоросли, которые негативно влияют на качество печати и состоя-ние машины [1].

Наилучшим способом экологически чистой дезинфекции воды в данном случае является озонно-ультразвуковой способ, при котором озон окисляет органические и неорганические соединения, а ультра-звук удаляет оставшиеся взвеси.

В научно-исследовательской лаборатории кафедры физики УГАЭС разработан электротехнический комплекс постадийной озон-но-ультразвуковой дезинфекции оборотной воды в полиграфии (рис.1,а). Главным его элементом является комбинированный струн-ный генератор озона и ультразвука (далее озонно-ультразвуковой генератор – ОУГ), представленный на рис. 1,б.

Система комбинированной озонно-ультразвуковой очистки обо-ротной воды (рис.1,а), включает в себя компрессор 1, двигатель ко-торого включается электромагнитным реле 2; охладитель 3, пред-ставляющий собой «змеевик», охлаждаемый водой, которая подает-ся через электромагнитный клапан 4 и сливается через электромаг-нитный клапан 5; силикагелевый осушитель 6, соединенный с помо-щью электромагнитного клапана 7 с ОУГ8, полярность электродов которого меняется с помощью переключающего электромагнитного реле 9, а его источником питания служит преобразователь частоты 10, включаемый электромагнитным реле 11; барботажную камеру 12, подача загрязненной жидкости в которую регулируется распреде-ляющим электромагнитным клапаном 13, а подача озона осуществ-ляется через шланг 14.

Интервалы очистки оборотной воды озоном и ультразвуком от-личаются положением электромагнитных реле 2 и 9 и электромаг-нитных клапанов 4, 5, 7,13.

118

а

б Рис. 1. Электротехнический комплекс озонно

ультразвуковой дезинфекции оборотной воды (а) и комбинированный струнный генератор озона и

ультразвука (ОУГ) (б)

Комбинированный струнный генератор озона и ультразвука (далее озонно-ультразвуковой генератор – ОУГ), предстрис.1,б, состоит из диэлектрическогоцилиндра 15, изготовленнкерамики, вставленного в цилиндрическое отверстие металлического параллелепипеда 16, играющего роль наружного электрода. Во внутренней области диэлектрического цилиндра 15активная зона 17 и металлические струны 18, играющие роль внуренних электродов.

ОУГ осуществляет генерирование озона и ультразвука поочредно, в соответствии с требованиями технологии очистки оборотной воды. Основной режим работы – генерация ультразвука, а генерация озона осуществляется раз в несколько часов.

В режиме генерации озона при подаче на электроды высокого переменного напряжения частотой f1 не менее 10 кГц между внуренними струнными электродами 18 и наружным электродом (рис.1,б) образуется неравномерное электрическое поле, наиболшая напряженность которого находится у внутренних струнных элетродов 18. В активной зоне 3 возникает бегущий барьерный ра

лектротехнический комплекс озонно-

ультразвуковой дезинфекции оборотной воды (а) и комбинированный струнный генератор озона и

Комбинированный струнный генератор озона и ультразвука ОУГ), представленный на

, изготовленного из в цилиндрическое отверстие металлического

, играющего роль наружного электрода. Во 5 расположена

, играющие роль внут-

ОУГ осуществляет генерирование озона и ультразвука пооче-редно, в соответствии с требованиями технологии очистки оборотной

развука, а генерация

ри подаче на электроды высокого не менее 10 кГц между внут-и наружным электродом 16

зуется неравномерное электрическое поле, наиболь-шая напряженность которого находится у внутренних струнных элек-

. В активной зоне 3 возникает бегущий барьерный раз-

119

ряд[2], действие которого на кислородсодержащий газ приводит к появлению атомарного кислорода и затем озона.

В режиме генерации ультразвука,также при подаче высокого переменного напряжения частотой f1 не менее 10 кГц между внут-ренними струнными электродами 18 и наружным электродом 16, первые начинают притягиваться ко второму, вызывая в активной зоне 3 мощные ультразвуковые колебания, подвергающие обработке протекающую непосредственно через эту камеру жидкость. Обработ-ка происходит вследствие кавитации[3], т.е. появления и мгновенно-го «схлопывания» пузырьков.

Рассмотрим поочередно процессы генерации ультразвука и озона.

На рис. 2 изображена в условной системе координат {x,y}деформированная струна, предварительно натянутая усили-емТ[Н]. Ось х направлена вдоль оси ОУГ. Усилие Tдействует на пра-вый и левый торец участка dxпо касательной к кривой струны: слева под углом φ к оси x, а справа – под углом φ1. Cтепень деформации струны на рис.2 гипертрофирована, на самом деле углы φ и φ1 не более чем π/20=9о. Для таких углов sinφ ≈ tgφ ≈ φ.

Для участка dx:

2 2

2 2эл

uF dy T y ykl dt s t t

∂ ∂− − =

γ ⋅ ∂ ∂

где элF - сила электрического поля; uk - коэффициент излучения, который в общем случае зависит от частоты колебания струны; T – усилие, с которым натянута струна; γ - плотность материала струны [кг/м3], s - площадь поперечного сечения струны [м2].

Поскольку действующая на струну сила элF представляет собой периодическую функцию, струна начинает колебаться с той же час-тотой. Колебание струны представляет собой стоячую волну, кото-рая укладывается вдоль длины l целое число раз – n, если частота f – резонансная.

( )120 5 0 5

2m a m a m

cosklsin kl, Y z , Y z fk k

−⋅ ⋅ + ⋅ ⋅ = ⋅

где Ym - амплитуда n-ой пространственной гармоники струны; za – акустическое сопротивление; k – волновое число.

120

Рис. 2. Деформированная акустическим колебанием

струна

Из этой формулы следует, что произведение kl равняется:

2 1kl ( n )= + π . Например, если учесть, что предел прочности высоколегиро-

ванных сталей составляет 109 Па, а ее плотность 7,5∙106 кг/м3, то при длине струны в 25 см резонансная частота в 10 кГц наступает при n=450.

Колеблющиеся в радиальном направлении струнные электро-ды 18 вызывают в активной зоне возникновение акустических волн, расходящихся в радиальном направлении и на определенном уда-лении от электродов сливающиеся в круговые волны. В первом при-ближении можно смоделировать картину распространения акустиче-ских волн как вызванную пульсирующей в радиальном направлении цилиндрической поверхностью (рис. 3) – радиусомR.

Волновое уравнение в данном случае имеет следующий вид:

2 2

2 22ykz zRht R

∂ ∂ρ⋅ = − ⋅

π∂ ∂.

Тогда:

2 2y yk k kzp cos(kR t)Rh R Rh

⋅∂= − ⋅ = − − ω

π ∂ π.

т.е. давление, создаваемое пульсирующей цилиндрической поверх-ностью обратно пропорционально радиусу этой поверхности.

T Fx

φ

φ dFтр

dFT

Fx1

y1

y

dx x1 x x

y

121

Рис. 3. Модель пульсирующей цилиндрической

поверхности

Для расчета давления акустического поля применяется метод зеркальных отображений [4].

Найдем расстояние до зеркально отображенных струн - 3R (рис.4,а). Оно будет определяться выражением:

2

1 2 1 2 13

3 1 3 1 2

R R R R Ra A Rb B R R R R R

− += ⇒ = ⇒ =

− +.

Теперь рассмотрим произвольную точку на цилиндрической по-

верхности (рис. 4,б). Давление, которое создает в ней одна из шести струн равно геометрической сумме проекций давления на оси абс-цисс и ординат:

2 2

m mx myp p p= + .

При расчете давления в точке учитываем также зеркально ото-

браженные струны:

1

N

m mn

P (p p )=

′= +∑ ,

где P - суммарное давление от N струн в точке, mp и mp′ - давления, создаваемые реальными струнами внутри активной зоны и зеркаль-но отображенными струнами.

p

122

а б Рис. 4. Геометрическое место зеркально отображенной

струны (а) и давление, создаваемое струной в произвольной точке (б)

Общее давление в точке равно сумме давлений, создаваемых

каждой из N струн:

2

2 2

2 2

13

2 2

3 3

2

2 2

2 2

2 2

Ny

mxn

nx R cosN

n nx R cos y R sink k N N

ph nx R cos

Nn nx R cos y R sin

N N

=

π − −

π π − + − ⋅ = ⋅π π −

− π π − + −

∑

2

2 2

2 2

13

2 2

3 3

2

2 2

2 2

2 2

Ny

myn

ny R cosN

n nx R cos y R sink k N N

ph ny R cos

Nn nx R cos y R sin

N N

=

π − −

π π − + − ⋅ = ⋅π π −

− π π − + −

∑

Данные формулы позволяют получить картину акустического

поля с помощью программного продукта Maple 10 (рис.5).Данная картина показывает, что обработка воды ультразвук

вой кавитацией во внутренней полости ОУГ в значительной степени равномерна.

Процесс генерации озона описан подробно в статье С.В. Шапро и С.А. Дунаева «Высокочастотные озонаторы для очистки сточных вод» [5].

кое место зеркально отображенной струны (а) и давление, создаваемое струной в

Общее давление в точке равно сумме давлений, создаваемых

−

−

Данные формулы позволяют получить картину акустического 10 (рис.5).

Данная картина показывает, что обработка воды ультразвуко-вой кавитацией во внутренней полости ОУГ в значительной степени

генерации озона описан подробно в статье С.В. Шапи-ро и С.А. Дунаева «Высокочастотные озонаторы для очистки сточных

123

Рис. 5. Картина акустического поля ОУГ


1. Очистка воды для офсетной печати// Водоподготовка/ Режим

доступа: http://andeg.com.ua/site/page19282.html 2. Шапиро С. В., Воронов Б. А. - Патент РФ № 2075433 от

15.04.92. 3. Ultrasonic Cleaning: Fundamental Theory and Application//

Cleaning Technologies Group/ Режимдоступа: http://www.ctgclean.com/technology-library/articles/ultrasonic-cleaning-fundamental-theory-and-application/

4. Бессонов Л.А. Теоретические основы электротехники. – М.: Высшая школа, 1967. – 756 с.

5. Шапиро С.В., Дунаев С.А. Высокочастотные озонаторы для очистки сточных вод. – Уфа, 1999. – С. 187

Связь с авторами: [email protected], [email protected]

Раймондас Шнюолис, Агне Стулпинайте, Томас Куницкис

ИССЛЕДОВАНИЕЕ ЗВУКОИЗОЛИРУЮЩИХ

МАТЕРИАЛЛОВ ДЛЯ ОГРАЖДАЮЩИХ КОНСТРУКЦИЙ ЖИЛЫХ ЗДАНИЙ

Шяуляйский университет

г. Шяуляй, Литва

Шум (транспортный, производственный, бытовой и др.) дейст-вует на нас каждый день. При проектировании и реконструкции су-

124

ществующих зданий, большое внимание уделяется теплоизоляции, эффективным отопительным системам и т.д. В решении проблем звуковой изоляции необходимо обеспечить акустический комфорт, который часто является недостаточным. При выборе нового жилья, лишь некоторые будущие владельцы заинтересованы и заботятся о звукоизоляции. Исследования в Германии показали, что из 16 крите-рий при выборе нового жилья, звукоизоляция была лишь на 11-ом месте и этим интересовались около 5% будущих владельцев. Одна-ко после того, когда начали жить, более чем 40% опрошенных жало-вались на плохую или недостаточную звукоизоляцию. Аналогичные исследования, проведенные в других странах, показывают, что эта проблема является особенно важной, поэтому ещё в стадии разра-ботки необходимо подобрать пригодные ограждающие конструкции, соответствующие приемлемому классу условий акустического ком-форта [1].

В статье рассматриваются звукоизолирующие свойства внут-ренних ограждающих конструкций жилых зданий (см. рис. 1) и взаим-ные комбинации изолирующих материалов для решения акустиче-ских проблем.

Для оценки качества защиты зданий от шума, предусмотренна система из пяти классов: A, Б, Ц, Д и Е (см. табл. 2). Для определе-ния этих классов используется изолирующие показатели воздушного шума (определяет возможность внутренних ограждений ослабить воздушный шум из одних помещений или снаружи в другие) [2, 3, 4].

Для измерения звукоизоляции ограждающих конструкций было использовано оборудование возбуждения звукового поля и шумомер SVAN 949 1-го класса точности (см. рис. 2).

Натурные измерения звукоизоляции ограждающих конструкций были проведены в третьоктавных полосах частот от 50 Гц до 5000 Гц. Источниками звука были использованы громкоговорители, одно-временно действущие на поверхности двенадцатистенного корпуса, фазы которых были согласованы так, чтобы характеристика источни-ка излучения была равномерной и по всем направлениям. Места установки громкоговорителей подобраны так, чтобы создать как можно большее диффузионное звуковое поле, которое регистри-ровалось шумомером в помещении с источником звука. Рекомен-дуемое число громкоговорителей и микрофонов в звуковысилающем и звукопринимающем помещениях указано в литературе [5].

Результаты измерений представленны в таб. 1 и на рис. 3 по форме, указанной в литературе [3] (в графической и табличной фор-ме). За велечину индекса стандартизированной разности уровней DnT,W принимается ордината смещенной оценочной кривой на часто-те 500 Гц.

По теоретическим расчетам и натурным измерениям получен-ные велечины параметров изоляции воздушного шума и им соответ-ствующие классы условий акустического комфорта представленны в таб. 2.

125

1 тип 2 тип

3 тип 4 тип

5 тип 6 тип Рис. 1. Типы исследованых внутренних ограждающих

конструкций

Штукатурка

Кладка из Fibo блоков (3 МПа)

Минеральная вата

Кладка из силикатного кирпича


25* 100 200 325

Akmens vata

Gelžbetonis

Gipso kartoninė plokštė (2 sluoksniai)

Гипсокартон (2 слоя) Минеральная вата Железобетон

380

Silikatinių blokelių mūras

Кладка из силикатных блоков

„Fibo“ blokelių mūras

Tinkas

Tinkas

10* 10* 300 320


Кладка из Fibo блоков


12,5 12,5 300 345

Gipso kartoninė plokštė

Tinkas

„Fibo“ blokelių mūras Gipso kartoninė plokštė

Tinkas

10* 10*


Гипсокартон

Гипсокартон

Кладка из Fibo блоков


Tinkas

Tinkas

Gipso kartoninė plokštė Akmens vata „Fibo“ blokelių mūras Gipso kartoninė plokštė

12,5 300

446 100 10*10*

12,5

Штукатурка Гипсокартон Минеральная вата Кладка из Fibo блоков Гипсокартон Штукатурка

126

Рис. 2. Измерительные приборы: a – оборудование возбуждения звукового поля; б – измеритель уровеня

звука и вибрации

Таблица 1 Индекс стандартизированной разности уровней

Частота, Гц

DnT, W 1/3 окт., дБ 1 тип 2 тип 3 тип 4 тип 5 тип 6 тип

50 37,0 19,5 41,4 30,5 39,6 45,6 63 44,2 29,4 27,1 29,9 34,1 42,3 80 40,3 41,9 29,6 40,4 45,9 46,3 100 46,1 40,8 32,5 39,1 43,9 44,7 125 50,2 48,0 33,5 42,0 46,8 47,4 160 49,9 48,1 36,2 40,5 44,0 47,2 200 49,3 52,7 50,0 37,7 45,4 47,2 250 48,1 49,6 52,6 37,3 36,4 44,1 315 51,3 50,1 53,1 41,5 43,2 48,9 400 53,3 52,9 53,9 41,8 42,7 46,2 500 55,5 55,3 55,4 45,0 46,8 51,9 630 58,1 56,8 57,5 43,4 48,5 55,4 800 60,4 56,8 59,3 48,8 50,6 56,3

1000 63,0 62,5 56,1 53,0 53,6 59,9 1250 66,0 64,7 57,1 55,9 56,4 61,0 1600 68,1 67,2 60,8 57,1 57,8 61,5 2000 68,3 68,5 63,7 58,6 58,5 62,5 2500 66,4 71,4 64,9 61,0 59,9 63,8 3150 67,8 70,9 65,3 60,1 60,6 63,4 4000 71,1 73,1 67,5 59,8 62,2 64,7 5000 72,0 76,4 69,9 62,3 66,1 67,5

а б

127

Таблица 2 Сравнение результатов теоретических расчетов и натурных измерений для внутренних ограждающих конструкций жилых зданий. Определение класса

акустического комфорта здания

Измерения Показатели Тип ограждающих конструкций (см.

рис. 1) 1 2 3 4 5 6

Объем звукопринимающей комнаты, м3 50 62 67 38 37 35

Площадь поверхности ограж-дения, м2

17,93

11,41

16,97

12,55

12,55

12,55

Теоретиче-ские расче-

ты

R'W, дБ 61 65 60 50 52 58 DnT,W +C, дБ 62 67 61 52 54 59

Класс акустиче-ского комфорта ограждения

Б А Б Д Ц Б

Натурные измерения

DnT,W (C, Ctr), дБ 60

(-1;-4)

60 (-1;-5)

56 (-2;-8)

49 (-1;-4)

51 (-1;-4)

57 (-2;-4)

C50–3150, дБ -1 -5 -3 -1 -1 -2 Ctr,50-3150, дБ -6 -17 -11 -5 -4 -5

Класс акустиче-ского комфорта

здания Б Ц Ц Д Д Ц

Принятый класс условий аку-стического комфорта здания Б Ц Ц Д Д Ц

Система акустического комфорта (класс звука) [2]: A – класс осо-бенно хороших условий акустического комфорта; Б – класс улут-шенных условий акустического комфорта; Ц – класс приемлемых условий акустического комфорта; Д – класс недостаточных условий акустического комфорта; Е – класс предельных условий акустиче-ского комфорта. R'W – мнимый индекс изоляции воздушного шума; DnT,W – стандар-тизированная разность уровней; C и Ctr – санды поправки спектра [2, 3, 4, 6]. Для определения класса акустического комфорта здания проведено 5% натурных акустических измерений внутренних ограждающих конструкций (не менше чем 3)

128

Рис. 3. Зависимость стандартизированной разности уровней от частоты 1-ой ограждающей конструкции

(непрерывной линией изображена велечина оценочной кривой [6], пунктирной линией – расчеты натурных

измерений) После анализа шести внутренних ограждающих конструкций

жилых зданий из различных звукоизолирующих материалов и натур-ных измерений изоляции воздушного шума между двумя помеще-ниями можно сделать следующие выводы:

1. Сравнение результатов теоретических расчетов и натурных измерений показало, что изолирующие показатели воздушного шума в большинстве случаев несовпадают. Окончательная величина ин-декса зависит не только от свойств изолирующих материалов, но и от строительного брака, не на месте установленных вентиляционных шахт и др. факторов.

2. Результаты исследований показали, что воздушный шум лучше всего изолирует трёхслойная ограждающая конструкция из силикатного кирпича, минеральной ваты и Fibo блоков.

3. Худший результат получен для оштукатуренной ограждаю-щей конструкции из кладки Fibo блоков. Конструкция должна быть изменена для соответствования приемлемому классу условий аку-стического комфорта.


1. Кunickis Т. Investigation of airborne sound insulation material be-

tween living rooms. Master thesis. Šiauliai university, 2008.– 52 p. 2. STR2.01.07:2003 Regulation. Protection of inside and outside

environment of buildings against noise.

Частота, Гц

DnT

,W, дБ

129

3. EN ISO 140-4:2001 European standard. Acoustics - Measure-ment of sound insulation in buildings and of building elements - Part 4: Field measurements of airborne sound insulation between rooms.

4. EN ISO 3382-2:2008 European standard. Acoustics - Measure-ment of room acoustic parameters - Part 2: Reverberation time in ordinary rooms.

5. EN ISO 140-14:2004/AC:2009 European standard. Acoustics - Measurement of sound insulation in buildings and of building elements - Part 14: Guidelines for special situations in the field.

6. EN ISO 717-1:1996/A1:2006 European standard. Acoustics - Rating of sound insulation in buildings and of building elements - Part 1: Airborne sound insulation - Amendment 1: Rounding rules related to sin-gle number ratings and single number quantities.


М.Н. Щербакова, А.А.Овчинников, О.А. Сёмин

КОМПЛЕКСНОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МЕСТНОГО СЫРЬЯ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА НИЗКОКЛИНКЕРНОГО

КОМПОЗИЦИОННОГО ВЯЖУЩЕГО

Ивановский государственный архитектурно-строительный университет

г. Иваново, Россия

Развитие современной строительной индустрии требует значи-тельного увеличения производства вяжущих веществ, обладающих таким комплексом свойств, который обеспечивает возможность их применения при производстве тяжелого конструкционного бето-на.Количество вяжущего в бетоне по массе редко превышает 15÷18%, однако доля его цены в их стоимости составляет более 30%. Основная составляющая портландцемента – это клинкер, по-лучаемый при высоких затратах энергии, чем и обусловлена его вы-сокая стоимость, в то время как себестоимость помола цемента со-ставляет от 5 до 7% от себестоимости. Поэтому снижение содержа-ния клинкера в вяжущем и частичная замена его на более дешевые, в том числе техногенные компоненты без снижения качества цемен-та, является актуальной научно-практической задачей[1; 2].

Опыт развития цементной науки и промышленности [3; 4] пока-зывает, что одним из основных направлений современных разрабо-ток технологии новых и перспективных цементов является снижение энергоемкости и себестоимости портландцемента путем перехода от чисто клинкерных к современным многокомпонентным – композици-онным цементам. В этом плане интерес представляет производство

130

малоклинкерных композиционных вяжущих на основе природных и техногенных сырьевых материалов. Для получения данных вяжущих со свойствами, не уступающим свойствам обычного портландцемен-та, необходимо использование ПАВ, введение ультрадисперсных минеральных добавок.

Учитывая, что выпускаемые цементы содержат, как правило, до 35÷40% по массе частиц с размерами более 50 мкм –практически не играющих роли при формировании прочности, то представляет ин-терес производство композиционного вяжущего (КВ) домолом как чистого цемента, так и цемента совместно с добавками.

Домол цемента совместно с минеральной добавкой в сухом ви-де до степени дисперсности 300÷350 м2/кг, несмотря на повышение водоцементного отношения, дает прирост прочности в среднем на 30%. При этом роль дисперсности проявляется более существенно, чем дозировка добавок. Совместный помол портландцемента и ак-тивной минеральной добавкой (АМД) с ростом дисперсности можно рассматривать не как чисто механический, а как физико-химический процесс механоактивации вещества (МХА). При МХА происходит дальнейшая аморфизация АМД и более тонкое измельчение це-ментного зерна. При этом отмечается большая плотность затвер-девшего цементного камня, обусловленная ростом количества кри-сталлических образований за счет связывания Са(ОН)2 кремнеземом АМД, что приводит к ускорению структурообразования[5].

Эффективность активированных наполненных портландцемен-тов можно повысить путем введения в его состав химических доба-вок различного функционального назначения: пластифицирующих добавок, в том числе гиперпластификаторов, ускорителей твердения и др. При помоле цемента и грубодисперсных АМД с сухими супер-пластификаторами количество добавок может быть доведено до 60% без существенного снижения прочности цементного камня[6; 7].

Исходя из вышеизложенных предпосылок, была поставлена цель разработки оптимального состава низкоклинкерного компози-ционного вяжущего с использованием местного природного и техно-генного сырья и подбор на его основе составов товарного бетона.

Для разработки вяжущего были приняты в качестве клинкера – бездобавочный портландцемент ЦЕМ I Н Мордовского цементного завода. В качестве основного компонента – доменный гранулирован-ный шлак Нижнетагильского металлургического завода. Нижнета-гильский доменный гранулированный шлак является нейтральным (средним) по коэффициенту основности, и относится к третьему сор-ту по коэффициенту качества, представляет собой остеклованные гранулы размером до 3 мм темно серого цвета. В качестве пуццола-новой добавки, одновременно выполняющей роль абразива при со-вместном помоле, принят карьерный кварцевый песок, соответст-вующий ГОСТ 8736-93, промытый и просеянный через сито с ячей-кой 0,63 мм. В качестве суперпластификатора (СП) использовали С-3.

Пробы компонентов усреднялись и просушивались в лаборторном сушильном шкафу до постоянного веса при температуре 105±50С, затем совместно мололись в лабораторной шаровой мелнице.

На первом этапе определялось возможность активации цемета домолом в том числе в присутствии суперпластификатора (см. рис. 1).

Рис. 1. Зависимость активности п/ц от удельной поверхности

1 – чистый п/ц; 2 – п/ц + 0,5% С-3; 3 – п/ц + 1% С-3

Рис. 2. Зависимость активности композиционного вяжущегоот расхода гранулированного шлака

Из данных эксперимента следует, что к росту активности пр

водит увеличение расхода суперпластификатора и удельной поверности. Кроме того, отмечено, что увеличение расхода суперпласт

131

усреднялись и просушивались в лабора-торном сушильном шкафу до постоянного веса при температуре

мололись в лабораторной шаровой мель-

На первом этапе определялось возможность активации цемен-та домолом в том числе в присутствии суперпластификатора (см.

Рис. 1. Зависимость активности п/ц от удельной

3

Рис. 2. Зависимость активности композиционного

Из данных эксперимента следует, что к росту активности при-водит увеличение расхода суперпластификатора и удельной поверх-

того, отмечено, что увеличение расхода суперпласти-

132

фикатора интенсифицирует процесс измельчения – высокие значе-ния удельной поверхности достигаются быстрее.

На втором этапе определялись зависимость активности КВ от расхода гранулированного шлака, при достижении оптимальных зна-чений удельной поверхности (см. рис. 2).

Установлен предельный эффективный расход гранулированно-го шлака на уровне 50% по массе вяжущего. При проведении опыта было отмечено, что достижение высоких значений удельной поверх-ности обеспечивается значительно более долгим процессом измель-чения. Для интенсификации процесса нужно ввести абразив, способ-ный не только обеспечить высокую удельную поверхность, но и сыг-рать в КВ роль компонента, способного повлиять на структуру. В ка-честве такого компонента нами принят кварцевый песок, который при помоле исполняет роль абразива, истирая компоненты смеси, а раз-малываясь сам – вытесняет клинкер и шлак в зону меньшей крупно-сти. На ранних этапах твердения песок выступает как химически инертный материал, но положительно влияющий на структурообра-зование цементного камня, выступая в роли центра кристаллизации новообразований, а на поздних этапах способный к пуццолановой активности.

Введение в состав песка приводит к увеличению доли АМД в композиционном вяжущем, что снижает расход клинкера и повышает эффективность его использования. Однако однозначно предсказать изменение значений активности путем простого введения невозмож-но, поэтому для оптимизации составаКВ, использовался метод, ос-нованный на получении математической модели по серии опытов и нахождении по ней оптимальных значений расходов компонентов. Фиксированным оставался расход суперпластификатора С-3 – 1%. Для каждого состава определяласьактивность и удельная поверх-ность. В результате обработки получили уравнения (1) и (2), позво-ляющее определять оптимальное отношение, необходимое для из-готовления КВ.

Y1=60,37-10,1X2+8,89X3 (1) Y2=3588-90,43X2-90,43X3 (2)

где Y1 – активность вяжущего, МПа; Y2 – удельная поверхность; Х2– процент шлака; Х3 — процент песка.

Анализ уравнений показывает, что влияние шлака на прочност-ные показатели вяжущего в выбранном диапазоне – отрицательное, увеличение количества шлака в системе на 10% приводит к сниже-нию прочности на 10,1 МПа. Песок же, напротив, дает прирост проч-ности на 8,89 МПа при увеличении его расхода на 10%. Влияние увеличения содержания шлака и песка в системе одинаково отрица-тельно сказывается на удельной поверхности смеси, что на первый взгляд снижает активность вяжущего, однако это характеристика смеси в целом. Учитывая рост прочности при увеличении содержа-

133

ния песка, можно утверждать, что отрицательное влияние на удель-ную поверхность обусловлено скорее перераспределением крупных и мелких фракций – клинкерная составляющая смещается в сторону невысоких значений размеров фракций – 5-10 мкм, а размолотый песок остается в диапазонах 50-75 мкм, структурируя цементный камень.

Анализ уравнения (1) показывает, что максимальная прочность обеспечивается при расходе шлака 20% и расходе песка 20%. Об-щее количество АМД в вяжущем составит таким образом 40%, рас-ход цемента 60%, а активность вяжущего будет достигать 80 МПа.

Учитывая, что полученные зависимости справедливы только для выбранного диапазона, то решая основную задачу снижения доли клинкера в композиционном вяжущем, нужно принять макси-мально возможный в заявленном диапазоне расход добавок – 20% песка и 40% шлака, что обеспечивает активность вяжущего на уров-не 45 МПа. С учетом установленной стандартной ошибки в 10,8 МПа и ввода соответствующей корректировки на минимальное значение активности оптимальные составы вяжущегобудут выглядеть сле-дующим образом (см. табл. 1).

Таблица 1

Оптимальные составы композиционного вяжущего

Компонент Размерность Марка по плотность, кг/м3 32,5 42,5 52,5

Цемент % 40 50 60 Шлак % 40 30 20 Песок % 20 20 20

Удельная по-верхность см2/г 3800 3800 3800

Учитывая все особенности мы рассчитали состав тяжелого бе-

тона на разработанном вяжущем. Подбор состава бетона сводится к установлению расхода составляющих бетонной смеси на 1 м3 готовых изделий при условии соблюдения заданных реологических параметров бетонной смеси и физико-механических свойств готовых изделий.

В составе композиционного вяжущего содержится 1% супер-пластификатора, обеспечивающего по результатам экспериментов снижение расхода воды на 25%.

Составы наиболее востребованных марок бетона представле-ны в таблице 2.

134

Таблица 2 Расход материалов на 1 м3 бетонной смеси

Класс бе-тона

Марка бетона

Расход материалов на 1 м 3 смеси

КВ, кг Песок, кг

Щебень, кг Вода, л

В15 М 200 280 585 1440 150 В20 М 250 370 369 1363 135 В25 М 300 370 585 1440 150


1. Юдович Б.Э., Зубехин С.А., Фаликман В.Р., Башлыков Н.Ф.

Цемент низкой водопотребности: новые результаты и перспективы / Цемент и его применение. – 2006. – Июль – август. – С. 80–84.

2. Величко Е.Г., Лукьянович В.М., Чижмаков Н.Б. Эффективная технология использования минеральных добавок в бетоне // Сб. тру-дов Международного симпозиума ООН (ЮНЕП/СССР) «Окружаю-щая среда и золошлаковые отходы» — Москва, 1983. — С. 41-42.

3. Дворкин Л.И., Соломатов В.И., Выровой В.Н., Чудновский С.М. Цементные бетоны с минеральными наполнителями. / Под ред. Л. И. Дворкина. — К.: Будiвельник, 1991. — 136 с.

4. Комар А.Г., Величко Е.Г. Основы формирования структуры цементного камня с минеральными добавками // Теория, производ-ство и применение искусственных строительных конгломератов. — Владимир, 1982. — С. 162-166.

5. Кузнецова Т.В., Сулименко Л.М. Механоактивация портланд-цементных сырьевых смесей / Цемент и его применение. - 1985. - № 4. - С. 20-21.

6. Мчедлов-Петросян О.П. Химия неорганических строительных материалов / 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Стройиздат, 1988. - 304 с.

7. Бабушкин В.И., Матвеев Г.М., Мчедлов-Петросян О.П. Тер-модинамика силикатов / под общ.ред. О.П. Мчедлова-Петросяна.- 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Стройиздат, 1972. - 351 с.


135

ДЛЯ ЗАМЕТОК

136

Подписано в печать 12.08.2012 г. Формат 84х108 1/16. Объем – 8,5 п.л.

Тираж 44 экз. Заказ №201. Издательский центр ООО «Гравис». 398002, г. Липецк, ул. Тельмана, 116

Тел.:+7 (4742) 39-18-04

«Наука не является и никогда не будет являться законченной книгой. Каждый важный успех приносит новые вопросы. Всякое развитие обнаруживает со временем все новые и более глубокие трудности».

Альберт Эйнштейн

viii-я Международная научная конференция ·...

Documents