nto022020

20 2 20 (29)

Ежеквартальное научно-практическое сетевое издание

ISSN 2413-6220

Электронный журнал: НАУКА, ТЕХНИКА И ОБРАЗОВАНИЕ 2(29) Electronic journal: 2020 SCIENCE, TECHNOLOGY AND EDUCATION Тематические рубрики Машиностроение Информационные технологии Приборостроение и электроника Экономика промышленности Естественные науки Гуманитарные науки Физика конденсированного состояния. Микро- и наноэлектроника Инженерное образование Экология и безопасность

Categories: Mechanical engineering Information technology Devices and electronics Industrial economy Natural sciences Humanities Condensed matter physics Micro- and nanoelectronics Engineering education Industrial ecology

Электронный журнал: НАУКА, ТЕХНИКА И ОБРАЗОВАНИЕ

Electronic journal: SCIENCE, TECHNOLOGY AND EDUCATION

Главный редактор, д-р техн. наук, профессор Зам. главного редактора, д-р техн. наук, профессор Выпускающий редактор Ответственный секретарь Редколлегия журнала Д-р техн. наук, проф. Д-р техн. наук, профессор Д-р техн. наук, профессор Д-р физ.-мат. наук, профессор Д-р филос. наук, профессор Д-р техн. наук, профессор Д-р техн. наук, профессор Д-р техн. наук, профессор Д-р физ.-мат. наук, профессор Д-р техн. наук, профессор Д-р экон. наук, профессор Д-р экон. наук, профессор Д-р физ.-мат. наук, профессор Д-р техн. наук, профессор Д-р хим. наук, канд. техн. наук, профессор

А. В. Царьков А. А. Столяров К. И. Желнов А. Н. Молчанов В. В. Андреев М. В. Астахов В. В. Булычев А. К. Горбунов В. В. Ильин А. П. Коржавый Ю. П. Корнюшин В. Г. Косушкин В. И. Кристя А. В. Мазин О. Л. Перерва А. С. Птускин В. И. Стрелов В. К. Шаталов Н. Е. Шубин

Editor-in-Chief, Dr. Sci. (Eng.), Prof Deputy Editor-in-Chief, Dr. Sci. (Eng.), Prof Managing editor Assistant editor Editorial board Dr. Sci. (Eng.), Prof V. V. Andreev Dr. Sci. (Eng.), Prof V. V. Bulychev Dr. Sci. (Phil.), Prof V. V. Ilyin Dr. Sci. (Eng.), Prof U. P. Kornyushin Dr. Sci. (Phys.&Math.), Prof V. I. Kristya Dr. Sci. (Econ.), Prof O. L. Pererva Dr. Sci. (Phys.&Math.), Prof V. I. Strelov Dr. Sci. (Chem.), Cand. Sci. (Eng.), Prof

A. V. Tsarkov A. A. Stolyarov K. I. Zhelnov A. N. Molchanov

Dr. Sci. (Eng.), Prof Dr. Sci. (Phys.&Math.), Prof Dr. Sci. (Eng.), Prof Dr. Sci. (Eng.), Prof Dr. Sci. (Eng.), Prof Dr. Sci. (Econ.), Prof Dr. Sci. (Eng.), Prof

M. V. Astakhov A. K. Gorbunov A. P. Korzhavyj V. G. Kosushkin A. V. Mazin A. S. Ptuskin V. K. Shatalov N. E. Shubin

ISSN 2413-6220

Адрес редакции: 248000, г. Калуга, ул. Баженова, 2 ООО "Манускрипт" Тел.: +7 (4842) 57-31-87 E-mail: nto-journal@yandex.ru Интернет: http://www.nto-journal.ru © ООО "Манускрипт"

Address of Editorial Office: 248000, Kaluga, Bazhenova str., 2 ООО "Manuskript" Тел.: +7 (4842) 57-31-87 E-mail: nto-journal@yandex.ru Internet: http://www.nto-journal.ru © ООО "Manuskript"

Электронный журнал: наука, техника и образование (ISSN 2413-6220)

СОДЕРЖАНИЕ

3

CONTENTS

РУБРИКА 1. МАШИНОСТРОЕНИЕ

4

CATEGORY 1. MECHANICAL ENGINEERING

Винокуров В.Н. Граничные условия в газостатическом подпятнике с изотропным пористым дросселем

5

Vinokurov V.N. Boundary conditions in a gasostatic bearing with isotropic porous throttle

Шитохина О.Г., Каримулина Е.В. Моделирование течения жидкости в проточной части вихревых насосов

12

Shitokhina O.G., Karimulina E.V. Simulation of fluid flow inside flow channel of vortex pumps

Витчук Н.А., Ржевская Ю.Ю. Предложение технологии изготовления осевого режущего инструмента для обеспечения качества продукции, производимой на станках с ЧПУ

19

Vitchuk N.A., Rzhevskaya Yu.Yu. Offer of manufacturing technology for axial cutting tools to ensure the quality of products produced on numerical control machines

Скорская Ю.Н., Витчук П.В., Аракелян А.С. Разработка методики статистического анализа риска, возникающего при эксплуатации лифтов

26

Skorskaya Yu.N., Vitchuk P.V., Arakelyan A.S. Development of a methodology for statistical analysis of the risk arising from the operation of lift

Витчук Н.А., Жукова А.А. Разработка системы управления процессами изготовления, приёмки и сдачи продукции с целью повышения их качества

34

Vitchuk N.A., Zhukova A.A. Development of a control system for manufacturing, acceptance and delivery of products in order to improve their quality

РУБРИКА 2. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ЭЛЕКТРОНИКА

40

CATEGORY 2. DEVICES AND ELECTRONICS

Адарчин С.А., Конохов А.А. Сравнение нелинейностей чувствительности фотодиодов при работе с лазерами

41

Adarchin S.A., Konokhov A.A. Comparison of nonlinear sensitivity of photodiodes when working with lasers

РУБРИКА 3. ЕСТЕСТВЕННЫЕ НАУКИ

46

CATEGORY 3. NATURAL SCIENCES

Ермагамбет Б.Т., Казанкапова М.К., Касенова Ж.М., Наурызбаева А.Т. Синтез углеродных наносорбентов из окисленного бурого угля

47

Yermagambet B.T., Kazankapova M.K., Kassenova Zh.M., Nauryzbayeva A.T. Synthesis of carbon nanosorbents from oxidized brown coal

РУБРИКА 4. ФИЗИКА КОНДЕНСИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ. МИКРО- И НАНОЭЛЕКТРОНИКА

58

CATEGORY 4. CONDENSED MATTER PHYSICS. MICRO- AND NANOELECTRONICS

Андреев Д.В., Кулагин В.С. Автоматизированная установка измерения квазистатических вольт-фарадных характеристик МДП-структур

59

Kulagin V.S., Andreev D.V., Automatized setup to measure quasistatic C-V characteristics of MIS structures

РУБРИКА 1 МАШИНОСТРОЕНИЕ CATEGORY 1 MECHANICAL ENGINEERING

Электронный журнал: наука, техника и образование (ISSN 2413-6220)

5

УДК 621.822.174 В.Н. Винокуров ГРАНИЧНЫЕ УСЛОВИЯ В ГАЗОСТАТИЧЕСКОМ ПОДПЯТНИКЕ С ИЗОТРОПНЫМ ПОРИСТЫМ ДРОССЕЛЕМ В работе ставится задача математического моделирования течения газа в газостатическом подпятнике с изотропным пористым дросселем. Полагается, что течение газа установившееся и изотермическое. Выводятся уравнения, которым подчиняются давления нагнетаемого газа в самом пористом дросселе и в рабочем зазоре подпятника и формулируются граничные условия к ним. Для применения численных методов расчета проводится аппроксимация уравнений и граничных условий сеточными функциями. Ключевые слова: газостатический подпятник, пористый дроссель, граничные условия в пористом дросселе.

Как отмечается в монографиях [1, 2], газовая смазка подшипников имеет свои специфические особенности, позволяющие ее использовать в случаях, когда применение подшипников качения, или смазки несжимаемыми жидкостями, либо неэффективно, либо совсем невозможно. Например, работа подшипниковых узлов при крайне низких и крайне высоких температурах, работа подшипников при весьма высокой скорости вращения и так далее. В большинстве конструкций подшипников и подпятников с газовой смазкой непременным условием его работоспособности является наличие дросселя, являющегося своеобразным регулятором подачи газа. Дроссели могут быть выполнены в виде отверстий небольшого диаметра, щелей, пористых вставок. Применение пористых вставок существенно облегчает устранить вибрации и обеспечить устойчивую работу подшипников и подпятников. В данной работе ставится задача создания математической модели течения газа в газостатическом подпятнике с пористым изотропным дросселем, схематично показанном на рисунке 1. Нагнетаемый газ под давлением р н подается к нижней части дросселя и, пройдя сквозь поры, попадает в рабочий зазор толщиной h , откуда, затем, выходит в окружающую среду с давлением p0 .

Рубрика «Машиностроение» (ISSN 2413-6220)

6

Рис. 1. Газостатический подпятник

С учетом изотропности дросселя, распределение давления p в пористом теле в цилиндрических координатах r ,  , z подчиняется уравнению [3]   p 2    1 p 2    p 2  r +  + r  = 0. r  r    r   z  z  При наличии строгой симметрии относительно осевой координаты z перетечки газа в направлении угловой координаты  исключаются и последнее уравнение упрощается 1 p 2  2 p 2  2 p 2 (1) + 2 + 2 = 0. r r r z Введем безразмерные переменные: R = r r0 – безразмерная радиальная координата; P = p p0 – безразмерное давление в дросселе; U = P 2 – квадрат безразмерного давления; Pн = pн p0 – безразмерное

давление наддува; Z = z l – безразмерная осевая координата в дросселе. В безразмерных переменных уравнение (1) приводится к виду 1 U  2U r02  2U (2) + + = 0.

R R R 2 l 2 Z 2 Полученное уравнение совпадает, с точностью до обозначений, с уравнением (9) работы [4]. Но, целью настоящей работы является не вывод уравнения (2), а формулировка и обсуждение граничных условий, и их аппроксимация сеточными функциями для использования численных методов расчета. Сформулируем граничные условия для уравнения (2). На поверхности наддува U Z =−1 = Pн2 .

(3) На выходе из рабочего зазора в окружающее пространство U Z =0,R =1 = 1.

(4)

Радиальные скорости v r частиц газа равны нулю при r = 0 из условия симметрии относительно оси z , а при r = r0 – из условия непроницаемости боковой стенки подпятника. Но, согласно закону Дарси [5],

Электронный журнал: наука, техника и образование (ISSN 2413-6220)

7

 p ,  r где  – коэффициент проницаемости пористого материала, а  – динамический коэффициент вязкости газа. Следовательно, p p = = 0, r r =0 r r = r0 vr = −

откуда получаются равенства U R

= R =0

U R

= 0.

(5)

R =1

Еще одним граничным условием уравнения (2) является равенство давления газа p1 ( r ) в тонком слое рабочего зазора и давления p (r,0) на поверхности дросселя, обращенной к рабочему зазору, откуда следует (6) U Z =0 =U1 , где U1 – квадрат безразмерного давления в рабочем зазоре. Далее нужно согласовать расходы газа, протекающего через дроссель и рабочий зазор. Вывод уравнения распределения давления газа в рабочем зазоре. Обозначим давление газа в рабочем зазоре через p1 . Интегрирование уравp1  2v =  2r для тонкого газового слоя по его толщине, r z с учетом независимости ни p1 , ни p1 r от z , дает соотношение 1 p1 2 vr = z + C1 z + C2 .

2 r Если полагать что не только на поверхности неподвижного подпятника vr z=h = 0 (согласно гипотезе прилипания), но и на пористой

нения Рейнольдса

стенке дросселя, обращенной к рабочему зазору vr z =0 = 0,

(7)

то получим, что C2 = 0 , C1 = −

h p1 .

2 r

Тогда, 1 p1 (8) z (h − z ).

2 r Здесь нужно отметить, что условие (7) является спорным. Очевидно, что в изотропном дросселе имеются перетечки газа от центра, где давление наибольшее, к периферии подпятника. Поэтому в слое дросселя, примыкающего к рабочему зазору, vr  0 . Тогда и скорость частиц газа рабочего зазора на границе с дросселем также больше нуля, что противоречит условию (7). Но, во-первых, цель, указанную в статье, вначале следует пытаться реализовать на более простой математической vr = −

Рубрика «Машиностроение» (ISSN 2413-6220)

8

модели. Во-вторых, в работе [6], в рамках приближенного метода, изучалось влияние радиального скольжения частиц газа на пористой стенке дросселя на величину подъемной силы, при оптимальных значениях параметров подпятника, и сделан вывод, что это влияние незначительно. Выделим в рабочем зазоре координатными линиями криволинейный параллелепипед (рис. 2), высота которого равна толщине h рабочего зазора.

Рис. 2. Криволинейный параллелепипед

С учетом равенства (8) через площадку rd h за время dt в направлении радиальной координаты втечет масса газа h h  1 p1 (h − z )z dz.

Qr = rd  v r dtdz = rddt   −  0  2 r 0 Здесь  – плотность газа. Так как в тонком смазочном слое давление p1 = p1 (r ) то производную можно вынести за знак интеграла. Тогда,  1 p1  h 3  1 p1  h  .

Qr = rddt  −   (h − z )zdz = rddt  −  2 r  6  2 r  0 В предположении изотермического процесса  = kp1 . Это условие выполнятся и в рабочем зазоре, и на поверхности пористой стенки. Поэтому, для расхода Q r можно записать следующее выражение: Qr = −

rdkdth3 p12 .

24  r

Через противоположную грань расход возрастет на величину dQr drdkdth3 p12 rdkdth3  2 p12 dQr = dr = − − dr. dr 24  r 24  r 2 Из дросселя через площадку rddr в контрольный объем поступит за время dt масса газа dQz = v z rddrdt , где vz = −

 p  z

. z =0

Тогда,   p dQz = kp −   z

  p 2  rddrdt = − krdrddt 2 z z =0 

. z =0

Электронный журнал: наука, техника и образование (ISSN 2413-6220)

9

Поток из дросселя в контрольный объем направлен против внешней нормали. Поэтому в выражении dQz нужно изменить знак и из закона сохранения массы газа dQr + dQz получим уравнение 1 p12  2 p12 12  p 2 + − 3 r r r 2 h z

=0. z =0

Так как давление в тонком смазочном газовом слое полагается постоянным по толщине слоя, и равным давлению на поверхности пористого дросселя, обращенной к рабочему зазору, p1 = p z =0 , то последнее уравнение может быть представлено в виде 1 p12  2 p12 12  p 2 + − r  r z = 0  r 2 z = 0 h 3 z

=0, z =0

или, в безразмерных переменных, 1 U R R

где  =

12r02

+ Z =0

 2U R

−

2 Z =0

U Z

= 0,

(9)

Z =0

– безразмерный параметр подпятника. h 3l Уравнение (9) может, с полным основанием, истолковано как одно из граничных условий уравнения (2). Уравнение (2) совместно с граничными условиями (3)-(6), (9) позволяет определить безразмерное давление P = U в дросселе и, при необходимости, рассчитать интегральные характеристики опоры, такие как подъемная сила, расход газа. Дискретизация уравнений и граничных условий. Для получения численного решения введем в области определения R и Z равномерную, по обеим координатам, сетку и дифференциальное уравнение (2) и граничные условия заменим конечно-разностными отношениями. Пусть индекс i = 0, 1, ..., I нумерует узлы по радиальной координате, так что i = 0 соответствует R = 0 , а i = I – R =1 . Тогда число интервалов по радиальной координате равно I , а шаг R =1 I . Индексом k = 0, 1, ..., K нумеруются узлы в дросселе по осевой координате Z . Причем k = 0 соответствует первому, после поверхности наддува, слою с неизвестным давлением, а k = K – плоскости раздела дросселя и рабочего зазора. Тогда число интервалов равно K +1 , а шаг Z =1 (K +1) . Во внутренних точках сетки замена производных отношением конечных разностей никаких проблем не вызывает. В этом случае, например для дифференциального уравнения (2), сеточным аналогом будет равенство 2 1 U i +1,k −U i −1,k U i +1,k − 2U i ,k +U i −1,k  r0  U i ,k +1 − 2U i ,k +U i ,k −1 + +  = 0. (10)  R i 2 R R 2 Z 2 l 

Рубрика «Машиностроение» (ISSN 2413-6220)

10

Много вопросов возникает при замене производных в граничных узлах сетки. Так первое слагаемое в уравнении (2) при i = 0 , что соответствует R = 0 , дает неопределенность вида U R R = 0 0 , где обозначено U R = U R . Ее раскрытие по правилу Лопиталя дает вторую производную  2U R 2 . Отлична ли от нуля вторая производная U R R =0 ? Теоретически допустимы оба возможных ответа и здесь нужны дополнительные исследования. Склоняясь к тому, что указанная вторая производная не равна нулю, уравнение (2) на линии R = 0 примет вид  2U r02  2U (11) 2 2+ 2 = 0. R l Z 2 Разложим функцию U (R, Z ) в ряд Тейлора в окрестности R = 0 : U (0 + R ) = U (0 ) +

U R

R + R =0

1  2U 2! R 2

откуда, с учетом (U R ) R=0 = 0 находим  2U R

=2

2 R =0

U (0 + R ) − U (0 ) R 2

R 2 + ..., R =0

.

Следовательно, дискретный аналог уравнения (11) 2 U 1,k −U 0,k  r0  U 0 ,k +1 − 2U 0,k +U 0,k −1 4 +  = 0. R 2 Z 2 l  Запишем, далее, ряд Тейлора в окрестности R =1 : U 1  2U U (R − R ) = U (R ) − R + R 2 + .... R R =1 2 R 2 R =1

(12)

(13)

Откуда, с учетом граничного условия (5),  2U U (1− R )−U (1) =2 , 2 R R =1 R 2 а дискретным аналогом дифференциального уравнения (2) при R =1 будет равенство 2 U −U − 2U I ,k +U I ,k −1 r  U 2 I −1,k 2 I ,k +  0  I ,k +1 = 0.

(14) R Z 2 l  Уравнения (10), (13), (14) имеют место для k = 0, 1, ..., K − 1. Как и в дросселе, в рабочем зазоре при R = 0 полагаем 1 U 1  2U1 =  0.

R R R = 0 R 2 R = 0 Тогда уравнение (9) при R = 0 принимает вид  2U U 2 2 − = 0, Z Z = 0 R Z = 0

Электронный журнал: наука, техника и образование (ISSN 2413-6220)

11

а его дискретизация, с учетом (5), позволяет составить сеточное уравнение при i = 0 : 4

U 1,K −U 0,K R

2

−

U 0,K −U 0,K −1 Z

= 0.

(15)

Для внутренних по индексу i узлов дискретный аналог уравнения (9) имеет вид U i ,K −U i ,K −1 1 U i +1,K −U i −1,K U i +1,K − 2U i ,K + U i −1,K + − = 0, 2 R  i 2R Z R (16) (i =1, 2, ..., I −1). Совокупность уравнений (3, 4, 10, 12, 13-16), позволяет вычислить квадрат безразмерного давления U во всех узлах сетки, следовательно, и давление в рабочем зазоре для расчета интегральных характеристик подпятника. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ [1] [2] [3] [4] [5] [6]

Константинеску В.Н. Газовая смазка / Перевод с румынского Г.П. Махо. Под ред. М.В. Коровчинского. – М.: Машиностроение, 1968. – 709 с. Шейнберг С.А., Жедь В.П., Шишеев М.Д. Опоры скольжения с газовой смазкой. – М.: Машиностроение, 1969. – 336 с. Винокуров В.Н., Емельянов А.В. Теория течения газа в анизотропных пористых дросселях подшипников с газовой смазкой // Проблемы машиностроения и надежности машин. – 2012. – № 2. – С. 57–60. Гарджюло Е., мл., Джилмор П. Численное решение задачи расчета пористых газовых подшипников с внешним надувом. Упорные подшипники // Проблемы трения и смазки. – 1968. – № 4. – С. 169–178. Коллинз Р. Течения жидкостей через пористые материалы. – М.: Мир, 1964. – 350 с. Винокуров В.Н., Емельянов А.В. Теория газостатического подпятника с изотропным пористым дросселем // Проблемы машиностроения и надежности машин. – 2014. – № 6. – С. 88–94.

СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРАХ Винокуров Виктор Николаевич (Vinokurov V.N.) – канд. физ.мат. наук, доцент кафедры «Колесные машины и прикладная механика» КФ МГТУ им. Н.Э. Баумана; bbn01@mail.ru BOUNDARY CONDITIONS IN A GASOSTATIC BEARING WITH ISOTROPIC POROUS THROTTLE The task of mathematical modeling of the passage of gas in a gas-static thrust bearing with an isotropic porous inductor is set in the work. It is believed that the gas is steady and isothermal. Equations are derived that must correspond to the gas pressure in accordance with the requirements of the throttle and the working medium. To apply numerical methods of calculation, approximations of equations and boundary conditions are carried out.

Keywords: gas-static thrust bearing, porous choke, boundary conditions in a porous choke.

Рубрика «Машиностроение» (ISSN 2413-6220)

12

УДК 62-185.6 Е.В. Каримулина, О.Г. Ш итохина МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕЧЕНИЯ ЖИДКОСТИ В ПРОТОЧНОЙ ЧАСТИ ВИХРЕВЫХ НАСОСОВ В данной работе выполнено моделирование течения жидкости в проточной части вихревых насосов двух конструкций с использованием пакета конечно-элементного анализа ANSYS. Получены распределения давлений и скоростей по потоку, а также проведен сравнительный анализ результатов. Ключевые слова: вихревое течение, вихревой насос, глухое отверстие, ротор, метод конечных элементов, ANSYS.

Введение. Вихревые насосы обычно применяют при необходимости создания большого напора при малой подаче. Их используют для водоснабжения сельских домов и для полива небольших садов и огородов. Благодаря простой конструкции рабочих органов таких насосов возможно применение химически стойких пластмасс, а также металлов, плохо поддающихся механической обработке и отливке, поэтому вихревые насосы применимы для перекачивания кислот, щелочей и других химически агрессивных реагентов. Они пригодны для перекачивания легколетучих жидкостей (бензина, спирта, эфира и т. д.). Из достоинств вихревых насосов можно отметить отсутствие пульсаций давления на всех режимах, высокие кавитационные качества, малые габариты, а, следовательно, низкую стоимость. К недостаткам вихревых насосов относятся невысокий КПД (25-45 %) и быстрый износ рабочих колес и уплотняющих поверхностей при подаче жидкости, содержащей абразивные примеси [1-2]. Для исследования влияния параметров вихревого насоса на его работу широко применяется численное моделирование с использованием программных комплексов, реализующих метод конечных элементов. Наиболее распространенный из них пакет конечно-элементного анализа ANSYS [3]. Постановка задачи. Необходимо сравнить параметры работы двух вихревых насосов различной конструкции. На рисунке 1 представлена конструкция насоса вихревого типа с цилиндрическим ротором 1, на поверхности которого выполнены глухие отверстия 2, и неподвижным кольцевым каналом 3, ход нарезки которого совпадает с направлением вращения ротора [4]. Диаметр ротора равен 189 мм, а его длина 250 мм. Диаметр и глубина глухих отверстий ротора составляет 20 мм. Ширина кольцевого канала в сечении, перпендикулярном их средней линии, равна диаметру глухих отверстий ротора.

Электронный журнал: наука, техника и образование (ISSN 2413-6220)

13

Рис. 1. Конструкция вихревого насоса с цилиндрическим ротором с глухими отверстиями и неподвижным кольцевым каналом

На рисунке 2 изображена конструкция насоса вихревого типа с плоским ротором 6, 7 с глухими отверстиями 8 на торцах и неподвижным статором 4, 5 с глухими отверстиями [5]. Диаметр ротора равен рабочей длине цилиндрического ротора и составляет 250 мм, а его ширина 70 мм. Диаметр глухих отверстий статора и ротора равен диаметру глухих отверстий цилиндрического ротора и составляет 20 мм, что обеспечивает частичное перекрытие рабочих отверстий ротора рабочими отверстиями статора в процессе поворота ротора при его вращении валом 3.

Рис. 2. Конструкция насоса вихревого типа с плоским ротором с глухими отверстиями на торцах и неподвижным статором с глухими отверстиями

Были приняты общие начальные условия для двух насосов вихревого типа: во входной патрубок подается несжимаемая жидкость – вода, давление на входе – 100 кПа, частота вращения ротора составляет 1500 об/мин. Результаты исследования. В программном комплексе САПР SolidWorks были построены модели проточной части насосов, а затем выполнено моделирование в программном комплексе ANSYS CFX. Ранее были проведены испытания насоса с цилиндрическим ротором [6] в ходе которых было установлено, что при расходе 2,78 л/с напор насоса составляет 5 м, поэтому при определении граничного условия давление на выходе было принято 150 кПа.

Рубрика «Машиностроение» (ISSN 2413-6220)

14

Для создания поверхностной сетки расчетной области использовалось приложение генерации сеток CFX Mesh, предназначенное для создания поверхностных сеток CAD моделей и улучшения их качества. Сетка описывалась с помощью объёмных ячеек – Tetrahedra (тетраэдры). Этапы моделирования течения жидкости в проточной части насоса с цилиндрическим ротором представлены на рисунке 3.

а

б Рис. 3. Этапы моделирования течения жидкости в проточной части насоса с цилиндрическим ротором: а – расчетная область модели; б – задание начальных условий

Результаты моделирования течения жидкости в проточной части насоса с цилиндрическим ротором представлены на рисунке 4.

Электронный журнал: наука, техника и образование (ISSN 2413-6220)

15

а

б Рис. 4. Результаты моделирования течения жидкости в проточной части насоса с цилиндрическим ротором: а – распределение давления в плоскости симметрии; б – линии тока в проточной полости

После завершения расчета среднее давление на входе в проточную полость составило 100 кПа, а на выходе 150 кПа, следовательно, напор насоса составил 5 м. По результатам расчета средняя скорость жидкости на входе в насос составила 4,03 м/с, что соответствует объемному расходу 2,86 л/с. Параметры работы насоса согласуются с определенными в ходе испытаний, что говорит о достоверности результатов моделирования. Этапы моделирования течения жидкости в проточной части насоса с плоским ротором представлены на рисунке 5.

Рубрика «Машиностроение» (ISSN 2413-6220)

16

а

б Рис. 5. Этапы моделирования течения жидкости в проточной части насоса с плоским ротором: а – расчетная область модели; б – задание начальных условий

При определении граничных условий для насоса с плоским ротором давление на выходе также принято равным 150 кПа. Результаты моделирования течения жидкости в проточной части насоса с плоским ротором представлены на рисунке 6.

а б Рис. 6. Результаты моделирования течения жидкости в проточной части насоса с плоским ротором: а – распределение давления в плоскости симметрии; б – линии тока в проточной полости

Электронный журнал: наука, техника и образование (ISSN 2413-6220)

17

После завершения расчета среднее давление на входе в проточную полость составило 99,9 кПа, а на выходе 150,8 кПа, следовательно, напор насоса составил 5,09 м. По результатам расчета средняя скорость жидкости на входе в насос составила 4,02 м/с, что соответствует объемному расходу равному 2,43 л/с. Выводы. Рассмотрены две конструкции насосов вихревого типа. По результатам численного моделирования в конечно-элементом комплексе ANSYS CFX были получены распределения давлений в плоскости симметрии, построены линии тока в проточной полости, а также рассчитан объемный расход жидкости. При одинаковых начальных значениях давлений на входе и выходе насоса напоры получились близкие по величине. Однако, расход насоса с цилиндрическим ротором на 18 % выше, чем у конструкции насоса с плоским ротором. Следует отметить, что насос вихревого типа с плоским ротором имеет малые габариты и более простую конструкцию, так как в нем отсутствует винтовой канал. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ [1] [2]

[3]

[4] [5] [6]

Байбаков О.В. Вихревые гидравлические машины. – М.: Машиностроение, 1981. –197 с. Каримулина Е.В., О.Г. Шитохина Применение вихревого течения в технике // Наукоемкие технологии в приборо- и машиностроении и развитие инновационной деятельности в вузе: материалы Всероссийской научнотехнической конференции, 19–21 ноября 2019 г. – Т. 1. – Калуга: Издательство МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2019. – С. 200–201. Ващенко А.В., Каримулина Е.В., Шитохина О.Г. Исследование влияния параметров вихревого насоса на его работу // «Передовые инновационные разработки. Перспективы и опыт использования, проблемы внедрения в производство»: круглый стол № 10. Часть 1. – Казань, 2019. – С. 198–199. Насос: А.с. 1724941 РФ / Лысенко Л.В., Анкудинов А.А., Зотов Б.Н. Заявл. 04.06.91; опубл. 15.01.1994. Насос-теплогенератор: А.с. 2319911 РФ / Бритвин Л.Н. Заявл.

25.08.2006; опубл. 20.03.2008. Анкудинов, А.А. Исследование характеристик вихревого нагнетателя с цилиндрическим ротором / А.А. Анкудинов, Е.В. Волчкова, В.В. Коротков // Электронный журнал: Успехи современной науки. – 2016. – № 11.

– Т. 5. – С. 27–31.

СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРАХ Каримулина Елена Владиславовна (Karimulina E.V.) – студент КФ МГТУ им. Н.Э. Баумана; lena.sirkina98@gmail.com Шитохина Ольга Григорьевна (Shitokhina O.G.) – канд. физ.-мат. наук, доцент кафедры «Тепловые двигатели и гидромашины» КФ МГТУ им. Н.Э. Баумана; bonkog@mail.ru

Рубрика «Машиностроение» (ISSN 2413-6220)

18

SIMULATION OF FLUID FLOW INSIDE FLOW CHANNEL OF VORTEX PUMPS In this paper the simulation of fluid flow inside the flow channel of vortex pumps of two different designs is performed using the FEA software ANSYS. Pressure and velocity distributions over the flow are calculated, and a comparative analysis of the results is carried out.

Keywords: vortex flow, vortex pump, blind hole, rotor, FEA, ANSYS.

Электронный журнал: наука, техника и образование (ISSN 2413-6220)

19

УДК 672.7 Н.А. Витчук, Ю.Ю. Ржевская ПРЕДЛОЖЕНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ОСЕВОГО РЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА ДЛЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ КАЧЕСТВА ПРОДУКЦИИ, ПРОИЗВОДИМОЙ НА СТАНКАХ С ЧПУ В работе предложены технологический маршрут и техническое нормирование технологического процесса изготовления осевого режущего инструмента, а именно зубчиковой фрезы, с целью снижения зависимости отечественного предприятия от зарубежных поставок аналогичного инструмента. Для организации технологического процесса выбрано оборудование на каждой технологической операции, указаны мероприятия по контролю качества фрезы на различных стадиях технологического процесса. Для оценки эффективности внедрения технологии изготовления осевого режущего инструмента были использованы динамические методы расчета показателей эффективности. Сравнительный анализ стоимости изготовления и приобретения фрезы доказал целесообразность внедрения предложенного технологического процесса на конкретном предприятии. Ключевые слова: импортозамещение, технологический процесс, осевой режущий инструмент (зубчиковая фреза), качество.

В современных политических и эпидемиологических условиях особенно остро стоит проблема обеспечения независимости отечественных машиностроительных предприятий от продукции зарубежных компаний. В особенности проблема импортозамещения актуальна для продукции оборонно-промышленного комплекса страны. Реализация программы импортозамещения – одна из важнейших стратегических задач. С этой целью могут быть использованы различные методы, в частности, стимулирование производства на территории государства [1, 2]. При этом необходимо уделять внимание не только переходу на выпуск продукции отечественного производства, но и повышению ее конкурентоспособности. Это, в свою очередь, предполагает повышение качества выпускаемой продукции и реализации мероприятий его постоянного совершенствования [3]. Рассмотрим деятельность одного из отечественных научно-производственных предприятий, которое осуществляет выпуск продукции оборонно-промышленного комплекса. Данное предприятие взяло курс на импортозамещение и снижение зависимости от зарубежных поставок. Для этого был проведен анализ производственных процессов на предприятии, на основе которого удалось установить, что для обеспечения парка обрабатывающих центров с ЧПУ режущим осевым инструментом, осуществляется централизованная закупка инструмента из

Рубрика «Машиностроение» (ISSN 2413-6220)

20

твердосплавного и быстрорежущего материала и его переточка у зарубежных партнеров. В этой связи с целью сокращения импортозависимости, сокращения расходов на инструмент, повышения качества обработки изделий на станках с ЧПУ предлагается реализовать технологический процесс изготовления осевого режущего инструмента на основе имеющейся производственной базы предприятия. Осевой режущий инструмент представляет собой фрезу зубчиковую, состоящую из хвостовой и режущей части. Материал хвостовой части – Сталь 40Х, режущей части – ASP-2030. Твердость режущей части может варьироваться в пределах 63-66 HRC, хвостовой части – 36,5-41,5 HRC. Для получения всех необходимых размеров, отверстий, формы зубьев был разработан технологический маршрут с временными нормативами выполнения операций. Для наглядности маршрут представлен в виде упрощенной диаграммы потока (рис. 1).

Рис. 1. Диаграмма технологического процесса изготовления зубчиковой фрезы

При выборе оборудования, которое может быть использовано для выполнения технологических операций изготовления фрез, необходимо руководствоваться имеющими производственными возможностями предприятия. Список необходимого для выполнения операций оборудования представлен в табл. 1. Для контроля качества фрезы на этапе производстве предусмотрен технический контроль после заточной операции на станке с ЧПУ и плоскошлифовальной операции. Для контроля твердости режущей части необходимо использовать прибор Роквелл со снятием на режущей части двух лысок шириной 6-8 мм. Для выявления трещин необходимо проводить цветную дефектоскопию в местах стыка фрезы после круглошлифовальной операции и режущей части.

Электронный журнал: наука, техника и образование (ISSN 2413-6220)

21

Таблица 1 Оборудование для выполнения операций технологического процесса

№

Наименование операции

2

Сварка контактная стыковая Отжиг стабилизирующий

3

Токарно-винторезная

1

5

Технический контроль (проверить качество сварки) Токарно-винторезная

6

Токарно-винторезная ЧПУ

7

Вертикально-фрезерная

8

Вертикально-фрезерная

9

Универсально фрезерная

4

10 Слесарная Закалка непрерывная объ11 емная 12 Круглошлифовальная 13 Заточная ЧПУ 14 Заточная 15 Заточная ЧПУ 16 Технический контроль 17 Плоскошлифовальная Технический контроль (цветная дефектроскопия) Технический контроль раз19 меров Слесарная (в т. ч. марки20 ровка) 18

Тип и марка оборудования Машина для сварки трением МСТ 41-5 Токарно-винторезный станок 1М63 Токарно-винторезный станок 1К62 Токарно-винторезный станок с ЧПУ 16К20Ф3 Вертикально-фрезерный станок 6Н13П Вертикально-фрезерный станок 6Н13П Универсально-фрезерный станок 676П Электропечь камерная Круглошлифовальный станок 3А130 Станок с ЧПУ модели «Walter Helitronic Power» Станок с ЧПУ модели «Walter Helitronic Power» Станок с ЧПУ модели «Walter Helitronic Power» Плоскошлифовальный станок 3Г71М -

Рубрика «Машиностроение» (ISSN 2413-6220)

22

Кроме того, необходимо контролировать размеры детали по установленным допускам: 1) допуск радиальной передней поверхности 0,02 мм в сторону поднутрения; 2) допуск биения режущих кромок относительно оси хвостовика 0,01 мм, остальных кромок 0,02 мм; 3) допуск окружного шага 0,02 мм; 4) допуск параллельности передней поверхности к оси фрезы 0,02 мм; 5) допуск перпендикулярности торца относительно оси фрезы 0,01 мм. Внешний контроль фрезы должен исключить наличие на поверхности забоин, трещин, заусенцев, черновин, выкрошенных мест, поджогов, следов коррозии. Для анализа сильных и слабых сторон, возможностей и угроз внедрения технологии изготовления осевого режущего инструмента в условиях отечественного предприятия использован «SWOT-анализ», матрица которого представлена в табл. 2. Таблица 2 «Матрица SWOT-анализа» внедрения технологии изготовления осевого режущего инструмента Сильные стороны Слабые стороны 1. Снижение себестоимости 1. Требуется значительная сумма при сохранении качества продукции инвестиций 2. Необходимо упрочняющее 2. Оптимизация запасов покрытие детали 3. Сокращение сроков создания 3. Отсутствие необходимой продукции квалификации работников Возможности Угрозы 1. Обеспечения парка 1. Выпуск нового обрабатывающих центров с ЧПУ конкурентоспособного изделия режущим осевым инструментом отечественными производителями 2. Получение дополнительной 2. Снижение платежеспособного выгоды от сокращения расходов спроса на покупной режущий инструмент 3. Снижение зависимости 3. Отмена госзаказа на продукцию от импортной продукции предприятия

Перечисленные негативные факторы могут быть учтены в процессе управления рисками, что позволит снизить влияние слабых сторон и угроз при внедрении технологии изготовления осевого режущего инструмента. При этом выявленные возможности и сильные стороны целесообразность проведения намеченных мероприятий по внедрению технологии изготовления осевого режущего инструмента. Целесообразность внедрения технологии изготовления осевого режущего инструмента подтверждается также экономическими расчетами. Цена покупной фрезы по каталогу ISCAR: EC120B25-4C12 IC900 составляет 8750,72 руб. (четырехперая фреза диаметром 12 мм, угол

Электронный журнал: наука, техника и образование (ISSN 2413-6220)

23

подъема спирали 45 градусов, длина фрезы 83 мм, рабочая длина 25 мм). Стоимость переточки фрезы составляет 40 % от стоимости новой фрезы, процент выбраковки на переточку – 5 %. На рис. 2 приведено сопоставление затрат на производство одной фрезы на предприятии и затрат на покупку и переточку импортной фрезы.

Рис. 2. Сопоставление затрат на покупку и производство фрезы

Для оценки эффективности внедрения технологии изготовления осевого режущего инструмента, устанавливаемого на станках с ЧПУ, выбраны следующие показатели [4, 5]: 1. Чистый приведенный доход (NPV).

2. Индекс прибыльности (PI).

3. Период окупаемости (PBP). Все расчеты показателей эффективности выполняются на основе определения дисконтированных денежных потоков, вытекающих в процессе реализации проекта. Для формирования суммы притоков и оттоков денежных средств были рассчитаны статьи затрат производственной себестоимости осевого режущего инструмента [5]. При определении величины денежного потока в прогнозируемый период необходимо учитывать планируемые объемы производства осевого режущего инструмента (табл. 3). Таблица 3 Прогноз производства осевого режущего инструмента Наименование показателя 2020 2021 2022 Прогнозируемый темп роста производства, % 100,0 100,0 142,9 Планируемый объем производства фрез, шт 3500 3500 5000

Рубрика «Машиностроение» (ISSN 2413-6220)

24

На основе значений дисконтированных притоков и оттоков денежных средств были определены интегральные показатели эффективности реализации технологического процесса изготовления осевого режущего инструмента с целью импортозамещения. Чистый приведенный доход за период прогнозирования положителен и составил почти 54 миллиона рублей. Индекс прибыльности равен 3,5, что также доказывает выгодность проекта и целесообразность его проведения. Первоначальные вложения и другие затраты проекта покрываются суммарными доходами в первый год реализации. Таким образом, реализация технологического процесса изготовления осевого режущего инструмента на основе имеющихся производственных мощностей предприятия, а также с учетом приобретения пятикоординатного универсального заточного станка с ЧПУ модели «Walter Helitronic Power» позволит снизить зависимость предприятия от зарубежных поставок, а также получить дополнительный экономический эффект в случае сохранения прогнозируемых объемов производства. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ [1] [2] [3] [4] [5]

Оптнер С. Системный анализ для решения деловых и промышленных проблем. – М.: Советское радио, 1969. – 127 c. Елиферов В.Г, Репин В.Г. Бизнес-процессы: регламентация и управление. – М.: ИНФРА-М, 2006. – 319 с. Тавер Е.И. Качество как объект управления // Стандарты и качество. – М.: РИА «Стандарты и качество», 2012. – № 12. – С. 12–20. Виленкин П.Л., Лившиц В.Н., Смоляк С.А. Оценка эффективности инвестиционных проектов: теория и практика. – М.: Дело, 2010. – 888 с. Птускин А.С., Анцев В.Ю., Витчук Н.А. Методика расчета показателей эффективности проекта внедрения инструментов бережливого производства // Известия Тульского государственного университета. Экономические и юридические науки. – 2014. – № 5-1. – С. 253–266.

СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРАХ Витчук Наталья Андреевна (Vitchuk N.A.) – канд. техн. наук, доцент кафедры «Инженерных и технологических дисциплин» КГУ им. К.Э. Циолковского; Vitchuk.natalya@yandex.ru Ржевская Юлия Юрьевна (Rzhevskaya Yu.Yu.) – студент КГУ им. К.Э. Циолковского; yuliarjevskaya@yandex.ru

Электронный журнал: наука, техника и образование (ISSN 2413-6220)

25

OFFER OF MANUFACTURING TECHNOLOGY FOR AXIAL CUTTING TOOLS TO ENSURE THE QUALITY OF PRODUCTS PRODUCED ON NUMERICAL CONTROL MACHINES The paper proposes a technological route and technical regulation of the technological process of manufacturing an axial cutting tool, namely a toothed cutter, in order to reduce the dependence of the domestic enterprise on foreign supplies of similar tools. For the organization of the technological process, equipment is selected for each technological operation, and measures are specified to control the quality of the milling cutter at various stages of the technological process. Dynamic methods of calculating performance indicators were used to evaluate the effectiveness of implementing the technology for manufacturing axial cutting tools. A comparative analysis of the cost of manufacturing and purchasing a milling cutter proved the feasibility of implementing the proposed technological process at a specific enterprise.

Keywords: import substitution, technological process, axial cutting tools (toothed milling cutter), quality.

Рубрика «Машиностроение» (ISSN 2413-6220)

26

УДК 621.86 П.В. Витчук, Ю.Н. Скорская, А.С. Аракелян РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ СТАТИСТИЧЕСКОГО АНАЛИЗА РИСКА, ВОЗНИКАЮЩЕГО ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ ЛИФТОВ Показано, что целесообразным является использование статистического подхода к анализу риска, возникающего при эксплуатации лифта. Для типовых отказов лифтов и их элементов в качестве вероятности нанесения ущерба предложено использовать вероятность отказа. Разработана блок-схема программного комплекса для автоматизации анализа риска и бланк таблицы данных об отказах элементов лифтов. Предложена методика для определения рационального количества лифтов, обслуживаемых одним электромехаником, обеспечивающая соблюдение требуемого уровня безопасности. Ключевые слова: безопасность; анализ риска; лифт; отказ; база данных.

Введение. За последние 50 лет высота мегаполисов выросла почти в 2 раза. При этом основным источником вертикального перемещения попрежнему остается пассажирский лифт. Важнейшей задачей современного лифтостроения является обеспечение надежности и безопасности. В соответствии с техническим регламентом Таможенного Союза ТР ТС 010/2011 «О безопасности машин и оборудования» (пункт 7, статья 4) при проектировании лифтов следует разрабатывать документ «Обоснование безопасности». В свою очередь, документ «Обоснование безопасности» должен содержать анализ риска, возникающего при эксплуатации лифта, а также сведения из конструкторской, эксплуатационной, технологической документации о минимально необходимых мерах по обеспечению безопасности, сопровождающий лифт на всех стадиях жизненного цикла и дополняемый сведениями о результатах определения и оценки рисков на стадии эксплуатации после проведения капитального ремонта [1]. Рекомендуемая методология анализа и снижения риска для лифтов регламентируется ГОСТ Р 53387–2009 (ИСО/ТС 14798-2009) «Лифты, эскалаторы и пассажирские конвейеры. Методология анализа и снижения риска» (рис. 1). В соответствии с [2] риск характеризуется следующими составляющими: тяжестью ущерба S и вероятностью нанесения такого ущерба P . В качестве основного подхода к анализу риска этим документом предусмотрено использование методов квалиметрической оценки, но также отмечается возможность учета статистических данных. Аналогичный подход используется и для других подъемно-транспортных машин, например [3-6] и др.

Электронный журнал: наука, техника и образование (ISSN 2413-6220)

27

Рис. 1. Схема выполнения анализа и снижения риска [2]

В Калужском филиале МГТУ им. Н.Э. Баумана проводятся исследования, целью которых является разработка методики, позволяющей анализировать риски эксплуатации лифтового оборудования, и автоматизация процесса анализа риска. В связи с тем, что методы квалиметрической оценки более субъективны, чем статистические, предлагается для всех случаев, где такая возможность существует, использовать статистический подход к анализу риска. В первую очередь это касается типовых отказов лифтов и их элементов. В этих случаях в качестве вероятности нанесения ущерба может быть использована вероятность отказа Q ( t ) : Q (t ) =

t

 f ( t ) dt ,

(1)

0 где f ( t ) – плотность вероятности возникновения отказов.

На основании имеющихся данных о количестве заявок на ремонт в месяц на один лифт, в зависимости от срока его эксплуатации (рис. 2), полученных по результатам эксплуатации более 1000 лифтов г. Калуга, можно предположить экспоненциальный закон распределения надежности лифтов.

Рубрика «Машиностроение» (ISSN 2413-6220)

28

Рис. 2. Среднее количество заявок на ремонт в месяц на один лифт, в зависимости от срока его эксплуатации

Анализ рис. 2 показывает, что в первые 1,5 года эксплуатации лифта наблюдается достаточно большое количество заявок на ремонт. Это можно связать с приработкой элементов лифта; некачественным электроснабжением ввиду продолжающегося строительства, использования временных схем подключения и перепадов напряжения; интенсивным использованием лифта для перемещения строительных материалов и т.д. В следующий период эксплуатации объем заявок значительно падает, но с увеличением срока службы постепенно увеличивается, что может быть объяснено износом всего оборудования. Тогда в предположении об экспоненциальном законе распределения:  t  Q ( t ) = 1 − exp  −  λ ( t ) dt  , (2)    0  где λ ( t ) – интенсивность отказов. Исследование интенсивности отказов, а также других основных показателей надежности лифтов, находящихся в эксплуатации, и их элементов осуществляется в настоящее время и здесь не представлено. Полученные результаты будут использованы при реализации программного комплекса, позволяющего автоматизировать анализ риска (рис. 2).

Электронный журнал: наука, техника и образование (ISSN 2413-6220)

29

Рис. 2. Блок-схема программного комплекса для автоматизации анализа риска, возникающего при эксплуатации лифтов

Для удобства внесения последующих данных и корректировки результатов с учетом рекомендаций [7] был разработан бланк таблицы данных об отказах элементов лифтов (рис. 3). В бланке предлагается фиксировать подробные сведения об отказах: дата, время, наработка, содержание отказов, обстоятельства возникновения и время восстановления. Эти сведения в последствии позволят определить: условия эксплуатации компонента лифта; возможные причины возникновения отказа; вид отказа; условия, при которых возник отказ; наработка до отказа; продолжительность поиска и устранения отказа; тип и количество замененных/восстановленных элементов; трудозатраты, необходимые для устранения неисправности.

Рубрика «Машиностроение» (ISSN 2413-6220)

30

Рис. 3. Бланк таблицы для заполнения данных об отказах лифта

Помимо непосредственной задачи анализа риска, полученные данные могут быть использованы для определения рационального количества лифтов, которые может обслужить один электромеханик. Актуальность решения этой задачи обусловлена тем, что действующие нормативные документы в данной области базируются на исследованиях, проведенных несколько десятилетий назад, и не учитывают существенные изменения в конструкции лифтов и способах их обслуживания, произошедшие за эти годы. Перспективный подход к определения рационального количества лифтов, которые может обслужить один электромеханик, предложен в работе [8], в соответствии с которым процесс технического обслуживания лифтов представлен в виде системы массового обслуживания, содержащей два случайных потока с некоторыми интенсивностями – отказов λ и ремонтов μ . Построение и анализ такой системы для лифтов позволяет определить рационально количество лифтов z , которые может обслужить один электромеханик обеспечивая при этом требуемый уровень безопасности E z : E K (3) E z =  Гz   E z  , K Г где E – уровень безопасности совокупности лифтов, обслуживаемых организацией; K Гz – коэффициент готовности для z лифтов; K Г  – коэффициент готовности совокупности лифтов, обслуживаемых организацией. Несмотря на очевидные достоинства предлагаемого в [7] подхода, в нем можно выделить некоторые недостатки. Он не учитывает: различия в конструкции лифтов; обстоятельства и причины возникновения

Электронный журнал: наука, техника и образование (ISSN 2413-6220)

31

отказов; влияние квалификации (разряда) электромехаников на эффективность ремонта. С целью устранения данных недостатков зависимости, на которых базируется формула (3), были преобразованы следующим образом. Введем обозначения: пусть j – количество элементов, из которых состоит лифт (j=1…m), а i – количество лифтов, обслуживаемых организацией (i=1…n). Тогда уровень безопасности для лифтов, обслуживаемых организацией: n (4) E =  (1 − Ri ) , i =1 где Ri – риск-опасность i-го лифта. В свою очередь риск-опасность i-го лифта: Ri = bi ri , (5) где ri – ранг ремонтных затрат i-го лифта; bi – вклад i-го лифта в рископасность. m m n m ri =  r j ; Ri =  R j ; R j = b j r j ; r j =   rij nm , (6–9) i =1 j =1 j =1 j =1 где r j – ранг ремонтных затрат j-го элемента, R j – средняя риск-опасность j-го элемента, r j – средний ранг ремонтных затрат элемента лифта. Ранг ремонтных затрат j-го элемента i-го лифта: Tож + Tрij ij , (10) rij = Tож + Tр где Tож – время ожидания ремонта j-го элемента i-го лифта; Tрij – ij

время ремонта j-го элемента i-го лифта; Tож – общее время ожидания ремонта; Tр – общее время ремонта. Коэффициент готовности совокупности лифтов: To , K Г = To + Tож + Tр Средняя наработка на отказ совокупности лифтов: n To =  To n , i i=1 Наработка на отказ i-го лифта: To = mi ( Δt ) Δt j , i

(11)

(12)

(13)

где mi ( Δt ) – число отказавших элементов i-го лифта в интервале времени Δt .

Рубрика «Машиностроение» (ISSN 2413-6220)

32

Коэффициент готовности для z лифтов может быть рассчитан аналогично зависимостям (11)–(13). Выводы. Реализация предлагаемых мероприятий позволит более объективно определять и анализировать риск, возникающий при эксплуатации лифтов, автоматизировать процесс анализа риска, а также в условиях реального времени определять рациональное количество лифтов, приходящихся на одного электромеханика, и тем самым повысить надежность и качество обслуживания лифтов и их компонентов. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ [1] [2] [3]

[4]

[5]

[6]

[7] [8]

Технический регламент Таможенного союза «О безопасности машин и оборудования» (ТР ТС 010/2011). ГОСТ Р 53387–2009 (ИСО/ТС 14798-2009) «Лифты, эскалаторы и пассажирские конвейеры. Методология анализа и снижения риска». Лагерев А.В. Оптимальное управление техническим риском при проектировании гидропривода грузоподъемных машин / А.В. Лагерев, Е.А. Лагерева // Известия МГТУ «МАМИ». - 2015. – Т. 1. – № 3. – С. 60–66. Лагерев А.В. Вероятностная оценка надежности гидропривода крановманипуляторов путем имитационного моделирования потока отказов элементов / А.В. Лагерев, Е.А. Лагерева, И.А. Лагерев // Приводы и компоненты машин. – 2012. – № 2-3. – С. 2–5. Лагерев А.В. Прогнозирование кинетики показателей надежности гидроприводов подъемно-транспортной техники на основе имитационного моделирования потока отказов элементов / А.В. Лагерев, В.И. Аверченков, Е.А. Лагерева // Вестник Брянского государственного технического университета. – 2012. – № 2. – С. 8–16. Емельянова Г.А. Методология повышения надежности грузоподъемного оборудования при обеспечении требуемых критериев риска: дис. … доктора техн. наук: 05.02.02 – М., 2016. 384 с. Ртищев А.Г. Сбор, обработка и анализ информации о надежности. – М.: Стандартинформ, 1970. – 57 с. Мечиев А.Ю. Разработка путей обеспечения безопасной эксплуатации лифтов: дисс. ... канд. техн. наук: 05.05.04. – М., 2018. – 134 с.

СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРАХ Витчук Павел Владимирович (Vitchuk P.V.) – канд. техн. наук, доцент кафедры «Подъемно-транспортные системы» КФ МГТУ им. Н.Э. Баумана; zzzVentor@yandex.ru Скорская Юлия Николаевна (Skorskay Yu.N.) – ст. преподаватель кафедры «Машиностроительные технологии» КФ МГТУ им. Н.Э. Баумана; sun978@yandex.ru Аракелян Армен Степанович (Arakelyan A.S.) – начальник отдела ремонта лифтов ОАО «Калугалифтремстрой»; armen393@yandex.ru

Электронный журнал: наука, техника и образование (ISSN 2413-6220)

33

DEVELOPMENT OF A METHODOLOGY FOR STATISTICAL ANALYSIS OF THE RISK ARISING FROM THE OPERATION OF LIFT It is shown that it is advisable to use a statistical approach to the analysis of the risk that occurs during the operation of the lift. For typical failures of lifts and their elements, it is proposed to use the probability of failure as the probability of damage. A block diagram of a software package for automating risk analysis and a form of a table of data on failures of lift elements was developed. A method is proposed for determining the rational number of lifts serviced by one electrician, ensuring compliance with the required level of safety.

Keywords: safety; risk analysis; lift; load-lifting machines; failure; data base.

Рубрика «Машиностроение» (ISSN 2413-6220)

34

УДК 658.5 Н.А. Витчук, А.А. Жукова РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССАМИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ, ПРИЁМКИ И СДАЧИ ПРОДУКЦИИ С ЦЕЛЬЮ ПОВЫШЕНИЯ ИХ КАЧЕСТВА Статья посвящена вопросу идентификации продукции, ее роли при реализации этапов производственного процесса в условиях предприятия – производителя. Перечислены этапы организации процесса идентификации продукции, организации информационной поддержки идентификации и прослеживаемости продукции на предприятии, сделан акцент на важность идентификации продукции в системе управления качеством. Даны рекомендации по организации идентификации и прослеживаемости продукции с использованием цветных ярлыков. Предложена форма опросного листа для определения направлений совершенствования процессов идентификации продукции на предприятии. Ключевые слова: идентификация, ярлык, маркирование, производственный процесс, опросный лист, качество.

Одним из важнейших элементов системы качества, во многом определяющим эффективность ее функционирования, является механизм идентификации, позволяющий обеспечить прослеживаемость продукции по всему технологическому циклу ее изготовления. В соответствии с требованиями МС ИСО 9001 поставщик, где необходимо, должен устанавливать и поддерживать в рабочем состоянии методы идентификации продукции на всех этапах производства, поставки и монтажа [1]. Идентификация может быть физической и документальной. Физическая идентификация заключается в нанесении идентификатора на предмет, тару или упаковку. Документальная идентификация осуществляется в документах: нормативных, операционных, сопроводительных [2]. Отсутствие соответствующей идентификации изделий на этапах производственного процесса может привести к ряду проблем. Например, на предприятии, осуществляющем выпуск вычислительных комплексов для государственных структур и силовых ведомств, при выполнении заказа для различных представителей заказчика возникает проблема поиска номера изделия для комплектования. Это влечет за собой дополнительные затраты времени, особенно если учесть, что ежедневно осуществляется выпуск до 80 комплектов терминала. В процессе анализа производственных процессов на предприятии было установлено, что для терминалов «Эльбрус 801-РС» организована только документальная идентификация. Она заключается в установлении заводских номеров на изделия в листах привязки. Эти же номера используются в упаковочных листах.

Электронный журнал: наука, техника и образование (ISSN 2413-6220)

35

С целью решения проблемы комплектования заказов для различных представителей заказчиков и повышения качества производственных процессов предлагается ввести физическую идентификацию изделий, а именно разработать систему управления процессами изготовления, приемки и сдачи продукции военному представителю на основе этапов организации идентификации продукции [1, 2]: 1. Выбор объекта идентификации. В данном случае объектами идентификации выбраны комплекты терминала «Эльбрус 801-РС».

2. Выбор способа маркирования. В качестве способа маркирования выбраны цветные ярлыки, на которые наносится информация о представителе заказчика. Этот способ выбран как наиболее удобный и наглядный способ маркирования. Маркировка должна проводиться на этапе упаковывания готового изделия после его опечатывания. Это позволит сократить время выполнения процессов приемки и сдачи продукции представителю заказчика, так как поиск нужного комплекта будет осуществляться не по номерам, а по маркировочному признаку.

3. Разработка нормативной документации, сопровождающей процессы идентификации и маркирования. Для стандартизации процесса маркирования комплектов изделий необходимо разработать нормативную документацию и инструкции для сотрудников отдела технического контроля предприятия (ОТК). В них следует прописать, как наносить информацию на ярлыки, какого цвета ярлыки могут быть использованы для маркирования, а также закрепление определенных маркировок за конкретными представителями заказчика.

4. Оснащение рабочих мест необходимыми средствами маркирования. Рабочее место проверки и приемки изделия «терминала «Эльбрус 801-РС»» представлено на рис. 1.

Рис. 1. Планировка рабочего места проверки и приемки изделия «терминала «Эльбрус 801-РС»»: 1 – стол рабочий; 2 – шина заземления; 3 – стул лабораторный; 4 – комплект настольный антистатический

Рубрика «Машиностроение» (ISSN 2413-6220)

36

Оснащение рабочего места также включает: милиомметр, линейку измерительную, кабель DVI, монитор LCD LG, кабель сетевой, коммутатор каналов, систему акустическую, микрофон, аудио-шнур, жгут, заглушку, клавиатуру, манипулятор графический, программное обеспечение. Для выполнения маркирования комплектов изделий с целью их быстрой идентификации необходимо также оснастить рабочее место цветными ярлыками и средствами нанесения необходимой информации согласно разрабатываемой нормативной документации.

5. Контроль за соблюдением процесса маркирования. Правильность выполнения всех процедур маркирования на этапе упаковывания комплектов терминала «Эльбрус 801-РС» позволит сократить время выполнения процессов приемки и сдачи продукции представителю заказчика. Для этого необходимо контролировать действия сотрудников ОТК по соблюдению всех правил маркирования изделий, регламентированных нормативной документацией. Контроль за действиями по маркированию изделий предлагается возложить на заместителя начальника отдела технического контроля, и соответствующие изменения внести в должностные инструкции. Для информационной поддержки реализации процесса идентификации и маркирования изделий [1, 2] для комплектования и сдачи продукции представителю заказчика предлагается воспользоваться возможностями MS Excel. Для этого в первый лист заносим все блоки, модули и приборы с указанием заводских номеров (рис. 2), а во второй лист заносим комплекты (рис. 3). Заводские номера имеют привязку между листами.

Рис. 2. Лист «Лист привязки заводских номеров»

Электронный журнал: наука, техника и образование (ISSN 2413-6220)

37

Рис. 3. Лист «Комплектация изделий»

При создании соответствующего форматирования [3] (рис. 4) внесение инициалов и фамилии представителя заказчика позволит сразу окрасить ячейку в нужный цвет. Соответствующего цвета ярлык можно использовать для маркировки изделия. Таким образом, реализация предложенных мероприятий позволит улучшить качество процессов изготовления, приемки и сдачи продукции представителю заказчика, а также сократить их длительность.

Рис. 4. Применение условного форматирования к ячейкам

С целью дальнейшего совершенствования процессов идентификации и прослеживаемости изделий на этапах производственного процесса после внедрения маркирования изделий цветными ярлыками предлагается провести опрос среди сотрудников отдела технического контроля, а также представителей заказчика. Опрос будет направлен на выявление преимуществ и недостатков предложенного способа маркирования с тем, чтобы скорректировать возможные недостатки и в дальнейшем применять данный опыт идентификации и прослеживаемости на других изделиях. Опрос будет проводиться с использованием опросного листа [4], форма которого представлена на рис. 5.

1. Критерий «информативность» предполагает оценку, насколько достаточно информации, указываемой на ярлыке.

2. Критерий «удобство» подразумевает оценку, насколько удобно использовать систему обозначений в виде цветных ярлыков.

3. Оценка наглядности – определение, насколько использование цветных обозначений наглядно при комплектации заказов.

Рубрика «Машиностроение» (ISSN 2413-6220)

38

4. Доступность – оценка оснащения рабочих мест представителей ОТК всем необходимым для проведения маркирования изделий.

5. Критерий «сохраняемости» подразумевает оценку надежности бумажных ярлыков при комплектации заказов.

Рис. 5. Опросный лист

В перспективе оценка по перечисленным критериям позволит определить качество процессов приемки и сдачи продукции с использованием средств физической идентификации изделий и определить соответствующие направления совершенствования. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ [1]

[2] [3] [4]

Р 50-601-36-2018 Рекомендации. Система менеджмента качества. Идентификация и прослеживаемость продукции на предприятии (в соответствии с положениями стандартов ИСО серии 9000) – М.: ВНИИС Госстандарта, 1990. Касаткин А.В. Проблемы идентификации и прослеживаемости продукции // Стандарты и качество. – М.: РИА «Стандарты и качество», 2010. – №3 – С. 90–91. Кулешова О.В. Microsoft Excel 2010. Уровень 2. Расширенные возможности. – М.: Центр компьютерного обучения «Специалист» при МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2012. – 91 с. Анцев В.Ю., Витчук Н.А., Курдюбов Н.Н. Обоснование комплектации грузового лифта на основе методологии экспертной квалиметрии // Вестник Брянского государственного технического университета.

– 2018. – № 6 (67). – С. 46–51.

Электронный журнал: наука, техника и образование (ISSN 2413-6220)

39

СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРАХ Витчук Наталья Андреевна (Vitchuk N.A.) – канд. техн. наук, доцент кафедры «Инженерных и технологических дисциплин» КГУ им. К.Э. Циолковского; Vitchuk.natalya@yandex.ru Жукова Анастасия Андреевна (Zhukova A.A.) – студент КГУ им. К.Э. Циолковского; mrs.zhukovaaa@yandex.ru

DEVELOPMENT OF A CONTROL SYSTEM FOR MANUFACTURING, ACCEPTANCE AND DELIVERY OF PRODUCTS IN ORDER TO IMPROVE THEIR QUALITY The article is devoted to the issue of product identification, its role in the implementation of the stages of the production process in the conditions of the manufacturer. The stages of organization of the product identification process, organization of information support for identification and traceability of products at the enterprise are listed, the emphasis is placed on the importance of product identification in the quality management system. Recommendations on the organization of identification and traceability of products using color labels are given. The form of a questionnaire for determining the directions of improving the processes of product identification at the enterprise is proposed.

Keywords: identification, label, marking, production process, questionnaire, quality.

РУБРИКА 2 ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ЭЛЕКТРОНИКА CATEGORY 2 DEVICES AND ELECTRONICS

Электронный журнал: наука, техника и образование (ISSN 2413-6220)

41

УДК 53.082.52 С.А. Адарчин, А.А. Конохов СРАВНЕНИЕ НЕЛИНЕЙНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ ФОТОДИОДОВ ПРИ РАБОТЕ С ЛАЗЕРАМИ В работе сравнивается нелинейность чувствительности фотодиодов в фотогальваническом режиме подключения при воздействии на них импульсного лазерного излучения различной мощности. Длительность и длина волны излучения остаются неизменны. Ключевые слова: фотодиод, лазер, нелинейность.

Введение. В современном мире огромную роль приобрели лазеры. Они применяются не только в военной технике, но и в медицине, спорте, а также других всевозможных областях нашей жизни. В связи с этим очень актуальным является вопрос о том, как правильно измерить характеристики лазерного излучения, и один из методов – с помощью фотодиодов [1-3]. Целью данной работы является сравнение нелинейности показаний фотодиодов при воздействии лазерного излучения с целью нахождения наилучшего варианта для использования в измерительной технике. Одним из производителей измерителей параметров лазерного излучения является компания ООО «Бином». В результате разработки нового оборудования ИМИ-03 потребовалось найти фотодиод с оптимальными параметрами нелинейностями характеристик при постепенном увеличении мощности лазерного излучения. Исследовательская часть. В данном исследовании проводится сравнение четыр ех фотодиодов [2]:  ФД263;  ФД263-01;  S1223;  BPW34. Выбор данных фотодиодов обусловлен конструкцией измерительной части аппарата ИМИ-03, а также их спектральной чувствительностью. Одной из важнейших характеристик фотодиодов является спектральная чувствительность. Она представляет собой зависимость фототока от длины волны излучения, попадающего на фотодиод. Согласно документации, длина волны максимума спектрального распределения фоточувствительности ФД263 и ФД263-01 составляет от 800 нм до 900 нм [3-4]. На рисунке 1 представлена спектральная чувствительность данных типов фотодиодов.

Рубрика «Приборостроение и электроника» (ISSN 2413-6220)

42

Рис. 1. Спектральная чувствительность фотодиодов ФД263 и ФД263-01

Спектральная характеристика фотодиода S1223 представлена на рисунке 2.

Рис. 2. Спектральная чувствительность фотодиода S1223

Пик спектральной чувствительности данного типа светодиода достигается на отметке от 900 нм до 1000 нм [5]. Фотодиод BPW34, в свою очередь, обладает спектральной чувствительностью, которая представлена на рисунке 3.

Электронный журнал: наука, техника и образование (ISSN 2413-6220)

43

Рис. 3. Спектральная чувствительность фотодиода BPW34

Как видно из рисунка, пик чувствительности данного фотодиода достигается на отметке от 850 нм до 950 нм [6]. Согласно данным спектральной фоточувствивтельности фотодиодов был подобран импульсный лазер с длиной волны излучений 890 нм, мощностью 15 Вт и длительностью импульса 100 нс. В качестве пускового блока для лазера использовался аппарат УзорМед-Б-3К. Посредством данного блока осуществляется управление мощностью лазера. Также в ходе исследования была разработана установка для сравнения нелинейности фотодиодов, представленная на рисунке 4.

Рис. 4. Установка для исследования нелинейных характеристик чувствительности фотодиодов: 1 – непрозрачный короб; 2 – исследуемый фотодиод, помещенный в короб; 3 – лазер

Фотодиод включен в фотодиодном режиме. В этом режиме на фотодиод пода ется внешнее обратное напряжение, которое в данном исследовании составляет 12 В. После подключения фотодиода вплотную к отверстию в коробе устанавливается лазер 3. Расстояние между отверстием и фотодиодом составляет 150 мм. Само отверстие располагается точно над активной областью фотодиода. В ходе проведения исследований были получены данные для каждого из фотодиодов, которые сведены в таблицу 1.

Рубрика «Приборостроение и электроника» (ISSN 2413-6220)

44

Таблица 1 Зависимость напряжения на фотодиодах от мощности лазера Мощность Напряжение, снимаемое с фотодиода, В лазера, % ФД263 ФД263-01 S1223 BPW34 0 0,625 0,662 0,437 0,304 5 1,031 1,025 0,63 0,468 10 1,4 1,453 0,859 0,669 15 1,71 1,781 1,016 0,818 20 2,06 2,125 1,17 0,987 25 2,4 2,453 1,3 1,137 30 2,64 2,734 1,4 1,25 35 2,95 3,016 1,5 1,391 40 3,25 3,266 1,58 1,5 45 3,45 3,5 1,64 1,594 50 3,75 3,719 1,7 1,7 55 3,9 3,938 1,78 1,781 60 4 4,094 1,81 1,859 65 4,2 4,25 1,87 1,922 70 4,4 4,375 1,9 2 75 4,53 4,5 1,94 2,047 80 4,71 4,563 1,95 2,109 85 4,84 4,719 2 2,172 90 5 4,813 2,016 2,219 95 5,1 4,875 2,03 2,266 100 5,15 4,938 2,06 2,328

На основании полученных данных был построен график, изображенный на рисунке 5.

Рис. 5. Зависимость напряжения, снимаемого с фотодиода, от мощности лазера

Электронный журнал: наука, техника и образование (ISSN 2413-6220)

45

Как видно из графика, для фотодиодов ФД263-01, S1223, BPW34 с увеличением мощности лазера характерно вс е большее уменьшение отношения напряжения, снимаемого с фотодиода, и мощности лазера. В то время как фотодиод ФД263 демонстрирует наиболее «линейную» зависимость. Следовательно, данный фотодиод наилучшим образом подходит для работы с лазерным излучением. Вывод. Проанализировав полученные в ходе опыта данные, можно сделать вывод, что с увеличением мощности лазерного излучения, падающего на фотодиод, нелинейность чувствительности фотодиодов постепенно возрастает, причем степень возрастания зависит от применяемого фотодиода. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ [1] [2] [3] [4] [5] [6]

Андреева О.В., Парамонов А.А., Павлов А.В., Артемьев С.А., Ионина Н.В., Крылов В.Н., Златов А.С. Экспериментальный практикум по оптоинформатике: учебное пособие. – СПб: СПбГУИТМО, 2008. – 136 с. Туркулец В.И., Удалов Н.П. Фотодиоды и фототриоды – М: Госэнергоиздат, 1968. – 66 с. Филачев А.М., Таубкин И.И., Тришенков М.А. Твердотельная фотоэлектроника. Фоторезисторы и фотоприемные устройства – М: Физматкнига, 2012. – 368 с. Кремниевые фотодиоды справочник – [Электронный ресурс]. – URL: http://radio-uchebnik.ru/shem/12-spravochnye-materialy/1216-kremnievyefotodiody-spravochnik (дата обращения 12.04.2020).

Hamamatsu Photonics S1223 – [Электронный ресурс]. – URL: https://docs.rs-online.com/ec2b/0900766b80d838f0.pdf (дата обращения 14.04.2020).

Silicon PIN Photodiode – [Электронный ресурс]. – URL: https://www.vishay.com/docs/81521/bpw34.pdf (дата обращения 14.04.2020).

СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРАХ Адарчин Сергей Александрович (Adarchin S.A.) – канд. техн. наук, доцент кафедры «Проектирование и технология производства электронных приборов»; adarchin@rambler.ru Конохов Алексей Александрович (Konokhov A.A.) – студент КФ МГТУ им. Н.Э. Баумана; james672@yandex.ru COMPARISON OF NONLINEAR SENSITIVITY CHARACTERISTICS OF PHOTODIODES WHEN WORKING WITH LASERS The paper compares the nonlinearity of the sensitivity of photodiodes in the photovoltaic mode of connection when exposed to pulsed laser radiation of different powers. The duration and wavelength of the radiation remain unchanged.

Keywords: photodiode, laser, nonlinearity.

РУБРИКА 3 ЕСТЕСТВЕННЫЕ НАУКИ CATEGORY 3 NATURAL SCIENCES

Электронный журнал: наука, техника и образование (ISSN 2413-6220)

47

УДК 661.66 Б.Т. Ермагамбет, М.К. Казанкапова, Ж.М. Касенова, А.Т. Наурызбаева СИНТЕЗ УГЛЕРОДНЫХ НАНОСОРБЕНТОВ ИЗ ОКИСЛЕННОГО БУРОГО УГЛЯ В работе представлен метод получения углеродных наносорбентов из окисленного угля Шоптыкольского месторождения (бассейн «Майкубен»). Синтез проведен путем измельчения угля, пропитки угля сухой щелочью при соотношении уголь/щелочь – 1: 0,5 и 1:1 и карбонизации при 800С . Изучены адсорбционные характеристики адсорбентов методом Брунауэра-Эммета-Теллера (БЭТ). Химический анализ и морфология поверхности изучены методом энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии. В результате получены нанопористые адсорбенты с зольностью – 7, 04 − 6, 24 % , удельной поверхностью – 1046,81 − 1058,81 м 2 г , удельным объемом пор – 0, 448 − 0, 437 см 3 г и размером нанопор – 49, 6 − 83, 4 нм .

Ключевые слова: окисленный бурый уголь, импергирование, щелочь, наносорбент, углеродные нанотрубки (УНТ).

Введение. В настоящее время производство активированного угля обрело новые перспективы в связи с возможностью получения материалов с развитой нанопористой структурой для решения различных задач, в том числе защиты биосферы от антропогенного воздействия, в атомной энергетике, в современных устройствах для хранения и передачи энергии. При этом масштабы использования нанопористого углерода ограничиваются достаточно высокой стоимостью материалов. Поэтому актуальной задачей является разработка новых методов получения пористых углеродных материалов с требуемым комплексом свойств из дешевых видов сырья. Проблема утилизации углесодержащих отходов и некондиционных окисленных углей приобретает особую актуальность в крупных угледобывающих центрах. Поэтому в настоящее время существует настоятельная потребность в разработке эффективных способов утилизации этих некондиционных углей, как вторичного сырьевого ресурса. Одно из направлений использования естественно окисленных углей – получение на их основе высокопористых углеродных материалов для сорбционной очистки сточных и питьевых вод, для синтеза композиционных материалов, других востребованных продуктов. Для этого широко используют методы щелочной активации бурых углей, позволяющие получать адсорбенты с хорошо развитой микропористой структурой. Такие материалы могут проявлять высокую селективность к сорбции низкомолекулярных газов, что делает возможным их использование в газоразделительных процессах.

Рубрика «Естественные науки» (ISSN 2413-6220)

48

Существуют различные схемы получения углеродных материалов, которые включают подготовку и модифицирование исходного угля, карбонизацию и последующую активацию газом или химическим реагентом [1]. Одним из перспективных путей получения пористых углеродных материалов из углеродистого сырья является использование щелочных активирующих агентов в процессах термической обработки [2–7]. В контакте со щелочью буроугольная решетка начинает перестраиваться уже при комнатной температуре, а при нагревании щелочь способствует развитию удельной поверхности, увеличению общего объема пор и объема микропор. В работе [8] показано, что KOH является лучшим активирующим агентом по сравнению с NaOH . Повышенная эффективность KOH связана с большим ионным радиусом калия (0,267 нм) по сравнению с таковым у натрия (0,190 нм). Среда активации ( N 2 , CO 2 или H 2 O ) также оказывает влияние на структурные свойства активного угля. Было обнаружено, что в сравнении с CO 2 и водяным паром азот является хорошей альтернативой в качестве среды активации. При нагреве смеси щелочь плавится (температура плавления в нормальных условиях NaOH и KOH – 318 С и 360 С соответственно). Среди огромного количества сопутствующих реакций основную реакцию можно записать как: 6MOH+2C → 2M +2H 2 + 2M 2CO3 , где M – Na или K . При увеличении массового соотношения щелочь/уголь, температуры нагрева и времени выдержки повышается пористость угля и увеличивается удельная поверхность полученного угля. Калий, образующийся непосредственно в процессе активации с KOH , внедряется между графеновыми слоями углеродного кристаллита. Такое внедрение сильнее выражено в случае с углеродными материалами высокой упорядоченности. Образование карбонатов щелочных металлов и их последующее разложение при высоких температурах (  800 С ) с выделением CO и CO 2 является общей чертой активации с KOH . Образование газов, таких как CO и CO 2 , также происходит в процессе удаления летучих из углеродного сырья [9]. Известно, что в результате выветривания в пластовых условиях органическая масса углей приобретает новый набор различных кислородсодержащих групп, а наличие подобного рода функциональных групп обуславливает высокую реакционную способность углей по отношению к активирующему агенту (например, KOH ), что положительно влияет на процесс химической активации в процессе их карбонизациит [1]. Целью работы является исследование способа получения углеродных сорбентов из окисленного угля «Шоптыколь» Майкубенского бассейна, облодающий развитой структурой и высокими адсорбционными характеристиками.

Электронный журнал: наука, техника и образование (ISSN 2413-6220)

49

Методика проведения измерений Размер частиц исходного угля исследован на приборе Mastersizer 3000. Влажность, зольность и летучесть образцов были определены на термогравиметрическом анализаторе «Thermoster Eltra» (согласно ASTM D7582-12). Термогравиметрические кривые образцов получены на синхронном термогравиметрическом (дифференциальном) термическом анализаторе Perkin Elmer STA 6000. Суммарный объем пор, насыпную плотность, pH водной вытяжки, адсорбционную активность по метилоранжу определены в соответствии с методиками [10, 11]. Адсорбционные характеристики сорбентов (удельная площадь поверхности, удельный объем пор) изучали методом Брунауэра-Эммета-Теллера (БЭТ), измерения проводены на приборе Катакон Sorbtometer M и Quadrasorb. Химический анализ и морфология поверхности изучены методом энергодисперсионной рентгеновской спектроскопиина приборе SEM (Quanta 3D 200i) с приставкой для энергодисперсионного анализа от EDAX, так же на просвечивающем электронном микроскопе JEM1400 PLUS (JEOL, Japan). Для получения наносорбента навеска измельченного (6,88-401 мкм) окисленного бурого угля ( Wt r – 6,36 % , Ar – 47, 73 % , V d – 32,83 % ) пропитывалась в течение 24 часов 50 % -ным раствором щелочи ( KOH ) при определенном соотношении уголь/щелочь – 1: 0,5 и 1:1 . Далее смесь сушилась и помещалась в вращающаяся в трубчатый печь для проведения процесса карбонизации при нагреве до 800 С со скоростью 10 С мин и выдерживание при 800 С в течение 60 минут. Далее образцы вынимались и помещались в сухую атмосферу для остывания. Остывший адсорбент промывается от остатков щелочи и сушится при 105 С до постоянной массы. Результаты и их обсуждение Результаты элементного состава и физико-химических характеристик образцов представлены в таблицах 1 и 2.

Наименование Исх. уголь Исх.

1: 0,5 Карб.

1: 0,5 Исх.

1:1

Карб.

1:1

C

Таблица 1 Результаты элементного анализа образцов Содержание элементов, мас. % Si S O Ca Fe Ti Cl Na Mg Al K

57,10 25,14 0,73 0,44 4,76 8,53 0,23 0,29 1,69 0,59 0,35 0,15 50,12 18,40

-

-

88,94

9,03

-

0,20

18,74 26,55

-

-

87,75

7,59

0,38

1,16 3,56 -

-

0,58 1,24 -

-

-

26,75

-

-

-

52,89

-

-

-

-

-

-

1,15 - 0,68 -

-

-

-

0,91 - 0,52 -

Рубрика «Естественные науки» (ISSN 2413-6220)

50

Таблица 2 Физико-химические характеристики наносорбентов V по V r насып , AM , S BET ,  по Уголь/ Wt , A r , V d , pH

щелочь

%

%

%

1: 0,5 15,92 7,04 34,46 1:1 24,88 6,24 31,26

воде, 3

см г

0,61 0,56

г см

3

0,427 0,402

вод.вытяж

9,06 9,13

мг г

2

м г

газу, 3

см г

d пор

,

нм

34,10 1046,81 0,448 71,7-83,4 35,00 1058,15 0,453 49,6-81,8

Как видно из полученных данных после термохимической активации, удельная поверхность полученных продуктов 2 ( 1046,81 − 1058,81 м г ) увеличались по сравнению с исходным углем ( 3, 222 м 2 г ) в 325−328 раз. Выявлено уменьшение содержания золы ( Ar ) при активации угля и последующей отмывке активированного материала водой до 7, 04 − 6, 24 % , который в почти в 7 раз ниже по сравнению с исходным сырьем ( 47, 73 % ). Так как при повышенных температурах гидроксид калия реагируют с углеродом с образованием газообразных оксидов углерода, что приводит к образованию пористой структуры в углеродном материале и увеличению его поверхности. Также имеет место восстановление ионов металлов до металла, которые внедряются между слоями углерода. После обработки водой этот процесс также приводит к появлению пор. Следует отметить что в процессе активации с гидроксидом калия неорганического вещества (в особенности кремния) образуют водорастворимые силикаты калия, что и приводит к уменьшению содержания золы после активации и отмывки: SiO 2 +2KOH → K 2SiO 3 + H 2O. Что подтверждает результаты элементного состава, где после термохимической обработки содержание элементов: натрия, алюминия, кремния, калия, железа, так же серы и хлора не обнаружены, а содержание магния и кальция уменьшились на несколько порядок. Содержание углерода увеличились от 57,10 % до 88,94 − 87, 75 % , в связи уменьшением зольного остатка. Микроснимки исходных образцов уголь/ KOH при 1: 0,5 и 1:1 представлены на рисунке 1. При анализе морфологии образца установлено, что поверхность представлена неоднородностью структуры с размерами частиц от 500 нм до 1,54 мкм.

Электронный журнал: наука, техника и образование (ISSN 2413-6220)

а

51

б

Рис. 1. Электронно-микроскопические снимки исходных образцов уголь/ KOH : а − 1: 0,5 ; б − 1:1

Электронно-микроскопические снимки карбонизованных образцов приведены на рисунке 2; характеризуются: хлопьевидными включениями в углеродной матрице, встречаются частицы пластинчатоступенчатой формы, также на поверхности отчетливо видны частицы углеродных нанотрубок с диаметром от  71, 7 до  83, 4 нм при соотношении уголь/ KOH 1: 0,5 и от  49, 6 до  81,8 нм при соотношении 1:1 , которые могут образоваться газофазным осаждением углеродных матриц на поверхности металических активных частиц (нпр. Ti ) присутствующие в составе продукта, которые могут выступать в качестве катализатора.

а

б

Рис. 2. Электронно-микроскопические снимки карбонизованного адсорбентов на основе уголь/ KOH : а − 1: 0,5 ; б − 1:1

Процесс формирования УНТ включает следующие последовательные стадии: полное разложение углеводорода на одной из граней металла с адсорбцией на ней атомов углерода, их растворение и диффузию через объем металлического кристаллита с последующим выделением и формированием графена на другой грани. При этом образовавшийся

Рубрика «Естественные науки» (ISSN 2413-6220)

52

графен отслаивается от поверхности металла, уступая место для роста следующего, так и образуется углеродные нанотрубки на поверхности образца. На рисунке 3 представлены изотермы адсорбции-десорбции азота исследуемых образцов. Изотермы адсорбции характеризуют пористую структуру материала, и позволяет определить ряд ее свойств. Внешний вид изотерм адсорбции азота образцами наносорбентов можно отнести к изотермам І типа по классификации IUPAC [12, 13], которая вогнута p p0 относительно , на изотерме присутствует горизонтальное плато, p p0 = 1 которое может подходить к оси почти под прямым углом или иметь вблизи нее резкий подъем. Такого типа изотермы присущий в основном к микропористым образцам. Ширина микропор не превышает несколько диаметров молекулы, силовые поля соседних стенок пор перекрываются, и энергия взаимодействия твердого тела с молекулой газа возрастает.

а

б

Рис. 3. Изотермы адсорбции-десорбции активированных адсорбентов на основе уголь/ KOH : а − 1: 0,5 ; б − 1:1

По результатам адсорбционным характеристикам можно сделать вывод что адсорбенты импергированные гидроксидом калия имеют высокий удельный объем пор, и оптимальном соотношением является 1: 0,5 , так как увеличение содержание щелочи ( 1:1 ) не влияет на адсорбционные характеристики. Были изучены термогравиметрические кривые исследуемых образцов (рис. 4).

Электронный журнал: наука, техника и образование (ISSN 2413-6220)

а

53

б

Рис. 4. Изменение массы исходного угля (а) месторождения «Шоптыколь окисленный» и адсорбента (б) «Шоптыколь оксиленный»: KOH ( 1: 0,5 )

Как видно из рисунка 4, по сравнению с исходным образцом, у кривых активированного адсорбента на основе окисленного угля «Шоптыколь» импергированным щелочью ( KOH ) в соотношениях 1: 0,5 , изчезают стадии II и III по потери масс, что свидетельствует о том, что в образце отсутствуют летучие газообразные компоненты и смольная часть характерные для исходного угля. Изучены морфология образцов (изображения) на просвечивающем электронном микроскопе (ПЭМ) с цифровой камерой Gatan One View 16 Мп при ускоряющем напряжении 80 кВ (рис. 5).

Рис. 5. ПЭМ микрофотография активированного адсорбента на основе окисленного угля «Шоптыколь» импергированным гидроксидом калия ( 1: 0,5 )

Из микрофотографий (рис. 5) обнаружено, что в составе активированного адсорбента на основе окисленного угля «Шоптыколь» импергированным гидроксидом калия присутствет УНТ с диаметром от 20 до 70 нм, также мелкие поры с размерами от 10 до 15 нм. Полученный активированный адсорбент на основе уголь/ KOH в соотношении 1: 0,5 был апробирован по очистке газов. Сорбционно-кинетические характеристики образца определяли методом хроматогра-

Рубрика «Естественные науки» (ISSN 2413-6220)

54

фии газов. Из данных хроматографии определяли удельные удерживаемые объемы газов, из их соотношения – коэффициенты селективности разделения. Результаты испытаний представлены в таблице 3.

№

1

Таблица 3 Результаты исследований удельной удерживаемой объема газов коэффициенты селективности разделения адсорбента Результаты Еденицы Определяемые показатели испытаний измерения Удельные удерживаемые объемы газов (по данным газовой хроматографии) при 30 С Азот 4,43 см3/г

2

Кислород

4,35

см3/г

3

Метан

22,61

см3/г

4

Водород

0,27

см3/г

5

Монооксид углерода

7,12

см3/г

6

Углекислый газ

106,3

см3/г

7

Пропан

24,62

см3/г

8

Бутан см3/г Диоксид серы при 30 С , поглощение 9 см3/г полное 70 С , 100 С и 130 С Диоксид азота при 30 С , поглощение 10 см3/г полное 70 С , 100 С и 130 С Коэффицент селективности разделения газов (отношение удерживаемых объемов) CH 4 / N 2 1 5,1 2

CH 4 / CO

3,17

3

CO / H 2

26,5

4

CO2 / CH 4

4,7

По данным удельным удерживаемым объемом газов и коэффицента селективности разделения газов, адсорбенты показали наилучшие показатели по очистке углекислого газа ( 106, 3 см 3 г ), диоксиду серы (полное поглощение), диоксида азота (полное поглощение), пропан ( 24, 62 см 3 г ), метан ( 22, 61 см 3 г ), монооксид углерода ( 7,12 см 3 г ), что позволяет применить их для очистки дымовых газов. Выводы Подводя итоги можно сказать, что углеродные сорбенты, полученные термолизом из окисленного Шоптыкольского угля, пропитанного раствором гидроксида калия, обладают развитой удельной поверхно1046,810 − 1058,146 м 2 г стью и удельным объемом пор 0, 453 − 0, 448 см 3 г , вследствие образования углеродных нанотрубок

Электронный журнал: наука, техника и образование (ISSN 2413-6220)

55

(УНТ). Данные углеродные материалы могут найти применение для эффективной очистки дымовых газов, жидких промышленных сбросов и питьевой воды, также в области сверхпроводниковых материалов, конденсаторов и топливных элементов. Работа выполнена в рамках проекта № ИРН AP05130707 по теме «Разработка технологии и создание производства углеродных нанокомпозитных материалов на основе минерального отечественного сырья для очистки газовой фазы и сточных вод» и научно-технического программы № ИРН BR05236359 «Научно-технологическое обеспечение переработки углей и производство продуктов углехимии высокого передела» финансируемых Комитетом науки МОН РК. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ Козлов А.П., Зыков И.Ю., Дудинкова Ю.Н., Федорова Н.И., Исмагилов З.Р. Синтез углеродных сорбентов из природноокисленного Барзасского угля, импрегнированного гидроксидом калия // Вестник Кузбасского государственного технического университета. – 2017. – № 4. – С. 170–175.

[2] Ю.Н. Дудникова, С.А. Созинов, Н.И. Федорова, З.Р. Исмагилов. Адсорбционный метод исследования пористой структуры полукоксов на основе ископаемых углей // Электронный журнал: наука, техника и образование. – 2019. – № 1 (23). – С. 82–89.

[3] Н.В. Чесноков, Н.М. Микова,И.П. Иванов, Б.Н. Кузнецов. Получение углеродных сорбентов химической модификацией ископаемых углей и растительной биомассы // Journal of Siberian Federal University. Chemistry 1. – 2014. – № 7. – С. 42–53.

[4] Ворсина Е.В., Москаленко Т.В., Михеев В.А. Получение углеродных сорбентов химической модификацией бурого угля Харанорского месторождения // Журнал Современные проблемы науки и образования. – 2015. – № 2 (часть 3).

[5] Курилкин А.А., Мухин В.М., Киреев С.Г., Каргальцева Л.А. Углеродные адсорбенты, модифицированные гидроксидом калия // Сорбционные и хроматографические процессы. – 2010. – Т. 10. – Вып. 4. – С. 515–521.

[6] М.А. Журилова, И.В. Янилкин, Е.А. Киселева, И.Н. Атаманюк, Е.И. Школьников. Нанопористые активированные угли для суперконденсаторов с водным и органическим электролитами // Изв. вузов. Химия и хим. технология. - 2017. – Т. 60. – Вып. 4. – С. 82–87.

[7] Д.Е. Вервикишко, И.В. Янилкин, Г.В. Добеле, А. Вольпертс, И.Н. Атаманюк, А.А. Саметов, Е.И. Школьников. Активированный уголь для электродов суперконден-саторов с водным электролитом // Теплофизика высоких температур. – 2015. –Т. 53. – Вып. 5. – С. 799–806.

[8] Hye-Ryun Hwang. The preparation of an adsorbent from mixtures of sewage sludge and coal-tar pitch using an alkaline hydroxide activation agent // Journal of Analytical and Applied Pyrolysis. – 2008. – V.83, iss. 2. – P. 220–226.

[9] Тамаркина Ю.В. Термоинициируемые реакции угля с гидроксидами щелочных металлов // Науч. тр. Донецк. нац. техн. ун-та. Сер. Химия и химическая технология. – 2010. – № 14 (162). – С.70.

[10] СТ РК 2246-2012. Угли активированные. Общие технические условия.

[1]

Рубрика «Естественные науки» (ISSN 2413-6220)

56

[11] Кабулов А.Т., Нечипуренко С.В., Ефремов СА. Получение и исследование новых углеродных материалов из растительных отходов и их применение в очистке газовоздушных смесей // Труды Кольского научного центра РАН. – 2015. – № 5 (31). – С. 527–531.

[12] IUPAC Reporting physisorption data for gas/solid system // Pure Appi.

Chem., 57, 603 (1985).

[13] S. Brunauer, L. S. Deming, W. E. Deming and E. Teller. On a Theory of the van der Waals Adsorption of Gases // Journal of the American Chemical Society. – 1940. – V. 62. – Р. 1723–1732.

СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРАХ Ермагамбет Болат Толеуханович (Yermagambet B.T.) – д-р хим. наук, проф., директор ТОО «Институт химии угля и технологии»; coaltech@bk.ru Казанкапова Майра Куттыбаевна (Kazankapova M.K.) – PhD, ведущий научный сотрудник ТОО «Институт химии угля и технологии»; maira_1986@mail.ru Касенова Жанар Муратбековна (Kassenova Zh.M.) – зам. директора ТОО «Институт химии угля и технологии»; zhanar_k_68@mail.ru Наурызбаева Асемай Турланкызы (Nauryzbayeva A.T.) – младший научный сотрудник ТОО «Институт химии угля и технологии»; asemai_2296@mail.ru SYNTHESIS OF CARBON NANOSORBENTS FROM OXIDIZED BROWN COAL The paper presents a method for producing carbon nanosorbents from oxidized coal of the Shoptykol deposit (Maykuben basin). The synthesis was carried out by grinding coal, impregnating coal with dry alkali at a coal / alkali ratio of 1: 0,5 and 1:1 and carbonization at 800 С . The adsorption characteristics of adsorbents were studied by the Brunauer-Emmett-Teller (BET) method. Chemical analysis and surface morphology were studied by energy dispersive x-ray spectroscopy. As a result, nanoporous adsorbents were obtained with an ash content of 7, 04 − 6, 24 % , specific surface area of 3 1046,81 − 1058,81 m 2 g , specific pore volume of 0, 448 − 0, 437 сm g and nanopore size of 49, 6 − 83, 4 nm .

Keywords: oxidized brown coal, imperning, alkali, nanosorbent, carbon nanotubes (CNTs).

РУБРИКА 4 ФИЗИКА КОНДЕНСИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ. МИКРО- И НАНОЭЛЕКТРОНИКА CATEGORY 4 CONDENSED MATTER PHYSICS MICRO- AND NANOELECTRONICS

Рубрика «Физика конденсированного состояния. Микро- и наноэлектроника» (ISSN 2413-6220)

58

УДК 538.9 Д.В. Андреев, В.С. Кулагин АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ УСТАНОВКА ИЗМЕРЕНИЯ КВАЗИСТАТИЧЕСКИХ ВОЛЬТ-ФАРАДНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК МДП-СТРУКТУР В работе рассматривается автоматизированная установка измерения квазистатических вольт-фарадных (C-V) характеристик МДП-структур. Установка реализована на базе измерительного оборудования National Instruments. Приведена блок-диаграмма управляющей установкой программы, реализованной в NI LabVIEW. На установке проведены измерения квазистатических С-V характеристик тестовых МДП-структур. Ключевые слова: МДП-структура, квазистатические C-V характеристики, автоматизированная установка.

Введение В настоящее время структуры металл-диэлектрик-полупроводник (МДП) являются основой большинства полупроводниковых приборов [1-3]. Одним из важнейших параметров, влияющих на работоспособность МДП-прибора, является качество диэлектрической пленки. Для контроля качества подзатворного диэлектрика часто используется анализ квазистатических C-V характеристик исследуемой МДП-структуры [4]. Данная работа посвящена разработке установки, предназначенной для измерения квазистатических вольт-фарадных характеристик МДПструктур. Для реализации установки использовались следующие модули National Instruments: генератор функций NI PXI-5451, мультиметр NI PXI-4071 в режиме измерителя тока. Весь процесс измерений контролируется программой, написанной в NI LabVIEW. Квазистатический метод контроля заключается в измерении тока смещения, протекающего через МДП-структуру при линейной развертке напряжения, прикладываемого к затвору (VG ) (рис. 1). При реализации данной методики величина тока смещения I s пропорциональна емкости МДП-структуры [5-8]. Если величина напряжения, прикладываемого к затвору, описывается следующим выражением (1) VG ( t ) = α  t , где VG ( t ) – значение напряжения на затворе в момент времени t, В; α – скорость изменения напряжения, В/с; t – значение времени, с, то величина тока смещения I s dQМ dQМ dVG (2) Is = = = C  α, dt dVG dt

Электронный журнал: наука, техника и образование (ISSN 2413-6220)

59

где QM – заряд на металлическом электроде, Кл; C – емкость МДПструктуры, Ф; I s – значение тока смещения, А. Если емкость МДП-структуры зависит от напряжения, прикладываемого к затвору, так, как это показано в (3) (3) C = C (VG ) , то и ток смещения также будет зависеть от напряжения на затворе I s = I s (VG ) .

(4)

На рисунке 1 приведена структурная схема установки.

Рис. 1. Структурная схема установки для измерения квазистатических C-V характеристик МДП-структур

В качестве генератора линейно изменяющегося сигнала используется модуль NI PXI-5451. Измерения проводились на частотах 0,1 Гц, 0,2 Гц, 0,5 Гц, 1 Гц. В качестве пикоамперметра (рис. 1) используется мультиметр NI PXI-4071 в режиме измерителя тока. Его чувствительность составляет 10 пА, что вполне достаточно для измерения тока смещения через МДПструктуру. Тестируемая МДП-структура устанавливается в специальное контактирующее устройство для снижения наводок [5, 9-14]. На рисунке 2 представлена лицевая панель (front panel) программы, написанной в NI LabVIEW.

Рис. 2. Лицевая панель программы LabVIEW

На рисунке 3 приведена блок-диаграмма (block diagram) программы в LabVIEW.

Рубрика «Физика конденсированного состояния. Микро- и наноэлектроника» (ISSN 2413-6220)

60

Рис. 3. Блок-диаграмма программы LabVIEW

Управляющая программа работает следующим образом. Генератор линейно изменяющегося сигнала подает напряжение на МДПструктуру с заданной скоростью изменения напряжения α; одновременно с генерацией линейно изменяющегося сигнала осуществляется измерение тока смещения через МДП-структуру с последующим пересчетом тока в емкость и выводом результатов на график. Помимо вывода результатов на график программа формирует файл с измерениями в формате .csv, с помощью последующей обработки которого можно рассчитать электрофизические параметры тестовой структуры. Полученные данные также можно импортировать в другое ПО для упрощения их анализа. В качестве тестируемых МДП-структур использовались структуры AlSiO2-Si. На рисунке 4 приведены измеренные на тестовой МДПструктуре квазистатические C-V характеристики, построенные в MathCAD.

Электронный журнал: наука, техника и образование (ISSN 2413-6220)

61

Рис. 4. Квазистатические C-V характеристики исследуемой структуры

Таким образом, разработана автоматизированная установка для измерения квазистатических C-V характеристик МДП-структур с использованием измерительного оборудования от National Instruments. С помощью разработанной установки были измерены квазистатические C-V характеристики тестовой МДП-структуры. Отдельные результаты статьи получены при поддержке Министерства науки и высшего образования в рамках госзадания по проекту "Фундаментальные исследования методов цифровой трансформации компонентной базы микро- и наносистем" №0705-2020-0041. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ [1] [2]

[3]

Гуртов, В. А. Твердотельная электроника: учеб. пособие / В. А. Гуртов.

– Петрозаводск: Изд-во ПетрГУ, 2004. – 312 с. Андреев В.В., Барышев В.Г., Столяров А.А. Инжекционные методы исследования и контроля структур металл-диэлектрик-полупроводник: монография. – М: Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2004. – 256 с. Андреев В.В. Физические основы наноинженерии: учебное пособие для студентов вузов, обучающихся по направлению 152200 "Наноинженерия" / В. В. Андреев, А. А. Столяров; под ред. В. А. Шахнова. Москва, 2011. Сер. 16 Библиотека "Наноинженерия": комплект учебно-методических комплексов дисциплин по тематическому направлению деятельности национальной нанотехнологической сети "Наноинженерия": в 17 кн.

Рубрика «Физика конденсированного состояния. Микро- и наноэлектроника» (ISSN 2413-6220) [4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12] [13]

[14]

62

Palumbo F., Wen, C., Lombardo S., Pazos S., Aguirre F., Eizenberg M., Hui F., Lan-za M. A Review on Dielectric Breakdown in Thin Dielectrics: Silicon Dioxide, High-k, and Layered Dielectrics. Adv. Funct. Mater., 2019, v.

1900657, pp. 1900657(1–26).

Strong A., Wu E., Vollertsen R., Sune J., Rosa G., Rauch S., Sullivan T. Reliability Wearout Mechanisms in Advanced CMOS Technologies. IEEE Press Series on Mi-croelectronic Systems. Wiley, 2009, 624 p.

Kumar, S., Kumar, M.V. & Krishnaveni, S. Fabrication and Analysis of the Current Transport Mechanism of Ni/n-GaN Schottky Barrier Diodes through Different Models. Semiconductors 54, 169–175 (2020). Андреев В.В. Барышев В.Г., Бондаренко Г.Г., Столяров А.А. Метод многоуровневой токовой нагрузки для исследования генерации и релаксации положительного заряда в МДП-структурах // Микроэлектроника. – 2003. – T. 32. – № 2. – С. 152–158. Андреев Д.В., Кудряшов Е.А. Автоматизированная установка измерения вольт-фарадных характеристик МДП-структур высокочастотным методом // Электронный журнал: наука, техника и образование. – 2019. – № 2 (24). – С. 126–130.

Andreev D.V., Bondarenko G.G., Andreev V.V., Stolyarov A.A. Automatized Setup for Researching of MIS Structures under High-field Tunnel Injection of Electrons at Stress and Measurement Conditions // IEEE Pros. 2018 Moscow Workshop on Electronic and Networking Technologies (MWENT). 2018.

P. 1–3.

Thomas J. Mego. Improved feedback charge method for quasistatic CV measurements in semiconductors // Review of Scientific Instruments. – 1986. – №57. – С. 2798–2805.

Emerald Group Publishing Limited. Semiconductor characterization software provides simultaneous HF and quasistatic C-V measurements // Microelectronics International. – 2002. – № 19. – С. 85–90.

Larry Sadwick. A comparison of commercially available quasistatic meters and methods // Journal of Electronic Materials. – 1990. – № 19. – С. 637–650.

D. M. Fleetwood, Evolution of Total Ionizing Dose Effects in MOS Devices With Moore’s Law Scaling, IEEE Transactions on Nuclear Science, 65 (2018) 1465–1481.

Fleetwood D.M. Border traps and bias-temperature instabilities in MOS devices // Microelectronics Reliability. vol. 80, pp. 266–277, 2018.

СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРАХ Андреев Дмитрий Владимирович (Andreev D.V.) – канд. техн. наук, доцент кафедры «Проектирование и технология производства электронных приборов» КФ МГТУ им. Н.Э. Баумана; dmitrii_andreev@bmstu.ru Кулагин Владислав Сергеевич (Kulagin V.S.) – студент КФ МГТУ им. Н.Э. Баумана; kulagin.vladislav@mail.ru

Электронный журнал: наука, техника и образование (ISSN 2413-6220)

63

AUTOMATIZED SETUP TO MEASURE QUASISTATIC C-V CHARACTERISTICS OF MIS STRUCTURES The paper considers an automatized setup to measure quasistatic C-V characteristics of MIS structures. The setup is based on National Instruments devices. A block diagram of the program to control the setup is presented. Measurements of C-V curves of a test MIS structure are realized utilizing the setup.

Keywords: MIS structure, quasistatic capacitance-voltage characteristics, automatized setup

Электронный журнал: НАУКА, ТЕХНИКА И ОБРАЗОВАНИЕ

Ежеквартальное научно-практическое сетевое издание

2/2020 (29)

Издается с января 2015 года Под редакцией К.И. Желнова, А.Н. Молчанова Компьютерная верстка А.В. Бурмистров, С.С. Гришунов Создание макета М.Р. Фишер Дизайн обложки П.А. Василевский Мнение редакции может не совпадать с точкой зрения авторов. Ответственность за достоверность материалов несут авторы. Редакция не несет ответственности за содержание рекламных материалов. Ответственность за разглашение сведений, составляющих государственную тайну, авторы несут в соответствии с действующим законодательством России.

Формат 70x108/16. Гарнитура «Таймс». Печ. л. 4. Усл. п. л. 5,6. Издательство ООО "Манускрипт" 248000, г. Калуга, ул. Баженова, 2, тел. 57-31-87