Машиностроение и техносфера XXI века. Том 1, 2009 г. by Донецкий политехник (Донецкий национальный технический университет)

Министерство образования и науки Украины Донецкая областная и городская администрации Международный союз машиностроителей Фонд поддержки прогрессивных реформ Национальная металлургическая академия Украины (НИИСТ) Донецкий и Севастопольский национальные технические университеты Брянский государственный технический университет Московский государственный университет инженерной экологии Таганрогский технологический институт Южного федерального университета Жешувский, Остравский, Силезский, Ясский технические университеты Политехника Любельская, Технический университет Молдовы, Политехника Ченстохова, Магдебургский, Портсмутский, Тульский университеты Бухарестская военно-техническая академия Институт международного сотрудничества, Российско-Украинский университет Институт механики и сейсмологической стабильности АН РУ Севастопольский центр профессионально-технического образования Донецкий институт холодильной техники Ассоциация металловедов и термистов Украины Научно-технический союз машиностроения Болгарии Научный центр проблем механики машин НАН Беларуси Издательство «Машиностроение», ОАО НИИ «Изотерм», ОАО «ДЗГА» АО «НОРД», ЗАО «НКМЗ», ЧП «Технополис», Снежнянский машзавод ООО Никитовский машзавод «Кераммаш»

МАШИНОСТРОЕНИЕ И ТЕХНОСФЕРА XXI ВЕКА Сборник трудов

XVI

МЕЖДУНАРОДНОЙ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОЙ КОНФЕРЕНЦИИ Том 1 14 - 19 сентября 2009 г. в городе Севастополе

2009

Донецк-2009

ББК К5я54 УДК 621.01(06) Машиностроение и техносфера XXI века // Сборник трудов XVI международной научно-технической конференции в г. Севастополе 14-19 сентября 2009 г. В 4-х томах. – Донецк: ДонНТУ, 2009. Т. 1. – 295 с. ISBN 966-7907-25-2 В сборник включены материалы XVI международной научнотехнической конференции «Машиностроение и техносфера XXI века», отражающие научные и практические результаты в области обработки изделий прогрессивными методами, создания нетрадиционных технологий и оборудования. Представлены современные достижения и перспективные направления развития технологических систем, металлорежущего инструмента и оснастки. Освещены современные проблемы материаловедения в машиностроении. Рассмотрены вопросы механизации и автоматизации производственных процессов, управления качеством и диагностики технических систем. Приведены сведения об особенностях моделирования, экономических проблемах производства, вопросах инженерного образования и других актуальных проблемах техносферы. Предназначен для научно-технических работников, ИТР и специалистов в области машиностроения и техносферы. Издается при содействии Международного союза машиностроителей Адрес международного организационного комитета: Украина, 83001, г. Донецк, ул. Артема, 58, ДонНТУ, кафедра ТМ. Тел.: +38 (062) 305-01-04, факс: +38 (062) 305-01-04 E-mail: tm@mech.dgtu.donetsk.ua http://www.dgtu.donetsk.ua

ISBN 966-7907-25-2

 Донецкий национальный технический университет, 2009 г.

МЕЖДУНАРОДНЫЙ ПРОГРАММНЫЙ КОМИТЕТ КОНФЕРЕНЦИИ Председатель - ректор ДонНТУ, заслуженный деятель науки и техники Украины, академик АИН Украины, д.т.н., проф. Минаев А.А. Заместитель председателя – Председатель МСМ, зам. директора по научной работе ИМС, зав. кафедрой ТМ ДонНТУ, д.т.н., проф. Михайлов А.Н. Члены: доцент ДонНТУ, к.т.н. Аввакумов С.И.; профессор Жешувского ТУ, д.т.н. Акопян Р.; профессор ДГТУ, д.т.н. Бабичев А.П.; нач. отдела ИМАШ РАН, д.т.н., проф. Базров Б.М.; проректор ДонНТУ, д.т.н., проф. Башков Е.А.; профессор ИМ и СС АН РУ, д.т.н. Бахадиров Г.А.; директор ММИ НТУУ «КПИ», д.т.н., проф. Бобырь Н.И.; ректор ЛГПУ, д.т.н., проф. Божидарник В.В.; профессор СевНТУ, д.т.н. Бохонский А.И.; проректор БВТА, д.т.н., проф. Буня М.; зав. кафедрой ТТИ ЮФУ, д.т.н., проф. Бутенко В.И.; профессор Силезского технического университета, д.т.н. Бухач А.; зав. кафедрой ВУНУ, д.т.н., проф. Витренко В.А.; профессор МГТУ им. Н. Э. Баумана, д.т.н. Волчкевич Л.И.; профессор НТУУ «КПИ», д.т.н. Гавриш А.П.; ректор МГУИЭ, д.т.н., проф. Генералов М.Б.; проректор БГТУ, д.т.н., проф. Горленко О.А.; профессор кафедры МС ДонНТУ, д.т.н. Гусев В.В.; профессор ОИФТПС ЯНЦ СО РАН, д.т.н. Гусев Е.Л.; секретарь Научно-технического союза машиностроения Болгарии Дамянов Д.; директор ООО Никитовский машзавод «Кераммаш» Дмитренко Л.Н.; гл. редактор издательства «Машиностроение» Жесткова И.Н.; профессор ДонНТУ Егоров Н.Т.; генеральный директор АО «НОРД», к.т.н. Жидков В.В.; зав. кафедрой ДонГУЭиТ, д.т.н., проф. Заплетников И.Н.; ректор ЮФУ, д.т.н., проф. Захаревич В.Г.; президент ассоциации ТМ Украины, профессор ГАЛПУ, д.т.н., проф. Зенкин А.С.; профессор ТУ, д.т.н. Избер Д.; профессор ДонНТУ, д.т.н. Калафатова Л.П.; начальник управления машиностроения Донецкой облгосадминистрации Кашников А.Н.; профессор БВТА, д.т.н. Керекеш Т.; декан ДонНТУ, к.т.н., проф Клягин Г.С.; зав. кафедрой ДГМА, д.т.н., проф. Ковалев В.Д.; профессор СевНТУ, д.т.н. Копп В.Я.; директор НИИ ПТ ВИС ЮРГУЭС, д.т.н., проф. Кравченко П.Д.; профессор Туркменского политехнического института, д.т.н. Курбанов Х.К.; президент АО «НОРД», д.т.н., проф. Ландик В.И.; зав. кафедрой ДонНТУ, д.т.н., проф. Левченко Г.Г.; декан ДонНТУ, д.т.н., проф. Левшов А.В.; Донецкий городской голова Лукьянченко А.А.; профессор ДонНТУ, д.т.н. Малышко И.А.; профессор БНТУ, д.т.н. Маляренко А.Д.; профессор ТУМ, д.т.н. Марин А.З.; зав. кафедрой ДонНТУ, д.т.н., проф. Матюха П.Г.; директор СЦПТО, к.п.н. Медведь В.В.; зав. кафедрой Ясского технического университета, д.т.н., проф. Муску Г.; проректор по международному сотрудничеству ДонНТУ, проф. Навка И.П.; директор Снежнянского машзавода Недашковский А.П.; директор ИСМ, д.т.н., проф. Новиков Н.В.; зав. кафедрой СевНТУ, д.т.н., проф. Новоселов Ю.К.; ректор Политехники Любельской, д.т.н., проф. Опеляк Марек; профессор Портсмутского университета Оливер Т.; профессор Ясского технического университета, д.т.н. Параскив Д.; профессор ГИУА, д.т.н. Парикян Ф.А.; декан ДонНТУ, к.т.н., проф. Парфенюк А.С.; зав. кафедрой НТУУ «КПИ», д.т.н., проф. Петраков Ю.В.; .; зав. кафедрой ТГУ, д.т.н., проф. Прейс В.В.; директор НДИСТ, д.т.н., проф. Проволоцкий А.Е.; зав. кафедрой Ясского технического университета, д.т.н., проф. Прутяну О.В.; директор ИТИС Политехники Любельской, д.т.н., проф. Свиць А.; декан ФИМиМ ДонНТУ, профессор Селивра С.А.; профессор ЯТУ, д.т.н. Слэтиняну Л.; гл. инженер проекта ЗАО «НКМЗ», д.т.н. Стрельников В.Н.; зав. кафедрой НТУУ «КПИ», д.т.н., проф. Струтинский В.Б.; зав. кафедрой БГТУ, д.т.н., проф. Суслов А.Г.; профессор Политехники Любельской, д.т.н. Тараненко В.; директор ИМиС, д.т.н., проф. Тернюк Н.Э.; декан ТУМ, д.т.н., проф. Тока А.; профессор Сызранского филиала СГТУ, д.т.н. Усов В.П.; профессор Новопо3

лоцкого технического университета, д.т.н. Хейфец М.Л.; профессор ГИУА, д.т.н. Христафорян С.Ш.; профессор Жешувского технологического университета, д.т.н. Шабайкович В.А.; профессор Азербайджанского ТУ Шарифов З.З.; зав. кафедрой Силезского технического университета, д.т.н., проф. Швидер Ю.; зав. кафедрой ДонНТУ, д.т.н., проф. Шевченко Ф.Л.; зав. кафедрой ТГУ, д.т.н., проф. Ямников А.С. МЕЖДУНАРОДНЫЙ ОРГАНИЗАЦИОННЫЙ КОМИТЕТ КОНФЕРЕНЦИИ Председатель – Председатель МСМ, зам. директора по научной работе ИМС, зав. кафедрой ТМ ДонНТУ, д.т.н., проф. Михайлов А.Н. Заместители председателя: профессор кафедры ТМ ДонНТУ, к.т.н. Горобец И.А.; доцент кафедры ТМ ДонНТУ, к.т.н. Ивченко Т.Г.; доцент кафедры ТМ ДонНТУ Польченко В.В. Ученый секретарь – ст. преподаватель кафедры ТМ ДонНТУ Голубов Н.В. Технический секретарь - аспирант кафедры ТМ ДонНТУ Лахин А.М. Члены: аспирант кафедры ТМ ДонНТУ Аль-Судани Т.Т.; ассистент кафедры ТМ ДонНТУ Байков А.В.; нач. отдела техн. средств обучения ДонНТУ Бакланов В.И.; доцент кафедры ТМ ДонНТУ, к.т.н. Богуславский В.А.; профессор ДонНТУ, к.т.н. Борисенко В.Ф.; аспирант кафедры ТМ ДонНТУ Брижан Т.М.; ассистент кафедры ТМ ДонНТУ Буленков Е.А.; аспирант кафедры ТМ ДонНТУ Гитуни А.; ассистент кафедры ТМ ДонНТУ Грубка Р.М.; доцент кафедры ТМ Демин В.П.; начальник ОВС ДонНТУ, к.т.н., доц. Джура С.Г.; зам директора ОАО НИИ «Изотерм», к.т.н. Добровольский Г.И.; доцент кафедры ТМ ДонНТУ, к.т.н. Ищенко А.Л.; доцент кафедры ТМ ДонНТУ, к.т.н. Коваленко В.И; декан ДонНТУ, к.т.н., доц. Ковалев С.А.; инженер кафедры ТМ ДонНТУ Кульбида О.О.; аспирант кафедры ТМ ДонНТУ Ларина Н.Е.; БГТУ, доцент кафедры АТС, начальник отдела ИМиС, к.т.н. Луцкий С.В.; аспирант кафедры ТМ ДонНТУ Маджид Абдул Джалил Хамад; инженер кафедры ТМ ДонНТУ Макеева О.А.; аспирант кафедры МС ДонНТУ Михайлова Е.А.; профессор ДонНТУ, к.т.н. Мороз О.К.; доцент ХГТУ, к.т.н. Настасенко В.А.; инженер кафедры ТМ ДонНТУ Петряева И.А.; доцент кафедры ТМ ДонНТУ Польченко В.В; аспирант кафедры ТМ ДонНТУ Сахби З.; ассистент кафедры ТМ ДонНТУ Сидорова Е.В.; ст. преподаватель кафедры ТМ ДонНТУ Феник Л.Н.; доцент ДонНАСА, к.т.н. Финиченко В.А.; аспирант кафедры ТМ ДонНТУ Чернышев Е.А.; доцент кафедры механики ТТИ ЮФУ, к.т.н. Шаповалов Р.Г.

Уважаемые дамы и господа, дорогие друзья и коллеги! Особенности научно-технического прогресса в условиях кризиса и глобализации мировых отношений постоянно изменяют сложившийся мир техники и технологий. При этом происходящие изменения в техносфере настолько глубоки и значительны, что постоянно требуют всестороннего изучения и осмысления происходящих процессов, комплексного анализа всех особенностей и явлений. Поэтому проведение этой встречи обусловлено необходимостью получения ее участниками современной информации о последних достижениях науки и техники, а также потребностью ознакомления с основными изменениями, происходящими в техносфере. В связи с этим, на этой встрече предусматривается особое внимание уделить вопросам создания и применения прогрессивных, специальных и нетрадиционных технологий. Нам необходимо рассмотреть насущные проблемы техники, связанные с механизацией и автоматизацией производственных процессов, а также с созданием прогрессивного оборудования. Здесь будут затронуты вопросы проектирования и применения прогрессивных инструментов, управления качеством промышленной продукцией, сертификации, метрологии, диагностики и эксплуатации технологических систем, создания информационных и наукоемких технологий. Приоритетными направлениями на нашей конференции будут также вопросы, нацеленные на развитие процесса инженерного образования и интеграции в Европейскую систему университетского образования. А также множество других важнейших вопросов науки и техники нам предстоит обсудить, а именно связанных с развитием машиноведения, инженерии материалов, нанесения нетрадиционных покрытий, моделирования, расчетов сложных технических систем, специальной техники и технологий техносферы, экологии и экономики. Этих основных вопросов техносферы планируется коснуться участниками конференции здесь на нашей встрече. Можно отметить, что опыт проведения предыдущих конференций убедительно показывает на важность и большую потребность личных контактов ученых, ведущих специалистов и представителей предприятий. Они позволяют плодотворно развивать живое творческое сотрудничество между учеными и специалистами предприятий и организаций. А это в перспективе будет способствовать повышению научного потенциала ученых и производства. На этой встрече планируется активизировать процесс обмена и получения современной информации научно-технического характера, развития сотрудничества и личных творческих связей. Поэтому проведение этой конференции, на наш взгляд, позволит наметить основные ориентиры и определить вектор прогрессивного развития машиностроения и техносферы, а также подвести итого развития новой техники и технологий для выработки общих рекомендаций по их ориентированному и целенаправленному развитию в условиях мирового кризиса. Особенно необходимо подчеркнуть то, что одновременно с работой этой конференции состоится очередной уже X съезд членов Международного союза машиностроителей. Основной и важнейшей задачей работы этой международной общественной организации является консолидация ученых, специалистов и руководителей промышленных предприятий для содействия процессу развития машиностроения и техносферы в условиях глобализации мировых отношений. Совместное проведение этих мероприятий будет способствовать активизации процессов развития техносферы и международного сотрудничества. Организационный комитет конференции убежден, что эти встречи традиционно пройдут творчески и плодотворно, будут способствовать консолидации ученых и специалистов различных стран, широкому обмену информации научно-технической характера, а также дадут необходимый творческий импульс для дальнейшего развития машиностроения и техносферы. С наилучшими пожеланиями Председатель организационного комитета конференции Михайлов А.Н.

ИНФРАСТРУКТУРА РЕГИОНАЛЬНЫХ ИННОВАЦИОННЫХ КЛАСТЕРОВ Авдейчик О.В., Березун О.А., Струк А.В. (УМЦ «Промагромаш» ОАО «Белкард», г. Гродно, Беларусь, ЗАО «Солигорский институт проблем ресурсосбережения с опытным производством», г. Солигорск) The principles of the cluster creation frames executing development of novelties, innovations production and implementation are considered. Application effectiveness of the integration approach grounded on concentration, assimilation and permanent development of all participants of industrial output life cycle potential in the scientific-industrial practice clusters operating on the basis of regional subjects of managing with expressed type of innovative development is displayed. Введение. Социально-экономические, политические, материально-технические, экологические реалии функционирования надгосударственных, государственных и региональных социумов обусловливают интенсивное трансформирование устоявшихся методологических подходов в обеспечении их прогрессивного развития [1-4]. Быстро нарастающие глобальные проблемы, обусловленные интенсивным увеличением народонаселения, исчерпанием природных ресурсов, составляющих основу современной промышленности (энергоресурсов, металлических руд, воды, минерального сырья, древесины и т. п.), малоэффективным функционированием промышленного комплекса, применяющего энерго-, материалоемкие технологии и оборудование, прогрессирующим ростом негативного техногенного воздействия на экосферу, обусловили насущную необходимость поиска альтернативы господствующей экономической парадигме, основанной на удовлетворении возрастающих потребностей социумов и индивидуумов в материальных благах. Активная PR-политика, реализуемая ведущими производителями промышленной продукции различного функционального назначения по прямым информационным (Internet, телевидение, радио, СМИ и т. п.) и опосредованным каналам (спонсорская поддержка научных, культурных, спортивных, благотворительных, образовательных, культовых и иных мероприятий, финансирование научно-исследовательских и образовательных программ и отдельных проектов и т. п.), обусловила резкое увеличение доли социально-активных групп различного уровня, ключевыми приоритетами которых является личностное становление в обществе на основе совокупного финансового и материального капитала [2, 4, 5]. Прогрессирующая мировая тенденция к формированию государственных и надгосударственных социумов, в основу функционирования которых положены материальные блага в объемах, превышающих разумную потребность, вызывает интенсивное трансформирование мировоззренческой позиции индивидуумов, основу которой традиционно составляли общечеловеческие (гуманистические) ценности, сформированные религиозными, этнокультурными, научно-исследовательскими, образовательными компонентами. Рядом современных исследователей убедительно показана порочность сложившихся подходов реализации превалирующей парадигмы социальноэкономического развития социумов различного уровня и выдвигаются эффективные альтернативные направления в общепринятой стратегии устойчивого развития [2, 4]. В последние десятилетия активно развивается концепция ноосферного экономического и социального развития, в основу которой положена инновационная политика, предполагающая формирование сообщества с высоким уровнем интеллектуального развития и эффективным комплексом обеспечения

жизнедеятельности, функционирующего на основе технологий с выраженным энерго-, ресурсосберегающим и экологическим компонентами [4]. В рамках этой концепции ключевая роль в прогрессивном развитии не только регионов, государств и надгосударственных структур, но и всей цивилизации принадлежит интеллекту всех членов социумов, занятых в управлении, научной и образовательной сферах, системах жизнеобеспечения и промышленного производства. Развитие подходов, предложенных В.И. Вернадским, в работах В.И. Виноградова, В.Ф. Купревича, Н. Моисеева, В.А. Коптюга, П.Г. Никитенко и др. с учетом современных реалий формирует новую мировоззренческую позицию индивидуумов с высоким уровнем интеллектуального развития. Интеллектуальный потенциал участников производственной и непроизводственной сфер, как отдельных субъектов хозяйствования, так и региональных, государственных и надгосударственных структур, реализуется в теоретических и материализованных знаниях, обеспечивающих функционирование промышленных предприятий, системы образования, здравоохранения и других важнейших сфер устойчивого прогрессивного развития [2, 4]. Очевидно, что практическая реализация ноосферной концепции социальнополитического переустройства сложившихся экономических систем основана на формировании оптимальных условий творческого развития и реализации интеллекта личности путем эффективного использования современных образовательных, научных, информационных систем с учетом материальных и моральных стимулов в рамках обновленного нормативно-правового поля [2, 4]. При этом необходимо учитывать трансформирование мировоззренческой позиции научных работников в условиях активного воздействия промышленного комплекса, ориентированного на расширение производства товаров и услуг [4, 5]. В ряде случаев интеллект научных школ и отдельных исследователей направлен на разработку предпосылок создания продуктов с антигуманистическим содержанием, обеспечивающих получение производителем материальных выгод, что обусловливает формирование отрицательного общественного имиджа научных работников [2, 5]. Очевидно, что переход субъектов хозяйствования, региональных и государственных комплексов на инновационный путь развития должен базироваться на системном подходе, учитывающем новые методы формирования интеллектуального ресурса в производственных и непроизводственных сферах и использование новых организационных форм хозяйственной деятельности. В этом аспекте особый интерес представляют стратегии социальноэкономического развития хозяйственных комплексов, основанные на кластерном подходе. Считают [1], что кластеризация – оптимальная возможность использования в полном объеме потенциала всех участников жизненного цикла промышленной продукции, роль которой возрастает в связи с инновационной стратегией функционирования хозяйственного комплекса, являющейся безальтернативным направлением устойчивого развития мировой экономики. Теория кластеров, основанная М. Портером, находится в развитии, что обусловлено не только доказанной эффективностью ее практического воплощения, но и необходимостью исследования многочисленных аспектов ее реализации, трансформирующихся в связи с усилением негативных проявлений глобальных проблем развития цивилизации, изменением социально-политического устройства ведущих мировых держав и регионов, возрастанием активности дестабилизирующих воздействий на мировую экономику и политику [1]. Достаточно свободное трактование в литературных источниках [1, 3, 6, 7] термина «кластер» и большое число его смысловых аналогов позволяют относить к

кластерным структурам различные производственно-хозяйственные системы – от традиционных научно-производственных объединений и промышленных районов до научно-технических центров и кластерных институтов. Формализованный подход к этому ключевому термину исключает характерные признаки таких структур, поэтому, типовые образовательные и научные учреждения можно представить как кластеры, сформированные по функциональному назначению из учебных или научных подразделений. Однако такое упрощенное понимание кластерной структуры не полностью соответствует современным представлениям об особенностях формирования и функционирования формализованных и неформальных объединений, предназначенных для реализации оптимизированного хозяйственного процесса. В последнее десятилетие в понятие «кластер» включают характерные признаки инновационной структуры, обеспечивающей оптимальные условия разработки нововведений различного назначения, производство и реализацию инноваций в соответствии со стадиями жизненного цикла промышленной продукции [2, 3]. Очевидным становится обусловленность формирования кластеров преимущественно инновационного типа, ориентированных на прогрессивное развитие производственной структуры. Более того, определяющими предпосылками для создания таких кластеров являются инновации, обусловливающие достижение субъектом хозяйствования социально-экономического эффекта высокого уровня. Методология формирования и функционирования производственных кластеров различного типа с достаточной полнотой рассмотрена в ряде исследований [1, 2, 8]. Вместе с тем анализ литературных источников свидетельствует о необходимости системной разработки проблемы интеллектуального обеспечения процесса функционирования инновационных производственных кластеров. Основным компонентом инновационных производственных кластеров является функциональное подразделение, разрабатывающее новшества, составляющие основу выпускаемой конкурентоспособной продукции – инноваций. Структура подобного подразделения, его принадлежность, характер его деятельности изменяются в зависимости от вида кластера. Однако независимо от структурных особенностей инновационного кластера интеллектуальный компонент в виде новшества, разработанный в специализированном научно-исследовательском подразделении, приобретенный в рамках договорных отношений, или адаптированный производителем путем научного сопровождения инновационного процесса, играет определяющую роль в жизненном цикле инновации [2]. Поэтому необходимы исследования проблемы трансформирования новшеств, разработанных в различных научных подразделениях, в инновации, определяющие социально-экономическое развитие субъектов хозяйствования различного уровня. Кластерная форма организации инновационного процесса способствует достижению оптимальных результатов на рынке. При этом определяющим компонентом производственной кластерной структуры традиционно считают исследовательское подразделение, т. к., как отмечает М. Портер, «… инициативы кластера должны мотивироваться стремлением достичь результатов; они должны направляться академическими институтами, интеллектуальными центрами или правительственными агентствами, которые способны видеть исследование в полном его объеме» [1]. Поэтому, кластер не имеет однотипного строения, характерного для различных социально-политических и экономических условий функционирования субъектов хозяйствования, а формируется как структура с индивидуальными признаками, адекватными этим условиям.

Как отмечалось, в настоящее время в понятие «кластер» вкладывают различное содержание, хотя в [1], указано на наличие характерных признаков, отличающих промышленные кластеры от традиционных сетевых структур – территориальнопромышленных комплексов (ТПК), маркетинговых сетей, маркетинговых систем, технологических кластеров и т. п. К этим признакам относят [1]: - локализацию на одной географической территории; - агломерацию предприятий, организаций и общественных институтов, объединенных горизонтальными и вертикальными связями; - наличие неформальных взаимоотношений между субъектами кластера; - присутствие отношений конкуренции и кооперации; - объединение предприятий законченного производственного цикла; - производство ключевого товара; - единую инфраструктуру и институциональную среду; - объединение вокруг научно-образовательного центра. Отмеченные характерные признаки позволили позиционировать «производственный кластер» как «сетевую организацию комплементарных и территориально связанных предприятий (включая специализированных поставщиков, в т. ч. услуг, а также производителей и покупателей), объединенных вокруг научнообразовательного центра, которая связана взаимоотношениями с местными учреждениями и органами управления с целью повышения конкурентоспособности предприятий и регионов [1]. Предложены схемы, определяющие принципиальный состав производственного кластера совокупностью трех групп субъектов: бизнес, органы государственного управления и местные учреждения, связанных линейными связями (рис. 1). В данной схеме основой производственного кластера является компонент «бизнес», который предполагает наличие эффективного взаимодействия с научно-исследовательскими и образовательными организациями [1]. Считают, что «вокруг научно-образовательного центра должен формироваться производственный кластер» [1], поэтому структура такого кластера представляется как совокупность поставщиков услуг, ресурсов, дополняющих отраслей, научнообразовательного центра, производителей и потребителей (рис. 2).

Рис. 1. Состав производственного кластера в общем виде с элементами инфраструктуры [1]

Рис. 2. Структура производственного кластера (элемент «бизнес») [1]

На наш взгляд, такая упрощенная линейная схема не полностью соответствует реальной структуре эффективно функционирующих производственных кластеров. В этой структуре не ясна роль научного («научно-образовательного») компонента, который, как предполагается, «создает инновации и информацию для кластеров» [1]. Однако, согласно общепринятым представлениям в инноватике [2, 3, 9], «научнообразовательный» компонент разрабатывает основу инноваций – новшества различного содержания и функционального назначения, которые трансформируются в инновации в результате совокупного действия различных факторов производственного процесса. Формы взаимодействия других компонентов производственного кластера (поставщиков, производителя, дополняющих отраслей и потребителей) с научным компонентом в [1] не анализируются и представляются как естественный результат функционирования такой сложной многокомпонентной структуры как производственный кластер. Очевидно, что формы взаимодействия научного компонента с другими компонентами традиционного кластера определяются предпосылками его формирования, которые состоят из действующей нормативно-правовой базы, формы собственности на материально-технические и исследовательские средства и созданные объекты интеллектуальной собственности, сложившейся системы подготовки кадрового обеспечения, территориальных особенностей функционирования хозяйственных комплексов, других индивидуальных признаков. Поэтому, эффективно функционирующие кластерные структуры, сформированные в конкретных социально-политических и экономических условиях, даже при полном формальном повторении всех признаков, не могут быть перенесены в другие регионы вследствие низкой результативности или принципиальной невозможности практической реализации декларированных целей и задач. Представляется целесообразным рассмотрение принципиальных направлений создания функциональных кластеров различного типа на базе различных организационных принципов в условиях действующего в республике нормативноправового поля. Результаты исследований и обсуждение. Известно, что одним из основополагающих принципов обеспечения устойчивого прогрессивного развития государства является региональный, предполагающий оптимальное развитие различных регионов с учетом специфики их социально-политического, техникоэкономического, ресурсного и кадрового обеспечения [2, 4, 8, 9, 10-12]. Анализ особенностей развития Беларуси [4] свидетельствует о наличии характерных отличий, обусловливающих превалирующие тенденции функционирования агропромышленных комплексов в различных регионах. Наблюдается явно выраженная неравномерность распределения научного (интеллектуального) ресурса по периферии с преобладанием его в столичном регионе [2, 10]. Этот признак, во многом определяющий потенциал инновационного развития, проявляется в сосредоточении учебного и научного потенциала в ВУЗах, академических и отраслевых учреждениях в столичном регионе, при неравномерности их распределения в областных и районных центрах. Данное обстоятельство диктует необходимость разработки методологических подходов к интеллектуальному обеспечению инновационного развития, основанных на учете специфических особенностей агропромышленного комплекса каждого региона, т. к., как отмечено в [2, 10], прямой перенос даже весьма эффективных методов формирования и управления региональными промышленными кластерами, используемых в промышленно развитых странах, не позволяет достичь адекватных экономических и социально-политических результатов в условиях Беларуси,

реализующей принцип оптимального сочетания административного и научнотехнического ресурсов в разработке долговременной экономической стратегии развития. В связи с этим, необходим поиск новых организационных решений в каждом конкретном регионе и на каждом конкретном субъекте хозяйствования, учитывающих не только формальные, но и неформальные особенности их функционирования. Этот аспект в теории кластеров рассмотрен фраграментарно и требует своего изучения в рамках теории инновационного развития. Следует особо подчеркнуть отсутствие в настоящее время в Беларуси сложившейся системы функциональных кластеров современной структуры и устоявшихся принципов управления ими. Кластерный подход в хозяйственном комплексе, как на республиканском, так и на региональном уровнях, находится в стадии становления и развития, поэтому требует разработки адекватного методологического, нормативно-правового, ресурсного и организационного обеспечения [1, 8]. В связи с этим очевидным плодотворным подходом является формирование локальных структур интеллектуального обеспечения инновационной деятельности субъектов хозяйствования различной формы собственности и функционального назначения, которые могут войти составляющими в инновационную инфраструктуру региона и способствовать формированию эффективных производственных или иных кластеров. Анализ литературных источников, посвященных исследованиям особенностей структуры кластеров интеллектуального обеспечения инновационной деятельности, функционирующих в Беларуси в различных научных, учебных и производственных учреждениях и организациях, свидетельствует о достаточном многообразии их организационных форм, учитывающих как традиционные подходы к организации НИР и ОКР, так и современный опыт деятельности инновационных кластеров в промышленно развитых странах [1, 2, 8]. По структуре и функциональному назначению при формализованном подходе к понятию «кластер», на наш взгляд, можно выделить наиболее распространенные виды научных кластеров [1, 2, 8, 13-20]: - традиционный академический кластер; - академический кластер с выраженным производственным компонентом; - традиционный ВУЗовский кластер; - ВУЗовский кластер с выраженным производственным компонентом [16]; - межвузовский кластер; - академический научно-технический центр; - кластерный научно-исследовательский институт; - исследовательский производственный кластер; - многофункциональный межотраслевой территориальный кластер; - интеграционный кластер. Рассмотрим характерные особенности кластеров интеллектуального обеспечения инновационной деятельности, функционирующих в республике. Традиционные академические кластеры представляют собой структуры с общей системой менеджмента (СМ), включающей подразделения, обеспечивающие хозяйственную, финансово-бухгалтерскую, нормативно-правовую, издательскую и иные виды деятельности научно-исследовательских подразделений – секторов, лабораторий, отделов – (ИП). При этом возможно как формальное объединение ИП системой менеджмента, так и эффективное функциональное и финансовое

взаимодействие ИП в рамках крупных научно-исследовательских проектов (программ, грантов, госзаказов и т. п.). В оптимальной структуре академического кластера все ИП формируют единое исследовательское пространство в определенной области знаний в соответствии с функциональным назначением научного учреждения. Как правило, традиционные академические кластеры ориентированы на решение проблем фундаментального характера без выраженной тенденции к промышленному применению результатов. В соответствии с современной государственной научно-технической политикой, приоритетное значение уделяющей прикладным разработкам, способствующим повышению потребительских характеристик промышленной отечественной продукции на внутреннем и внешнем рынках, традиционные академические кластеры недостаточно эффективны в действующей системе производственных отношений. Промышленными предприятиями востребованы законченные научные разработки, обладающие высокой способностью к адаптированию в реальном производственном процессе, имеющие нормативно-правовое и документационное обеспечение в соответствии с существующей базой, действующей в отраслевом министерстве. Кроме того, разработчик инновации должен оказать содействие в обучении персонала потребителя новым технологическим приемам и правилам эффективной эксплуатации разработанного оборудования. В сложившейся инфраструктуре академических кластеров выполнение подобных функций сопряжено с необходимостью содержания сети функциональных подразделений, обеспечивающих процесс освоения и промышленного выпуска инновации, что обусловливает значительные материальные затраты и требует высококвалифицированного кадрового корпуса, ориентированного на специфику реального промышленного предприятия. Указанные особенности процесса разработки и освоения инноваций различного функционального назначения приводят в ряде случаев к негативным последствиям деятельности академических кластеров: значительная часть разработок является невостребованной промышленностью из-за низкой степени адаптированности к конкретному реально действующему производству. Поэтому академические кластеры ориентированы на выпуск инновационной продукции с высоким содержанием научного компонента, требующей применения специальных материалов, технологий и уникального оборудования. Как правило, такая продукция выпускается небольшими сериями. Наиболее эффективной формой организации промышленного выпуска наукоемких инноваций являются академические кластеры со специализированным опытным производством [25]. В зависимости от функционального назначения, материально-технического, технологического и кадрового потенциала оснащения академические кластеры с выраженным производственным компонентом могут осуществлять научное обеспечение инновационной деятельности, как на субъектном, так и на региональном и межрегиональном уровнях. Современные реорганизации в системе НАН Беларуси обусловили формирование кластерных структур нового типа – академических научно-технических центров, включающих в рамках единых организационно-методологических подходов комплекс традиционных академических кластеров (НИИ) и малых (специализированных) предприятий (МП) [14, 17]. По мнению разработчиков, такие структуры обеспечат более эффективное использование ресурсов в рамках программно-целевого принципа финансирования НИР и ОКР, который реализован в Беларуси согласно Государственной концепции инновационного развития [21, 22]. Практическая реализация подобной формы научного кластера позволит оценить ее

эффективность и жизнеспособность, однако, в ряде исследований имеются обоснованные возражения о целесообразности реформирования НАН Беларуси в данном направлении [13]. Предложены принципы создания кластерного института, который, по мнению разработчика, не только включает научно-исследовательские и опытноконструкторские подразделения, но и подразделения, «способные выдать сторонним организациям надлежащие задания на проведение необходимых научных исследований и разработок, а затем должным образом принимать их работу, сопрягаемую с результатами научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ, выполняемых силами самого кластерного института» [13]. Очевидно, такими подразделениями могут быть центры трансфера технологий, обладающие специалистами с достаточным опытом инновационной деятельности. Подобные подразделения обеспечат координацию усилий различных участников инновационного процесса в рамках общего проекта. Вузовские традиционные кластеры структурно подобны академическим, однако, наряду с научно-исследовательской несут и образовательную функцию через систему учебных подразделений (УП). Развитие кластерного подхода в системе Минвуза осуществляется путем расширения спектра образовательных и научных взаимодействий с различными субъектами хозяйствования путем целевой подготовки кадров, в т. ч. высшей квалификации, и выполнения НИР и ОКР, как в рамках научнотехнических программ, так и целевых хозяйственных договоров. Принятое на государственном уровне решение о расширении прав ВУЗов в области создания опытных производств по выпуску и реализации инновационной продукции, несомненно, интенсифицирует их деятельность в области промышленного использования научно-технических разработок. Вместе с тем, анализ функционирования подобных структур в ведущих ВУЗах республики (УО «БНТУ», УО «БАТУ», УО «БГУИР», УО «БГУ», УО «БГУТ») свидетельствует о необходимости формирования и переоснащения технологической базы опытных производств и разработки нормативно-правовой базы, регламентирующей взаимосвязь учебного и производственного процессов в рамках действующей подготовки по специальностям инженерного профиля и форм стимулирования активной инновационной деятельности профессорско-преподавательского состава, студентов, магистрантов и аспирантов. Эффективной формой реализации кластерного подхода является создание межвузовского менеджерского центра (СМ), осуществляющего не только координацию процесса внедрения результатов НИР и ОКР, но и организацию малых инновационных производств (МП). Инновационный кластер «Метолит» плодотворно функционирует не только в Беларуси, но и сотрудничает с рядом стран Прибалтики и Китая [18]. Дальнейшее совершенствование структуры межвузовского кластера, на наш взгляд, сопряжено с развитием системы региональных филиалов, сформированных на базе ведущих ВУЗов и промышленных предприятий с выраженным характером инновационного развития. Особой формой является структура многофункционального межотраслевого территориального кластера, подобного так называемой «силиконовой долине» [20]. Однако практика показывает, что отсутствие собственного научного компонента в структуре такого кластера может привести к формальному объединению отечественных и зарубежных субъектов хозяйствования, мало связанных с реальными проблемами инновационного развития республиканского хозяйственного комплекса, и снижению доли инновационного компонента в общем объеме производимых интеллектуальных продуктов.

Достаточно высокую эффективность демонстрируют исследовательские производственные кластеры типа научно-технических центров (НТЦ), координирующих деятельность структурных подразделений промышленного предприятия, обеспечивающих разработку конструкторско-технологической документации (КБ), контроль качества (ЦЗЛ), выпуск опытных партий инновационных продуктов (ОП), научное сопровождение рутинного производственного процесса, испытания и сертификацию новой продукции (ИЦ), защиту объектов промышленной собственности, рекламно-выставочную и маркетинговую деятельность [20]. Научно-технические центры на протяжении ряда лет функционируют на ведущих предприятиях машиностроения (ОАО «МТЗ», ОАО «МАЗ», ОАО «БелАЗ», ОАО «Белкард» и др.) и обеспечивают разработку современной автотракторной и специализированной техники нового поколения, успешно конкурирующей на рынках СНГ и Европы и мира. По литературным данным [8], около 75 % научной продукции производится так называемой «фирменной наукой» в системе НТЦ, и эта тенденция будет укрепляться и развиваться. Современные промышленные НТЦ, представляют собой эффективные научно-исследовательские подразделения, координирующие свою деятельность с ведущими профильными академическими и вузовскими учреждениями. При положительном опыте функционирования исследовательских производственных кластеров наблюдается тенденция снижения их эффективности, обусловленная недостаточным уровнем базовой подготовки специалистов, в т. ч. специалистов высшей квалификации. Этот аспект обусловлен практическим отсутствием в профильных ВУЗах материально-технической, исследовательской базы и кадрового потенциала, адекватных современным требованиям концепции инновационного развития. Сложившаяся система подготовки ИТР в профильных ВУЗах и высших колледжах требует концептуальных изменений в соответствии с опытом совершенствования мировой образовательной системы и требованиями инновационной экономики. Рассмотренные структурные признаки кластеров различного типа не раскрывают в достаточной мере методологические аспекты трансформирования новшеств, созданных в научном (образовательном) секторе, в инновации, выпускаемые в производственном подразделении. Кроме того, современные формы эффективной производственной деятельности базируются на концепции «жизненного цикла продукции», которая включает ряд взаимосвязанных функциональных этапов, обеспечивающих не только достижение оптимального экономического эффекта, но и реализацию политики устойчивого развития субъекта хозяйствования, предусматривающую необходимые мероприятия по охране окружающей среды в установленном действующим законодательством порядке и реализацию социальных программ различного уровня [2, 9]. Очевидно, что научное (интеллектуальное) обеспечение кластера должно осуществляться на всех стадиях жизненного цикла, поэтому простая линейная связь «научно-образовательный центр – производитель», предложенная в [1], не способствует формированию полноценного жизненного цикла инновации, т. к. практически не учитывает не только стадии послегарантийного обслуживания и рециклинга амортизированной продукции, но и стадий маркетинговых исследований и опытного производства. Инновационный процесс в современном понимании представляет собой преобразование научных знаний в материальные и нематериальные компоненты системы прогрессивного функционирования субъекта хозяйствования различного типа, создающий предпосылки для генерирования знаний более высокого уровня

посредством развития и совершенствования его интеллектуального потенциала [2, 8]. Поэтому в формализованном виде инновационный процесс моделируется циклической структурой с обратными связями между отдельными компонентами (рис. 3). Такая модель, в отличие от линейной и цепной, разработанных в [4], не разделяет стадии фундаментальных и прикладных исследований, проектно-конструкторских и опытных работ с промышленным производством, а подчеркивает единство и равнозначность различных видов интеллектуальных продуктов, созданных в производственной и непроизводственной сферах и воплощенных в материальных и нематериальных компонентах системы хозяйствования субъекта различного уровня. В разработанной модели подчеркивается роль интеллектуального потенциала, который не только обеспечивает функционирование различных сфер деятельности, но и формирует инновационное мышление всех участников жизненного цикла инновационной продукции, приводящее к новым знаниям. Потребность в развитии и совершенствовании инновационного мышления является характерным признаком субъекта хозяйствования инновационного типа, функционирующего в рамках стратегии устойчивого развития, так как «… те страны, которые не инвестируют воспроизводство научных знаний, не включают его в товарный оборот и кругооборот, оказываются не способными обеспечивать свое устойчивое социально-экономическое инновационное развитие» [4].

Производственная сфера

Материальные компоненты Интеллектуальный потенциал

Знания Нематериальные компоненты

Непроизводственная сфера

Научные исследования

Формирование инновационного мышления

Рис. 3. Модель инновационного процесса Одним из возможных направлений совершенствования кластеров обеспечения инновационной деятельности промышленных предприятий является реализация интеграционного подхода к формированию их структуры [2]. Интеграционный кластер представляет собой совокупность структурных подразделений, объединенных выбранной стратегией инновационного развития субъекта хозяйствования или их регионального объединения. Концептуальное единство структурных компонентов кластера обеспечивает функциональную связь образовательных, исследовательских и производственных процессов на основе совместного использования кадрового

потенциала, исследовательской, технологической и менеджерской базы ВУЗов, академических учреждений и промышленного предприятия. Интеграционный подход изменяет концепцию функционирования народнохозяйственных комплексов, так как, как справедливо отмечает академик Никитенко П.Г. «Процесс сближения науки, образования и производства в ноосферной экономике обеспечивает не только ликвидацию существующих границ (преград) в производственных отношениях, но и ведет к изменению самих производственных отношений, делая их более открытыми, взаимообусловленными и социально справедливыми» [4]. Инновационная деятельность субъектов хозяйственной деятельности различной структуры, формы собственности и ведомственной принадлежности является характерным творческим процессом, направленным на гармоничное развитие всех компонентов. Учитывая формальную близость структурных признаков, кластер интеллектуального обеспечения инновационной деятельности промышленных предприятий (как особого вида творческой деятельности) целесообразно формировать на основе своеобразной тоники – «основы, исходного пункта и завершения гармонического процесса, логического центра гармонической мысли …» [8]. Тоникой научного кластера служит концепция инновационного развития региона (или иного субъекта хозяйствования), устанавливающая приоритеты развития конкретных отраслей, источники финансирования, ресурсное (в т. ч. кадровое) обеспечение и критерии оценки эффективности прогрессивного развития социума в различных сферах. Анализируя структуру инновационных кластеров интеграционного типа, можно установить ряд их характерных особенностей. Современное представление о кластере как гармонично (оптимально) сформированной структуре, обеспечивающей эффективную реализацию всех стадий жизненного цикла инновационной продукции, основано на системном подходе, центральным компонентом которого является совокупность прямых и опосредованных связей не только между всеми компонентами организационной структуры, но и окружением – экономической, социальнополитической и интеллектуальной сферой. Поэтому для формирования инновационного кластера необходимо наличие центрального компонента, обусловливающего наиболее оптимальные отношения со всеми элементами структуры, независимо от их назначения и принадлежности. При этом центральный компонент кластера формирует не только связи с разработчиками, изготовителями, поставщиками и потребителями инновационной продукции, т. е. «горизонтальные связи», но и соответствие всех видов деятельности действующей нормативно-правовой и законодательной базе – т. е. «вертикальные связи». Гармония кластерной структуры проявляется, прежде всего, в оптимальном развитии приоритетных подразделений, обладающих высоким интеллектуальным потенциалом без дублирования функций, свойственных другим специализированным организациям и учреждениям. Такой подход может быть реализован только при наличии формальных и неформальных творческих контактов в структуре кластера, стимулируемых материальными, моральными и корпоративными интересами. Одним из важнейших результатов гармоничного функционирования кластерной структуры является формирование знаний высокого уровня, которые, как отмечено в [4] «… накапливаются, прежде всего, на более высоком уровне образования и квалификации рабочей силы, в понимании человеком природы используемых им в процессе труда естественных и общественных сил».

Учитывая ранее отмеченную специфику размещения научно-исследовательского и образовательного потенциала в Беларуси, целесообразно рассмотреть особенности создания инновационных кластерных структур с различным потенциалом инновационного развития. Анализ литературных источников, посвященных проблеме практической реализации кластерного подхода в регионах, свидетельствует о наличии наряду с традиционными видами кластеров двух основных форм организации инновационного производства – кластерных структур на базе промышленных предприятий, определяющих потенциал регионального инновационного развития и структур на основе научно-производственных организаций, осуществляющих разработку и выпуск наукоемкой продукции специализированного назначения. Опыт формирования подобных структур имеется в различных регионах страны: в Гродненской, Могилевской, Минской областях [8]. Рассмотрим характерные признаки кластерных структур инновационного типа. Как ранее отмечалось, в инфраструктуру современных промышленных предприятий входят функциональные подразделения, осуществляющие разработку, освоение новых видов продукции, сопровождение процесса их производства, реализации и нормативноправового обеспечения. Объединение подобных подразделений в рамках специализированных научно-технических центров (НТЦ) позволило повысить эффективность научно-производственной деятельности и создать сквозные системы обеспечения производства. Вместе с тем, функции НТЦ не предполагают выполнение прикладных и фундаментальных НИР и ОКР в интересах долгосрочного перспективного развития, подготовку инженерно-технических кадров высшей квалификации в специализированных подразделениях. Реализация интеграционного принципа формирования кластера на промышленном предприятии с выраженным характером инновационного развития позволила создать структуру, основными функциями которой являются разработка научного обеспечения для создания новых видов продукции на базе современной лабораторно-исследовательской, информационной, образовательной и нормативноправовой базы (рис. 4). Выделение в инфраструктуре инновационного кластера Учебно-методического центра (УМЦ), в состав которого входят научноисследовательские подразделения (НИЛ), информационно-вычислительный кластер на базе суперкомпьютера СКИФ (ИВК), филиалы учебных кафедр (ФК) по приоритетным инженерным специальностям, бюро по охране объектов промышленной собственности и рекламно-выставочной и издательской деятельности (БКУ и РИД) позволило интенсифицировать инновационную деятельность предприятия (ОАО «Белкард») и повысить качество инженерного образования в Гродненском регионе, в котором отсутствует ВУЗ инженерно-технического профиля. Учебно-методический центр «Промагромаш» ОАО «Белкард» является организационным центром регионального инновационного кластера, в структуру которого входят совместные научноисследовательские лаборатории (СНИЛ), созданные на ведущих промышленных предприятиях региона (УНИКАРД, УНИАГР, УНИПОЛ, УНИЛАК). Характерной особенностью инновационного кластера «Промагромаш» является создание структурных подразделений, входящих в инфраструктуру различных организаций и учреждений – промышленных предприятий, учебных заведений и академических учреждений. Это позволило в значительной степени решить проблему научного обеспечения инновационной деятельности промышленных предприятий региона, обусловленную отсутствием специализированного академического учреждения и ВУЗа технического профиля.

Наиболее перспективным направлением развития инфраструктуры инновационного кластера «Промагромаш» является развитие сети научноисследовательских лабораторий на ведущих промышленных предприятиях региона с целью расширенного применения новаций, разработанных в рамках заданий научнотехнических программ различного уровня. Характерным примером реализации этого направления является внедрение результатов научно-исследовательского проекта по исследованию особенностей состава и структуры сталей пониженной прокаливаемости. Разработанная технология изготовления изделий различного функционального назначения из сталей пониженной прокаливаемости обеспечивает повышенные показатели служебных характеристик деталей карданных валов, самоцентрирующихся токарных патронов, комплектующих почвообрабатывающей техники, автомобильных агрегатов [2, 8].

Рис. 4. Структура научного компонента инновационного кластера ОАО «Белкард»

Опыт функционирования УМЦ «Промагромаш» ОАО «Белкард» свидетельствует об эффективности интеграционного подхода к формированию кластерных структур в регионе. В течение последних лет выполнен ряд научнотехнических проектов по заданиям республиканских и региональной программ, издано 6 монографий по проблемам развития машиностроения и функционального материаловедения, осуществлена патентная защита свыше 100 объектов промышленной собственности, проведен ряд конференций, выставок и обучающих семинаров для работников ОАО «Белкард» и других промышленных предприятий региона. Специфической особенностью инновационного кластера Старобинского агропромышленного региона, функционирующего с 1992 года, является выраженная ориентация на решение проблем развития отечественной горнодобывающей промышленности. Учитывая, что данная кластерная структура является фактическим монополистом в области научно-технологического обеспечения и разработки эффективного оборудования для добычи, переработки, транспортировки и хранения минеральных удобрений и сопутствующих продуктов горнодобывающей отрасли, были использованы нетрадиционные подходы при создании его инфраструктуры. Характерным признаком инфраструктуры кластера является наличие двух научно-исследовательских институтов с выраженной спецификой научной деятельности (институт горной автоматики, институт горного дела), сети функциональных лабораторий, объединенных в испытательский центр и совокупности обеспечивающих подразделений (рис. 5). Подобная структура инновационного регионального центра обеспечивает комплексное решение проблемы эффективного научного обеспечения процесса добычи и переработки минеральных удобрений на ОАО «Солигорский калийный комбинат»: • разработку и изготовление горнодобывающей техники и технологического оборудования; • разработку и изготовление систем управления и контроля; • разработку технологии разведки, добычи и переработки минеральных руд; Рис. 5. Структура научного компонента • разработку и изготовление инновационного кластера Старобинского подъемно-транспортного агропромышленного региона оборудования для

горнодобывающего производства. Наличие в инфраструктуре кластера головного и специализированных научноисследовательских институтов позволяет обеспечить комплексное выполнение научнотехнических проектов и разработку необходимой нормативно-правовой документации, регламентирующей применение инновационных разработок в горнодобывающем комплексе с повышенными требованиями к соблюдению норм безопасной и эффективной эксплуатации. Инновационный кластер Старобинского агропромышленного региона наряду с функциональными подразделениями для выполнения научно-технических проектов и хоздоговорных работ включает в структуру специализированные учебные подразделения (филиалы кафедр) с целью подготовки инженеров для машиностроительного и горнодобывающего комплекса. Функционирование инновационного кластера в течение последних 5 лет обеспечило выполнение комплекса работ в интересах головного заказчика (ОАО «Солигорский калийный комбинат») на сумму более 450 млрд. рублей. Сотрудниками кластера разработано более 107 оригинальных конструкций, составов материалов и технологий, защищенных патентами на изобретения и полезные модели, в т. ч. зарубежными. По результатам научно-исследовательских работ сотрудниками защищены 2 докторские, 5 кандидатских и 1 магистерская диссертации. В настоящее время инновационный кластер является ведущей научно-исследовательской организацией в области разработки и производства горнодобывающего оборудования и обеспечения технологического производства минерального сырья. Научный авторитет кластера подтвержден выпуском научно-технического журнала «Горная механика», включенным в перечень ВАК Беларуси по ряду инженерных специальностей. Заключение. Анализ организационных форм кластерных структур производственного и научно-исследовательского типа свидетельствует об особой перспективе инновационных кластеров, сформированных на базе промышленных предприятий, определяющих стратегию инновационного развития региона или ориентированных на создание комплекса наукоемких научно-технических разработок, составляющих основу технологического процесса. В обоих случаях формирование инфраструктуры кластеров целесообразно осуществлять на основе интеграционного подхода, позволяющего осуществить координацию и оптимальное использование интеллектуального потенциала различных участников жизненного цикла инновационной промышленной продукции. Список литературы: 1. Яшева. Г.А. Кластерный подход в повышении конкурентоспособности предприятий / Г.А. Яшева. – Витебск: УО «ВГТУ», 2007. – 301 с. 2. Интеллектуальное обеспечение инновационной деятельности промышленных предприятий: технико-экономический и методологический аспекты / О.В. Авдейчик и [др.]; под научн. ред. В.А. Струка и Л.Н. Нехорошевой. – Минск: Право и экономика, 2007. – 524 с. 3. Инновационный менеджмент в России: вопросы стратегического управления и научно-технологической безопасности / Руководители авторского коллектива В.Л. Макаров, А.Е. Варшавский. – М.: Наука, 2004. – 880 с. 4. Никитенко, П.Г. Ноосферная экономика и социальная политика: стратегия инновационного развития / П.Г. Никитенко. – Минск: Белорусская наука, 2006. – 479 с. 5. Инновационная деятельность и мировоззренческие проблемы / А.В. Русецкий и [др.] – Минск: ГУ «БелИСА», 2008. – 184 с. 6. Якимахо, А.П. Управление объектами интеллектуальной собственности / А.П. Якимахо, Г.И Олехнович. – Минск: ГИУСТ

БГУ, 2006. – 335 с. 7. Управление качеством продукции / Н.И. Новицкий и [др.]; под ред. Н.И. Новицкого. – 2-е изд., испр. и дополн. – Минск: Новое знание, 2002. – 367 с. 8. Авдейчик, О.В. Региональный инновационный кластер: методология формирования и опыт функционирования / О.В. Авдейчик, В.К. Пестис, В.А. Струк; под ред. В.А. Струка. – Гродно: ГГАУ, 2009. – 392 с. 9. Бовин, А.А. Управление инновациями в организации: учебное пособие /А.А. Бовин, Л.Е. Чередникова, В.А. Якимович. – ОмегаЛ, 2006. – 415 с. 10. Богдан, И.И. Региональная инновационная политика. Новополоцк: ПГУ, 2000. – 358 с. 11. Асаул, В.В. Научные основы инновационного развития территории на примере создания особых экономических зон. – С-Пб.: Наука, 2006. – 217 с. 12. Проблемы транзитивной экономики: инновационность, устойчивость, глобализация: материалы междунар. научно-практич. конф. /Ред. колл., отв. ред. В.Н. Шимов. – Мн.: БГЭУ, 2007. – 555 с. 13. Демчук, М.И. Республика Беларусь: системные принципы устойчивого развития /М.И. Демчук, А.Т. Юркевич. – Мн.: РИВШ БГУ, 2003. – 342 с. 14. Лыч, Г.Н. Реорганизация науки: как избежать потерь /Директор, № 4 (9), 2007. – с. 56-59. 15. Радиевский, М.Н. Синергетика и развитие науки организации производства /Наука и инновации, № 10 (56), 2007. – с. 60-64. 16. Марукович, Е.И. Технологии высокого уровня /Наука и инновации, № 57, 2007. – с. 87-89. 17. Крутько, Н.П. Химия и химические технологии в инновационном развитии страны /Наука и инновации, № 57, 2007. – с. 79-82. 18. Гусаков, В. Инновационное развитие аграрной науки /Наука и инновации, № 57, 2007. – с. 13-15. 19. Радьков, А. Интеграция образования, науки и производства /Наука и инновации, № 57, 2007. – с. 32-37. 20. Хрусталев, Б. Вуз – важнейший центр развития инноваций /Наука и инновации, № 57, 2007. – с. 39-40. 21. Матюшков, В. Научно-техническая и инновационная деятельность как инструмент реализации национальных приоритетов /Наука и инновации, № 57, 2007. – с. 42-47. 22. Степаненко, Д.М. Инновационная политика Республики Беларусь. – Мн.: Право и экономика, 2005. – 283 с. 23. Национальная инновационная система Республики Беларусь. – Мн.: ГУ «БелИСА», 2007. – 112 с. СИСТЕМА ОБЕСПЕЧЕНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ ТЕПЛОВЫХ ЭНЕРГОУСТАНОВОК Авдюшина А. Е., Звягинцева А.В. (каф. ТОГОЧС, ВГТУ, Воронеж, Россия) Несмотря на технический прогресс, большинство предприятий в РФ еще используют устаревшие системы контроля безопасности и оповещения. Все это говорит о необходимости модернизации систем обеспечения безопасности. К современной системе обеспечения безопасности тепловых энергоустановок предъявляются следующие требования: система должна позволять в реальном времени контролировать параметры безопасности энергоустановки; все контролируемые параметры должны быть визуально представлены оператору на экране монитора; система должна хранить историю изменения каждого из контролируемых параметров; по запросу оператора система должна выдавать отчет о состоянии контролируемых параметров за указанный промежуток времени; в случае угрозы возникновения чрезвычайной ситуации система должна информировать оператора об этом и предлагать оптимальный вариант решения проблемы; в случае угрозы жизням людей система должна самостоятельно подавать команду эвакуации персонала из зоны риска.

В систему структуру должно входить современное средство вычислительной техники (ЭВМ), а сама система должна иметь как аппаратную, так и программную составляющую. На рис. 1 представлена структурная схема разрабатываемой системы Система обеспечения безопасности тепловых энергоустановок

Аппаратная часть

Шина данных

Программная часть

Рис. 1. Укрупненная структурная схема разрабатываемой системы Структура аппаратной составляющей системы представлена на рис. 2. Аппаратная часть Подсистема мониторинга Подсистема оповещения ЭВМ

Рис. 2. Структура аппаратной части системы Как видно из этого рисунка, аппаратная часть системы состоит из ЭВМ и подсистем мониторинга и оповещения. Подсистема мониторинга отвечает за измерение контролируемых параметров и передачу результатов измерений в ЭВМ. Подсистема оповещения предназначена для оповещения персонала об угрожающей опасности по сигналу от управляющего компьютера. ЭВМ осуществляет управление всей системой, принимая сигналы от подсистемы мониторинга, осуществляя их обработку и анализ и управляя системой оповещения персонала. Обработка приходящих от системы мониторинга данных производится с помощью специального программного обеспечения, являющегося другой частью разрабатываемой системы [1]. Структура подсистемы мониторинга представлена на рис. 3. 1 2

Энергоустановка 3

ЭВМ

Датчики

Рис. 3. Структурная схема подсистемы мониторинга

Для обеспечения достаточно высокого уровня безопасности система должна контролировать следующие параметры: температура и давление газа на входе в топку; расход газа на входе; давление воздуха на входе в топку; давление питательной воды на входе; температура в линии отвода продуктов сгорания; давление в котле; расход в магистральном водопроводе; авария котлоагрегата; давление в магистральном трубопроводе горячего водоснабжения; температура в магистральном трубопроводе горячего водоснабжения; загазованность в технологическом помещении котельной. Необходимые для реализации подсистемы мониторинга датчики являются стандартными для данной отрасли. Подсистема оповещения предназначена для уведомления персонала о возникшей опасности. Структурная схема подсистемы оповещения представлена на рис. 4. Уличные громкоговорители

Усилитель 1

Громкоговорители в помещении

Усилитель 2

Рис. 4. Структура подсистемы оповещения Как видно из этого рисунка, звуковой сигнал с выхода управляющей ЭВМ подается на два усилителя. Как и в случае датчиков подсистемы мониторинга, рынок предлагает огромное количество комплектующих, на основе которых можно построить подсистему оповещения персонала [2]. Структурная схема программного обеспечения системы представлена на рис. 5. Интерфейс пользователя

Подсистема ввода/вывода

СППР

Подсистема формирования отчетов

База данных

Рис. 5. Структура программной части системы Как видно, из этого рисунка, специальное программное обеспечение для разрабатываемой системы состоит из следующих функциональных блоков: подсистемы ввода/вывода; системы поддержки принятия решений (СППР);базы данных; подсистемы формирования отчетов; интерфейса пользователя. Подсистема ввода/вывода предназначена для приема данных от подсистемы мониторинга и преобразования их в вид, удобный для дальнейшего анализа и хранения. 23

Реализация подсистемы ввода/вывода данных зависит от интерфейса, используемого подсистемой мониторинга для передачи данных в управляющую ЭВМ. Помимо описанных выше функций, в случае наличия подключения управляющего компьютера к сети Интернет подсистема ввода-вывода может производить оповещение сотрудников ремонтной бригады о возникших на котельной неисправностях, например с помощью отправляемых им на мобильные телефоны сообщений (SMS). Такая функция значительно уменьшить время реакции на возникновение нештатной ситуации и, соответственно, вовремя предотвратить возникновение ЧС. Хотя система поддержки принятия решений в разрабатываемой системе достаточно простоя, она является центральным элементом системы. В функции СППР входит: анализ данных, приходящих от датчиков подсистемы мониторинга; оповещение оператора о возникшей нештатной ситуации; выработка оптимального метода устранения неисправности; принятие решения о включении подсистемы оповещения персонала. Требования, предъявляемые к СППР, входящей в систему обеспечения безопасности тепловых энергоустановок: контроль измеряемых параметров энергоустановки должен происходить в реальном времени; СППР должна быть достаточно гибкой: должна быть возможность изменения конфигурации датчиков, их количества и типа, и такое изменение не должно повлечь полной перестройки системы. Первое требование, по сути, накладывает ограничения снизу на производительность ЭВМ, которая используется в качестве управляющего компьютера и на которую устанавливается программная составляющая системы. Второе требование напрямую относится к архитектуре разрабатываемого программного обеспечения. Ее нужно разрабатывать так, чтобы конфигурация СППР задавалась извне и хранилась в файле настройки или в базе данных. То есть, при изменении конфигурации аппаратной составляющей разрабатываемой системы необходимо будет только внести изменения в настройки, а изменения программных модулей не потребуется. Разумнее всего при этом все настройки хранить в базе данных. Там же должны размещаться и описание. Блок-схема алгоритма работы системы поддержки принятия решений представлена на рис. 6. Начало Опрос датчиков подсистемы мониторинга

нет

Включение системы оповещения Запрос в БД о возможных путях устранения проблемы

Наличие неисправности

Выбор оптимального пути устранения проблемы

да Анализ неисправности

Угроза жизни

да

Вывод сообщения оператору

нет

Рису. 6. Алгоритм работы СППР Как видно из рис. 6, после включения системы начинается бесконечный цикл опроса датчиков подсистемы мониторинга. Если при очередном опросе показания одного или нескольких датчиков выходят за допустимые границы – система фиксирует 24

неисправность и запускает алгоритм ее устранения. Первым этапом этого алгоритма является анализ неисправности. Если в результате возникшей неисправности риску подвергаются жизни рабочих – происходит включение системы оповещения персонала. После этого СППР, в соответствии с описанием возникшей неисправности, извлекает из базы данных способы ее устранения. Список методов решения проблемы выводится на экран монитора оператора, при этом вариант с максимальной надежностью и минимальным риском отмечается как рекомендуемый системой поддержки принятия решений. После этого система, не дожидаясь действий оператора, переходит к следующему циклу опроса датчиков. Таким образом, при использовании СППР оператору своевременно предоставляется не только информация о появлении нештатной ситуации, но и ее причина, а также оптимальный метод ее устранения. База данных является универсальным хранилищем информации в разрабатываемой системе. В ней содержатся следующие группы данных: конфигурация системы – описание набора контролируемых параметров и граничные значения для каждого из них; методы устранения возможных нештатных ситуаций на энергоустановке; значения контролируемых параметров за все время работы системы; настройки пользовательского интерфейса. Необходимо заметить, что данные от подсистемы мониторинга поступают в базу данных параллельно с тем, как они поступают в СППР для анализа. В случае возникновения нештатной ситуации это позволит установить ее причины, а в случае возникновения неисправности в одном из модулей программного обеспечения – не приведет к потере данных [3]. Так как данные от подсистемы мониторинга приходят в реальном времени, то размер базы данных будет быстро расти. При этом необходимо иметь в виду, что чем больше размер базы, тем медленнее она работает. Поэтому рекомендуется осуществить резервное копирование содержимого базы на оптический носитель (CD или DVD диск), и очищатьть содержимое базы. Разумеется, должен быть предусмотрен механизм восстановления данных из резервной копии. Подсистема формирования отчетов предназначена для формирования отчетов по результатам контроля параметров энергоустановки и должна обеспечивать выполнение следующих требований: формировать отчеты по результатам контроля значений параметров безопасности тепловой энергоустановки за указанный промежуток времени; отчеты должны формироваться в стандартной форме: в виде файлов MS Word, MS Excel, PDF, HTML, TXT; должна присутствовать возможность вложить сформированный отчет в письмо и отправить по электронной почте (возможно, необходимо предусмотреть автоматизацию этой функции – подсистема формирования отчетов может сама отправлять письмо с отчетом на указанный адрес по заранее заданному временному графику, например в последний день месяца может отправляться отчет за прошедший месяц); так как формы вывода отчетов могут различаться в зависимости от назначения, то подсистема формирования отчетов должна поддерживать пользовательские шаблоны; должна присутствовать возможность распечатать сформированный отчет на принтере. Таким образом, существование подсистемы формирования отчетов призвано облегчить труд оператора системы обеспечения безопасности, позволив ему сосредоточиться на своих основных обязанностях. Интерфейс пользователя предназначен, прежде всего, для отображения оператору системы максимально полной информации о текущем состоянии контролируемых параметров. С точки зрения этой функции, интерфейс пользователя должен удовлетворять следующим требованиям: полнота – каждый из контролируемых

параметров должен быть представлен на экране монитора управляющей ЭВМ; лаконичность – интерфейс не должен быть перегружен лишней информацией; эргономичность – должно быть достаточно одного взгляда на экран монитора, чтобы понять текущее состояние контролируемых параметров. В случае возникновения нештатной ситуации интерфейс пользователя должен обеспечить максимально быстрое понимание оператором причин произошедшего и способов устранения неисправности. Кроме того, интерфейс пользователя должен предоставлять доступ к остальным функциям системы, таким как: формирование отчетов; резервное копирование и очистка содержимого базы данных; изменение конфигурации системы; изменение настроек пользовательского интерфейса. Такая структура системы позволяет в значительной мере автоматизировать контроль за параметрами энергоустановки. Как и любая автоматическая система слежения за параметрами некоторого сигнала, данная система будет характеризоваться следующими параметрами: PЛТ – вероятность ложной тревоги, определяет вероятность того, что система сообщит о возникновении нештатной ситуации, которой на самом деле нет; PП – вероятность пропуска, определяет вероятность того, что нештатная ситуация не будет распознана системой. Если считать, что СППР реализована верно и учитывает все возможные нештатные ситуации, а вероятность выхода из строя ЭВМ ничтожно мала, то эти характеристики определяются соответствующими характеристикам используемых в подсистеме мониторинга датчиков. Как известно из теории вероятности, вероятность появления хотя бы одного из независимых событий равна разности между единицей и произведением вероятностей противоположных исходным событий. Таким образом, мы получим: N

PЛТ = 1 − ∏ (1 − PЛТn ),

(1)

n =1

PП = 1 − ∏ (1 − PПn ), n =1

Так как параметры используемых датчиков известны (они входят в описание изделия производителем), то, используя формулы (1) можно определить основные характеристики разрабатываемой системы. Для их улучшения на завершающем этапе разработки возможно проведение математического моделирования [4]. Применение систем обеспечения безопасности, подобных описанной выше, позволит существенно снизить риск возникновения чрезвычайных ситуаций на тепловых энергоустановках. Наличие в ней разветвленной системы датчиков позволяет выявить возникающие проблемы на ранних стадиях, а алгоритм работы СППР предоставляет оператору не только информацию о возникновении нештатной ситуации, но и ее вероятную причину, а также рекомендуемый оптимальный способ ее устранения. Все это сводит к минимуму влияние человеческого фактора на процесс принятия решения, что в свою очередь снижает риск возникновения чрезвычайных ситуаций на тепловых энергоустановках. Список литературы: 1. Гринберг А.С., Горбачев Н.Н., Бондаренко А.С. Информационные технологии управления: Учеб. пособие для вузов. - М.: ЮНИТИДАНА, 2004. - 479 с. 2. Белинов С.В., Зайцев А.А. Современные информационные технологии. - М.: Инфра-М, 2003.- 450 с. 3. Каpатыгин С.Н. Базы данных: простейшие средства обработки информации; системы управления базами данных. - М.: ABF, 2002.370 с. 4. Кривко О.Б. Информационные технологии принятия решений. - М.: СОМИНТЭК, 2002.- 274 с.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ СКОРОСТИ ОСЕДАНИЯ МЕЛКОДИСПЕРСНОЙ ПЫЛИ ДЛЯ ПРЕДПРИЯТИЙ МАШИНОСТРОЕНИЯ И СТРОЙИНДУСТРИИ Азаров В.Н., Бессараб О.И. (ВолгГАСУ, г. Волгоград, Россия) Industrial processes in the enterprises of the building mechanical and industry engineering are accompanied by the significant emission of the dust in the air of working rooms. Rate of fall is one of the important characteristics for choosing the ventilating equipment in the place of the intensive dusting. We derived the formula taking into consideration the dependence between the rate of fall of the particle, its diameter and the coefficient of its form. Для определения стационарной скорости оседания шарообразных частиц, как правило, используется известная формула Стокса:

g ⋅ ρ ⋅ (d

95)

ч (1) , 18 ⋅ν где d 95 – диаметра, такой что частицы, составляющие 95% от массы всей смеси, имеют меньший диаметр; g - ускорение силы тяжести; ρ - плотность частиц; ν -

Us =

динамическая вязкость воздуха. Формула (1) не применима для определения скорости оседания не шарообразных частиц, так как их форма имеет огромное влияние на величину силы сопротивления, а значит и на скорость оседания частицы. Согласно Канкелю, скорость падения частицы неправильной формы всегда меньше, чем у сферической частицы эквивалентного веса; максимальное отклонение может достигать 50%. Кроме того, применение формулы (1) корректно только в условиях стоксовского сопротивления, т.е. при условии: Re =

g ⋅ ρ ⋅ ρ ⋅ (d ч

95)

< 0,1 ,

(2)

18 ⋅ν где ρ - плотность среды, в которой происходит осаждение. В случае невыполнения условия (2) будет иметь место погрешность при вычислении скорости оседания частиц, причём ошибка при Re = 0,1 уже составляет около 1,7% [1]. Определим скорость свободного падения частицы на примере пыли минераловатной. Скорость свободного падения твёрдой частицы равна по величине скорости витания и противоположна ей по направлению в том случае, когда режим обтекания твердой частицы в потоке газа тот же, что и при падении твердой частицы в неподвижной среде. Поэтому задачу определения скорости оседания пыли, можно свести к определению её скорости витания. Основное условие необходимое для нахождения частицы во взвешенном состоянии, а следовательно, для определения скорости витания, является равенство силы тяжести и аэродинамической силы [1, 2]: 2

mg = ξ ⋅ f ⋅ ρ

| U | ⋅U , 2

(3)

где m - масса частицы, кг; U- скорость оседания частицы, м/с; ξ - коэффициент сопротивления частицы;

- плотность среды, кг/м3;

- площадь миделевого

сечения, м2. Площадь миделевого сечения падающей частицы будем вычислять через произведение площади миделевого сечения шарообразной частицы, эквивалентного диаметра (диаметр шара, с объёмом равным объёму рассматриваемой частички), на коэффициент формы K ф ∈ [0,1] . Данный поправочный коэффициент введён Фуксом Н.А. и равен отношению сопротивления среды движению частицы неправильной формы и сферической частицы того же объёма [1]. Фукс Н.А. определил значения этого коэффициента для эллипсоидов, цилиндров и других тел, которые согласуются с данными Канкеля [1]. Однако для частиц более сложной формы определение динамического коэффициента формы является трудоёмкой задачей. Трудности, возникающие при сопоставлении динамических и геометрических размеров частиц неправильной формы, могут быть преодолены путем замены реальных частиц близкими по форме эллипсоидами, динамические свойства которых известны. Если известны диаметры частицы: стоксовский ds (т.е. диаметр шара с той же скоростью оседания), эквивалентный dv (т.е. диаметр шара с объемом, равным объему частицы) и проекционной dp (т.е. диаметр круга с площадью, равной площади проекции частицы), то можно рассчитать размеры эквивалентного эллипсоида. А далее, определить коэффициент формы, пользуясь следующей формулой [1]:

(d s ) = (d v )

(4)

Заметим, что величины стоксовского (седиментационного) и эквивалентного диаметра различны и совпадают лишь в случае шарообразной частицы, причём различие возрастает по мере уменьшения коэффициента сферичности частицы, равного отношению поверхности шара с объёмом, равным объёму данной частицы, к её поверхности. Поэтому в качестве коэффициента формы частицы представляется возможным использовать коэффициент её сферичности. В реальных ситуациях так определённый коэффициент сферичности вычислить трудно, поэтому при проведении расчётов коэффициент формы частицы мы вычисляли как отношение её эквивалентного диаметра к максимальному, что более практично и даёт не значительную погрешность в конечных результатах. Коэффициент сопротивления частицы ξ в формуле (3) можно определить по

формуле Г.Л. Барбуха и А.А. Шрайбера, которые предложили стандартную кривую аппроксимировать кусочными зависимостями вида: (5) ξ = A⋅ Ren Для случая Re < 1 , A=25,6, n=1; Для случая 1≤Re<2, A=26,3, n=0,8. При Re<1, после всех подставок в формулу (3), получим: d ⋅ ρ ⋅ g ⋅ Re 2 ч 0 , 052 = ⋅ (6) U Kф ⋅ ρ где

- плотность частицы, кг/м . 3

Подставляя в (6) минераловатной пыли:

значение

критерия

находим

скорость

оседания

ρ ⋅g ⋅d U = 0,052 ⋅

ν ⋅К

где ν - динамическая вязкость среды, Па⋅с; Введём коэффициент: ρ ⋅g B = 0,052 ⋅ ч

Тогда (7) можно переписать в виде:

(7)

B d2 U= Kф

(8)

(9)

Из формулы (9) видно, что зависимость скорости оседания от диаметра параболического типа. На рис.1 приведены графики зависимостей скорости осаждения частиц минераловатных от диаметра при К ф = 0,71 (кривая 1), К ф = 0,34 (кривая 2), рассчитанные по формуле (1). Заштрихованная область дает представление о коридоре допустимых скоростей оседания пыли минераловатной, рассчитанной с учетом формы частиц. Для сравнения построена зависимость скорости оседания круглой частицы от диаметра, рассчитанная по формуле Стокса. Сравнительный анализ представленных зависимостей показывает, что расчет по формуле Стокса, не учитывающей форму частицы, дает значительно более низкие результаты.

Рис. 1. Зависимости скорости оседания частиц от диаметра (1. – при Кф=0,71; 2. - при Кф=0,34; 3. - по формуле Стокса для шарообразной частицы.) Полученное аналитическое выражение, учитывающее зависимость между скоростью оседания частиц, ее диаметром и коэффициентом формы, позволяет более эффективно подходить к выбору пылеулавливающего оборудования систем обеспыливающей вентиляции.

Список литературы: 1. Фукс Н.А. Механика аэрозолей. М.: Изв. АН СССР,1957.–352 с.; 2. Медников Е.П. Турбулентный перенос и осаждение аэрозолей. М.: Наука.1981.- 174 с; 3. Азаров В.Н. Комплексная оценка пылевой обстановки и разработка мер по снижению запыленности воздушной среды промышленных предприятий: Автореф. дис. д – ра техн. наук:05.26.01, 03.00.16 – защищена 06.02.2004 – Ростов – на – Дону., 2004. – 47 с.; 4. Балтернас П.Б. Обеспыливание воздуха на предприятиях стоийматериалов.- М, Стройиздат,1991. ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДА «РАССЕЧЕНИЯ» ПРИ АНАЛИЗЕ ДИСПЕРСНОГО СОСТАВА ПЫЛИ В ВОЗДУХЕ РАБОЧЕЙ ЗОНЫ ПРЕДПРИЯТИЙ СТРОЙИНДУСТРИИ И МАШИНОСТРОЕНИЯ Азаров В.Н., Есина Е.Ю. Азаров А.В. (ВолгГАСУ, г. Волгоград, Россия) We ran the measurements of the particle size distribution of the dust, emitted by the equipment, using the method of "dissection" to elaborate measurement on the quality air improvement in some enterprises of the building industry and mechanical engineering. Due to the findings we can have the full idea about the composition and laws of distribution of small dust particles present in the air of working areas of enterprises Пылевидные дисперсные материалы в воздухе рабочей и санитарно-защитной зон предприятий, как правило, являются полидисперсными, т.е. содержат достаточно широкий диапазон размеров частиц. Особую группы составляют предприятия стройиндустрии и машиностроения, на которых пылевыделения от технологического оборудования превышают предельно допустимые концентрации в воздухе их рабочих зон. Важным фактором воздействия частиц на организм человека является их размер. Особую опасность представляют респирабельные и трахеобронхиальные пылинки, способные проникать в альвеолы и периферии лёгкого. В мировой практике с учётом рекомендации Всемирной организации здравоохранения в ряде стран осуществлён переход на нормированное содержание в воздушной среде частиц с размерами не более 2,5 мкм. Таким образом, для объективной оценки опасности здоровью человека в воздухе рабочей и санитарно-защитной зон требуется знать процентное содержание частиц исключительно малых размеров. В настоящее время принят детерминированный подход к измерению и описанию дисперсного состава пыли Обследования, проведенные на ряде предприятий стройиндустрии и машиностроения показали, что в ряде случаев в результате изменений технологического процесса колебания дисперсного состава пыли будут значительно выше, чем погрешность измерений и в этом случае разброс значений дисперсности пыли нужно отнести не к разряду ошибок, а к закономерностям случайного процесса. На рисунке 1 приведены результаты измерений 10 проб дисперсного состава пыли, выделяющейся от дробилки в воздух рабочей зоны предприятия в одной и той же точке. Логарифмически - нормальное распределение, представленное в виде зависимости (1), считается наиболее обоснованным для аналитического описания данных дисперсного анализа пыли, если речь идет о продуктах размола.

lg d

D(d ) =

2π lg σ

[

∫ exp −

−∞

(lg d −lg d50 ) 2 2 lg 2 σ

]d lg d ,

(1)

Где lgd - стандартное отклонение логарифмов диаметров Проведенные замеры показали, что пыль в рабочих зонах и инженерноэкологических системах не подчиняется логарифмически-нормальному закону распределения, так как её распределение в вероятностно-логарифмической сетке не изображается прямой линией (рисунок 1). М.И. Шиляева А.М. Шиляев, В.В. Недин, О.Д. Нейков, И.Н. Логачев, В.А. Минко, В.Н. Азаров, Е.И. Богуславский и другие исследователи доказали, что для пыли, выделяющейся от оборудования характерно усеченное логарифически-нормальное распределение. 99,9 99,5 99 98 97 95 90 80 70 60 50 40 30 20 10 5 3 2 1 0,5 0,1 1

5 6 7 8 9 10

100

мкм

Рис.1. Интегральная функция распределения массы частиц по диаметрам, выделяющаяся в воздух рабочей зоны после дробилки. Так как существующие методы описания дисперсного состава пыли не позволяют охарактеризовать весь диапазон его изменения в условиях реальных производств, предлагается воспользоваться дифференцированным подходом (метод «рассечения»), в основе которого лежит идея о том, что дисперсный состав собственно мелких фракций постоянен, а поведение интегральной функции распределения в большей степени зависит от доли крупных частиц. Для описания мелких фракций отдельно необходимо выделить крупные фракции и общей генеральной совокупности частиц. Чтобы изображать отдельно мелкие и крупные фракции функции распределения введем ряд обозначений. Пусть d уз – узловая точка, в которой будет проведена вертикальная линия рассечения графика интегральной функции распределения массы частиц пыли по диаметрам. Тогда для мелких фракций определим интегральную функцию распределения

D м (d ч ) =

 100  D(d ) D(d ч ), если d ч ≤ d уз уз  0, если d > d ч уз 

(2)

Для крупных частиц аналогично:

0, если d ч ≤ d уз ,   100 − D(d ч ) ,если d ч > d уз Dкр (d ч ) =  100 − (100 ⋅ )  100 ( ) − D d уз 

(3)

На рисунке 2 представлен вариант рассечения, при этом величина d уз =25 мкм выбрана на основании критериев, основывающихся на максимальном значении коэффициента корреляции между сериями замеров.

99,9 99,5 99 98 97 95 90 80 70 60 50 40 30 20 10 5 3 2 1 0,5 0,1 1

5 6 7 8 9 10

1 100

мкм

Рис. 2. Значения интегральных функций распределения для крупных и мелких частиц пыли, выделяющейся в воздухе рабочей зоны от дробилки В результате все кривые фактически складываются в одну кривую, которая дает полное представление о составе мелких фракций. Этот подход оправдан тем, что для ряда задач важно знать только фракционный состав мелких фракций, особенно для анализа пыли, выбивающейся из технологического оборудования и витающей в воздухе рабочей зоны. Список литературы: 1. Методика микроскопического анализа дисперсного состава пыли с применением персонального компьютера (ПК) / В. Н. Азаров, В. Ю.

Юркъян, Н. М. Сергина, А. В. Ковалева // Законодательная и прикладная метрология.Москва, 2004 – №1 – с.46 - 48.; 2. Анализ дисперсного состава пыли в техносфере : учебное пособие / Азаров В.Н., Есина Е.Ю., Азарова Н.В. ; Волгогр. Гос. Архит.строит. Ун-т.-Волгоград : ВолгГАСУ, 2008 С.-46 с.; 3. Медников Е.П. Турбулентный перенос и осаждение аэрозолей. – М.: Наука, 1981. – 175 с.; 4. Колмогоров А.Н. О логарифмически нормальном законе распределения частиц при дроблении /ДАН СССР. – 1941. – Т. 31. - №2. – С. 1030 – 1039.; 5. Азаров В.Н. О фракционном составе пыли в рабочей зоне и инженерно-экологических системах // Междунар. науч.-техн. конф. “Технология, строительство и эксплуатация инженерных систем”. – СПб, 2002. – С. 10 – 13.; 6. Дисперсный состав пыли как случайная функция /В.Н. Азаров, Д.В. Азаров, А.Б. Гробов и др. // Объединенный научный журнал. – 2003. - № 6. – С. 62 – 64.; 7. Минко В.А. Обеспыливание технологических процессов производства строительных материалов. – Воронеж, 1981. – 175 с. АННОТАЦИЯ К ПЕРИОДИЧЕСКОЙ СИСТЕМЕ ЭЛЕМЕНТОВ И МЕТОДОЛОГИЯ ПОВЫШЕНИЯ КАЧЕСТВА ХИМИЧЕСКИХ СПЛАВОВ Акашев З.Т. (КарГТУ, Караганда, Казахстан) In article, on the grounds of studies of the optimum regularity of the distribution of probability of the appearance of importances of the random quantity, is mathematically motivated sign to categorizations chemical elements and is designed methodology of increasing of the qualitative factors their alloy before natural importances. Российский химик Д.И. Менделеев в 1869 г. установил, что, расположив химические элементы в порядке возрастания атомных весов, можно получить регулярное повторение их химических свойств. Это послужило ему достаточным основанием для разработки классификации химических элементов по данному признаку. Таблица оказалась на редкость удачной, так как он сумел в ней разместить все известные в то время элементы, уточнить их характеристики и даже оставить свободные клеточки для еще неизвестных элементов, но с предсказуемыми свойствами, таких как: германий, галлий и скандий. Однако, полного признания таблица не могла получить по той простой причине, что не был математически обоснован признак классификации. Действительно, элементы вещества имеют множество различных свойств (показателей качества). Например, статические (количественные): масса, атомный вес, плотность и др.; динамические (качественные): средний электрических заряд, момент количества движения, коэффициент вязкости и др.; прочностные: изгибающий момент, момент сопротивления сечения, допустимое напряжение и др. Очевидно, что при произвольном выборе признака классификации каждый из перечисленных показателей качества может им стать. В результате получим множество вариантов классификаций, каждый из которых будет иметь равные права на реализацию. Тогда проблемой станет их сравнительная оценка, что практически выполнить будет очень сложно, т.е. станет нерациональной и бесполезной работой. В связи с этим, единственно верным способом поиска признака классификации следует считать «методологию поиска и реализации наукоемкой продукции», период внедрения которой равен периоду одного жизненного цикла этой продукции [1]. Суть методологии заключается в следующем: на основании закона сохранения энергии

составляется обобщенная математическая модель объекта, которая затем приводится к виду, удобному для решения ее на оптимум одним из известных алгоритмов математической оптимизации. Результатом решения которой и станет установленный функциональный признак классификации объекта исследования. Известно, что закон сохранения энергии можно представить или через работу, совершаемую объектом или через теплоту Q, подведенную к нему. В нашем случае второй вариант будет более предпочтителен, так как значительно облегчит и упростит поставленную задачу. Как известно, теплоемкость вещества Ñ=

dQ = cm , Дж/К. dt

(1)

где: с - удельная теплоемкость вещества, Дж/кг·К; m – масса вещества, кг. При наличии уравнения связи g ·dQ ; G = mg , H; c = G·dt

(2)

где: G – атомный вес вещества, Н; g – ускорение свободного падения, м/с2. Следовательно, обобщенную математическую модель вещества можно представить с учетом [1,2] как систему дифференциальных уравнений вида: dQ = сm ; С= dT g dQ . (3) c= * G dt Необходимость оптимизации математической модели вещества обусловлена тем, что за время существования Земли все естественные процессы (механические, электрические, электромагнитные, гравитационные, биологические и др.) происходившие в недрах, на поверхности, в атмосфере Земли, многократно (миллиарды раз) повторялись и оптимизировались. Так же многократно подтверждались практикой, например, законом распределения электрического тока в параллельных электрических цепях (обратно пропорционально величинам активных сопротивлений этих цепей). Поэтому, все естественные процессы, явления и строение вещества подчиняются законам математической гармонии. Для оптимизации структуры уравнений (3) по критерию быстродействия системы, используя «принцип максимума» Л.С. Понтрягина, примем следующие обозначение: Q=x 1 ; C=u; с=x 2 u, где x 1 и x 2 – координаты объекта в фазовом пространстве Х; |u| управляющее воздействие, при повышении (понижении) теплоемкости вещества. dx Представим функцию (3) в виде, удобном для оптимизации, как 1 = u ; с=x 2 u. dt Тогда, промежуточная функция (4) H = ψ 1 (1 − x 2 )u , где ψ 1 – вспомогательная функция. Согласно условиям «принципа dψ 1 dH =− = 0. dt dx1

максимума»

из

равенства

(4)

имеем:

Поэтому ψ 1 =c 1 - постоянной интегрирования. Функция Н будет максимальна относительно u(t)=signψ 1 =±1, но с 1 ≠0. Следовательно, x 2 =1=g/G.

dH = c1 (1 − x 2 ) = 0 , du

(5)

Итак, в относительных единицах измерения из уравнения (5) атомный вес вещества G 0 =1=const. Таким образом, параметром, характеризующим основные качественные свойства вещества является его атомный вес, который может быть принят как признак классификации химических элементов и тем самым стать математическим подтверждением справедливости выводов и рекомендаций, принятых Д.И Менделеевым по Периодической системе химических элементов вещества. Периодическая система химических элементов (усовершенствованный вариант) представляет собой распределение элементов на периоды и группы – соответствующие строки и колонки таблицы. Она позволяет группировать элементы с похожей структурой, исходными химическими свойствами. Горизонтальные ряды (периоды) расположены так, чтобы похожие по свойствам элементы находились друг под другом и отражали естественные семейства (щелочные, щелочно-земельные металлы, галогены ит.д.) [2]. Установлено, что заряды ядер атомов химических элементов численно равны их порядковому номеру в периодической системе Д. И. Менделеева. Именно величина заряда ядра атома является характерным признаком химического элемента и обусловливает его свойства. Однако непонятно, как эти данные практически можно реализовать для получения искомого элемента из сплава. Из таблицы не ясно, как можно правильно использовать следующие моменты: расположение элементов в периодах по ранжиру атомного веса; нумерацию элементов в периодах по ранжиру; расположение плотности элемента в периодах по ранжиру; как связаны названные факторы по траектории с технологией возникновения плотностей химических элементов в недрах Земли; сколько должно одновременно участвовать компонентов в реакциях сплавов и какова доля каждого из них; можно ли составлять сплавы из элементов различных периодов; можно ли получить желаемый элемент из сплава неполной совокупности элементов периода; можно ли получить элемент как сплав элементов только одного периода. В основном ответ позитивный, но только необходимо выполнять следующее правило: всегда придерживаться закона математической гармоний строения вещества [3]. Химические элементы возникли в недрах земли под воздействием высоких пульсирующих давлений и температур. Поэтому элементы с большим атомным весом залегают глубже, ближе к центру Земли, а элементы с более легким атомным весом – ближе к поверхности Земли. Следовательно, элементы испытывают различную деформацию сжатия и вряд ли дадут положительные результаты, если они из различных периодов (уровней) классификации, поскольку произойдет нарушение математической гармонии строения вещества. По усовершенствованной классификации химических элементов периоды металлов содержат по 10 элементов. К примеру, 6 период с элементами от 71 до 80. Элемент 78 платина, 79 - золото. По оптимальному распределению в сплаве могут участвовать

только 8 элементов, т.е. за исключением платины и золота, которые собственно и необходимо получить (таблица). Таблица - Качественные показатели искусственных элементов вещества. ТемпераЧис-ло До-бавка Ос-нов№ Название АтомПлотЗаряд тура нудля вос- ной элеэл элемента ный ность, ядра, плавлеклипол-нения мент, № 3 . вес Кл г/см плот-ности ния, 0С дов 79 78 75 76 77 26

Золото Платина Рений Осмий Иридий Железо

196,97 195,078 187,058 189,477 192,748 55,8348

19,2540 21,36 21,040 22,593 22,565 7,844

78,61 77,30 74,9 76,31 76,72 26,08

1104,346 1690,135 2665,176 2527,385 2516,667 1508,861

34,22 36,58 33,7 34,90 35,05 28,20

8,8 4,74 3,17 7,0 4,6 0,48

80 79 74 75 76 26

Порядковый номер элемента в периодах новой классификации элементов определяет его долю участия в сплаве, а их сумма по каждому показателю автоматически дает значение этого показателя искомого элемента. Доля участия элемента в сплаве устанавливается, согласно распределению вероятностей появления значений случайной величины, в сторону возрастания деформации сжатия элементов. Основной элемент сплава определяется по характеру кривой изменения плотностей элементов периода классификации, если это восходящая ветвь, то принимается ближайший меньший по плотности, если нисходящая ветвь, то ближайший больший. Погрешность структуры сплава может использоваться для выравнивания значений показателей сплава с показателями оригинала. При этом, корректировка должна быть общей для всех показателей качества элемента. Основной элемент всегда имеет максимальный коэффициент доли и может корректироваться в пределах погрешности распределения структуры элемента. К основным выводам по работе можно отнести следующее. Математическое обоснование признака классификации химических элементов подтверждает справедливость выводов и рекомендаций Д.И.Менделеева по «Периодической системе элементов»; химические элементы возникли в недрах Земли под воздействием высоких, пульсирующих давлений и температур, располагаются в глубину по атомному весу и испытывают длительную деформацию сжатия; химические элементы вещества, как порождение естественных процессов, подчиняются законам математической гармонии; расположение их в периодах (уровнях) классификации по степени возрастания параметров: атомного веса, плотности вещества, заряда ядер и ограничение количества элементов в них указывают на наукоемкую технологию строения вещества; искусственный элемент можно получить только сплавом из восьми элементов его же периода. При этом основным элементом сплава является ближайший, с большим (меньшим) атомным весом. Например, для золота это ртуть, а для платины – золото. Использование в сплаве элементов разных периодов недопустимо, разрушает его математическую основу; недостаток плотности вещества в сплаве восполняется после выравнивания атомного веса вещества и заряда ядра добавкой естественного (искусственного) искомого элемента [3]. Таким образом, искусственно созданные элементы (золото, платина булатная сталь и др.) имеют такие же характеристики (весовые, химические, динамические) как их

естественные аналоги, поэтому могут быть причислены к наукоемкой продукции нанотехнологии и рекомендованы к использованию в технических целях. Список литературы: 1. Акашев З.Т., Акашев А.З., Акашев Е.А. Поиск и реализация наукоемких продукций. Свидетельство о госрегистрации в Комитете по правам интеллектуальной собственности Минюста РК. - № 310 от 23.08.2006 г. – 39 с. 2. Гиннес. Большая книга знаний. Перевод с англ. – Тверь: изд. «АСТ», 2000. – С. 128130. 3. Акашев З.Т., Малыбаев С.К., Акашев А.З. Поиск и реализация наукоемких продукций в промышленности и транспорте. – Караганда: Изд-во КарГТУ, 2006. – 197 с. ПРОБЛЕМА ОБЪЕДИНЕНИЯ ФИЗИКИ ГЛАЗАМИ ГЕОМЕХАНИКА Акашев З.Т., Данияров Н.А. (КарГТУ, г. Караганда, Казахстан) In article, on the grounds of studies of the optimum regularity of the distribution of probability of the appearance of importances of the random quantity is installed by that base material in Universe is an electric charge of the elementary particles. Знаменитый английский физик Стивен Хокинг в своей книге «Краткая история времени «От большого взрыва до черных дыр», в разделе «объединение физики», отмечает, что «…в конце концов будет найдена полная, непротиворечивая единая теория, в которую все частные теории будут входить в качестве приближений и которую не нужно будет подгонять под эксперимент подбором значений входящих в нее произвольных величин… Принцип неопределенности является, по-видимому, фундаментальным свойством Вселенной, в которой мы живем. Поэтому он обязательно должен быть составной частью правильной единой теории». Действительно, подгонка частных теорий под результаты экспериментов приводит к значительным погрешностям, поскольку каждый параметр в эксперименте определяется с погрешностью, соответствующей классу точности измерительных приборов. Поэтому, при большом количестве произвольных величин, участвующих в эксперименте, общая погрешность будет возрастать как их произведение. Это, собственно, и является в настоящее время первопричиной несовместимости частных теорий. Следовательно, для их согласования между собой следует оптимизировать структуры частных физических теорий, т.е. добиться единственности структуры каждой из них. И только при этом станет возможным согласование частных теорий. К примеру, принцип неопределенности Гейзенберга – это неравенство, вида: ∆X ⋅ ∆P ≥ h / 4π , поэтому использовать параметры ( ∆X –неопределенность положения структурных частиц; ∆Ρ –момент количества движения частиц и h –постоянная Планка), для согласования структур частных теорий практически невозможно. Но если представить это неравенство в относительных единицах измерения, как: 4π ⋅ ∆Χ ⋅ ∆Ρ / h ≥ 1 и применить для ее совершенствования оптимальную закономерность распределения вероятностей появления значений случайной величины, то принцип неопределенности превращается в оптимальное равенство вида ∆Χ ⋅ ∆Ρ = h / 3,533π , а произвольные величины ∆Χ и ∆Ρ принимают количественное значение относительно известных параметров, как ∆Χ = 2.618 – квадрат коэффициента «золотого сечения» отрезка прямой линии, а ∆Ρ = 1,618h . Поэтому, заменив в квантовой теории, при определении энергии излучения атома h = 0.618 ⋅ ∆Ρ и приравняв к значению ее по общей теории относительности E = mC 2 , определим частоту излучения энергии f = 1.618Сρ −1 , где ρ – 37

расстояние от точки приведения массы до оси ее вращения в минус первой степени; Сскорость света в вакууме. Таким образом, устанавливается общность структур всех трех частных теорий классической и квантовой механики. Далее, рассмотрим уравнение Шредингера, определяющее вид функции ϕ для различных случаев движения и взаимодействия микрочастиц, в котором собственные функции нормированы тем условием, что вероятность обнаружить частицу во всем пространстве, как вероятность достоверного события, равна единице: +∞ 2 (1) ϕ dV = 1 ,

∫

−∞

где: ϕ –волновая функция, характеризующая вероятность нахождения частицы в данном месте пространства в данный момент времени; I = ϕ 2 = ϕ ⋅ ϕ * –плотность вероятности; ϕ * - функция комплексно сопряженная; dV - элементарный объем пространства. Используя свойство инвариантности дифференциалов, уравнение (1), представим как функцию вида: +∞ 2 dV (2) F1 (t ) = ϕ ⋅ dt.

∫

−∞

Для оптимизации структуры уравнения (2) по критерию быстродействия системы, используя «принцип максимума» Л.С.Понтрягина, примем следующие обозначения: 2 F1 (t ) = x1 ; ϕ = x2 ; dV = u , dt

где: x1 и x2 – координаты объекта в фазовом пространстве Χ ; u – управляющее воздействие. Представим функцию (2) в виде, удобном для оптимизации, как dx1 dV = ux2 ; = u - управление , как уравнение связи. Тогда, промежуточная dt

функция

Η = ψ 1 (x 2 + 1) ⋅ u ,

(3)

где: ψ 1 – вспомогательная переменная. Согласно условиям «принципа максимума» из равенства (3): Поэтому ψ 1 = ñ1 - постоянной интегрирования. Функция Η будет максимальна относительно u при условии:

ñ1 ≠ 0. Следовательно, x2 = −1, или I = ϕ = ψ ⋅ψ * = 2

∂ψ 1 ∂Η =− =0. dt ∂x1

dH = c1 ( x2 + 1) = du

0, но

= -1.

(4)

По закону сохранения электрических зарядов утверждается, что убыль зарядов q в замкнутом объеме V за единицу времени равна плотности вероятности или силе тока. Поэтому из равенства (4) , (5) а с учетом оптимальной закономерности распределения вероятностей появления значений случайной величины, имеем [3]: ∂q = 3,533π (0,618 ⋅ 0,382) = 1 . Откуда, сила ∂t

2,618

взаимодействия зарядов распределяется на силы притяжения и отталкивания, как 4,2374 =

0,618 + 0,382 1 1 = + = 2,618 + 1,618. 0,618 ⋅ 0,382 0,382 0,618

Поэтому, мощность постоянного тока в физических единицах измерения (6) N = UI = Sv , Вт (Нм/с) где: U и v – соответственно значения напряжения (В) и скорости (м/с); S – продольная сила в электрическом проводнике, Н; I – ток в электрическом проводнике (А). Из уравнения (6) имеем: ê ⋅ I = S . Допуская, глазами геомеханика, что U ê = = const , (Вс/м), то считаем, что зависимость между параметрами I и S. прямо v

пропорциональная. Следовательно, в относительных единицах измерения, из соотношений (4-6), имеем численное равенство S ⋅τ = q ,

(7)

где: S – сила взаимодействия (притяжения или отталкивания) электрических зарядов; τ продолжительность взаимодействия зарядов. Таким образом, для установления оптимального значения электрического заряда q, достаточно оптимизации продольной силы (7) в электрическом проводнике при τ = const. Известно, что все частицы, из которых состоит вещество во Вселенной, имеют некую вращательную характеристику – спин (spin – вращаться, крутиться), который создает силы, действующие между частицами вещества. В то же время, последние подчиняются «принципу запрета» Паули, который гласит, что две одинаковые частицы не могут существовать в одном и том же состоянии, т.е. не могут иметь координаты и скорости, одинаковые с точностью, которая задается принципом неопределенности. Поэтому частицы оказывают импульсное воздействие на несущую поверхность и друг на друга. Приращение количества движения частиц ΔQ за время их импульсного взаимодействия t +τ ΔQ=Q (t,B) - Q (t,A) = ∑ Sa dt , Нс (8)

∫ t

где: Q (t,B) и Q (t,A) - количество движения частиц до и после их воздействия, кг·м/с; ∑ Sa – сумма внешних сил, приложенных к точкам системы, Н; τ - время действия импульса силы, с. Очевидно, что в начале импульса, когда x |τ=0 =0; ΔQ |τ=0 =0; ∑S a =Eε |τ=0 , упругой составляющей продольной силы в электрическом проводнике Н. Следовательно, глазами геомеханика, сила импульса S равна величине диссипативных сил на участке движения частиц, поэтому с учетом распространения волн деформации в обе стороны от точки возникновения импульса S=

d∆Q(τ ) dt

= 2µ

d∆ε dt

,Н

(9)

где: Δε – приращение величины относительной деформации электрических проводников (зарядов); μ – коэффициент нормальной вязкости, Н·с. С другой стороны сила импульса равна силе инерции 39

S = 2m

d 2 ∆l óï dt 2

(10)

где: Δl yn – приращение абсолютного удлинения электрических проводников (зарядов) за время действия импульса силы. cτ cτ (11) )dx = ∆εdx ∆l yn = (ε x − ε

∫

τ =0

Тогда, приращение количества движения элементарных частиц за период их взаимодействия из уравнений (8), (9) и (10) d∆l óï . (12) ∆Q = 2 µ∆ε = 2m dt

Таким образом, динамические процессы в электрическом проводнике при прохождении импульса силы можно представить из (8-12) как систему дифференциальных уравнений, вида d∆Q(τ )

1 d∆l óï = ⋅ ∆Q(τ ) ; dt 2m

При наличии уравнения связи

S = 2µ d∆ε dt

=S,

(13)

(14)

d∆ε =u ≤ 1 , представим dt уравнения (11-14) в фазовых координатах в виде, удобным для оптимизации по «принципу максимума» Приняв обозначения: Δl yn =x 1 ; ΔQ (τ) =x 2 ; S=x 3 ;

dx1 1  x2 ; = dt 2m   dx2 = 2µu;  dt 

(15)

Промежуточная функция системы (15) H = Ψ1

x2 + 2Ψ2 µu , 2m

(16)

где: Ψ 1 и Ψ 2 – вспомогательные переменные. Решая уравнение (16) на оптимум, из первого условия «принципа максимума» следует,    Ψ  =− 1 Ψ 2 2m 

  c1  Ψ2 = c2 − t 2m 

 =0 Ψ 1

Ψ1 = c1

c   2 µ c2 − 1 t  = 0. 2m  

(17)

(18)

Так как максимум H будет достигаться при u(t)=sign Ψ 2 =±1, то при граничном условии t=0, имеем: c 2 =1, а 2m=c 1 t, т.е. масса является линейной функцией времени. Известно, что для системы с равномерно распределенной массой 8 (19) 2m =  ς F Ct , кг  3

где: ς – объемная плотность заряда, кг/м3; F– площадь поперечного сечения массы зарядов, м2; С – скорость света в вакууме, м/с. Следовательно, с учетом зависимости (19) 40

8 c1 =  ς F C = const . 3

(20)

Из уравнения (9), с учетом условия (12), имеем: 2 µ = 2mC = ∆Q ,

кгм/c (Нс).

(21)

Откуда, максимальное значение массы в конце импульсного воздействия, равно m=

µ , кг.

Тогда, при t=τ, время импульсного воздействия, из условий (19) и (22) 3 µ 3 µ ,с = ⋅ τ= ⋅ 4 ςFC2

(22)

4 e ϕ 2 FC 2

(23)

где: e=1,602 – элементарный электрический заряд, Кл. Подставив условие (23) в равенство (13), с учетом условия (7), имеем: q = ∆Q = 2 µ , Нс (Ас). Таким образом, к выводам можно отнести следующее: структуры физических теорий классической и квантовой механики после их оптимизации, на основе единственности строения каждой из них, стали легко совместимыми; плотность вероятности нахождения частицы в пространстве в данный момент времени и убыль зарядов в замкнутом пространстве за единицу времени равны минус единице, а скорость движения зарядов – плюс единице; в относительных единицах измерения из уравнения мощности постоянного тока импульс силы взаимодействия зарядов равен величине заряда; оптимальное значение приращения количества движения частиц за период их взаимодействия численно равно удвоенному коэффициенту нормальной вязкости зарядов; критерием, характеризующим основные свойства вещества во Вселенной, является электрический заряд частиц за период их взаимодействия, прямо пропорциональный приращению количества движения (коэффициенту нормальной вязкости) элементарных частиц вещества. ВЛИЯНИЕ ГЛОБАЛЬНЫХ ВЗРЫВНЫХ ВОЛН В СФЕРАХ ЗЕМЛИ НА РАЗВИТИЕ МИРОВОЙ ЦИВИЛИЗАЦИИ Акашев З.Т., Акашев А.З., Акашев Е.А. (КарГТУ, г. Караганда, Казахстан) In article, on the grounds of studies of the optimum regularity of the distribution of probability of the appearance of importances of the random quantity, is installed reason of the compression and duration stage developments to world civilization. They are brought given on example concrete history event and feature stage cycle of the development to world civilization. Оптимальная закономерность распределения вероятностей появления значений случайной величины позволяет установить всю совокупность ее значений и представляет собой оптимальную геометрическую прогрессию [1] вида: (1) m j = m1 ⋅ α j −1 = 0.618 ⋅ 0.382 j −1 , где j= 1; 2; 3; …. n – порядковый номер значений случайной величины, расставленных по ранжиру; m j = вероятность появления (доля, весомость) j-того значения случайной

величины; m 1 = 0,618 – обратная величина коэффициента золотого сечения (вероятность появления первого значения случайной величины); α = 0,382- дополнение к m 1 , до единицы (знаменатель оптимальной геометрической прогрессии). Раскрытие формулы (1) дает следующие значения вероятностей появления (коэффициентов весомости) значений случайной величины от общей их суммы: m 1 = 0,618; m 2 = 0,236; m 3 = 0,09; m 4 = 0,034; m 5 = 0,013; m 6 = 0,005; m 7 = 0,002; m 8 = 0,001. n =8

∑

m j =0,618+0,236+0,09+0,034+0,013+0,005+0,002+0,001=0,999≈1,0.

(2)

j =1

Погрешность незначительная, всего 0,1%. Нетрудно заметить, что данные числа являются числами оптимального производного (каждый четный член) убывающего числового ряда Фибоначчи. Значит, соотношение каждого предыдущего к последующему числу в пределе будет равно квадрату коэффициента золотого сечения, т.е. 2,618 [1]. Применительно к длительности этапов развития мировой цивилизации убывающий ряд чисел может характеризовать деформацию сжатия, как вероятностей появления значений случайной величины, а возрастающий ряд этих же чисел – деформацию ее растяжения. Поэтому проблема заключается в установлении причины возникновения и характеристики данного процесса. Например, известно, что с начала Древнего мира (кратковременного расцвета и падения Двуречья при III династии Ур, 2024 г. до н.э.) до падения Рима (476 г.) прошло 2500 лет [2]. Следовательно, данный этап является первой ступенью общественного развития и культурного уровня мировой цивилизации, поэтому ее доля – 0,618. Длительности второго и последующих этапов определяются, как частное от деления (2500/0,618) умноженное на соответствующую долю уровня развития искомого этапа (таблица 1). Поскольку человечество существовало и до первого этапа развития цивилизации, как родоплеменные группы и объединения с низким культурным уровнем и без постоянной связи между собой, этап их развития рассматривается (с учетом влияния последствий взрыва) как переходной (нулевой) и определяется экстраполяцией, как 2500·2,618=6545 лет. Таблица 1. Характеристика этапов цикла развития мировой цивилизации Состав Этап Эта Этап Этап Эта Этап Этап Этап и пара- 0 п1 2 3 п4 5 6 7 метры Длит., 6545 2500 954,6 360 137, 52,6 20,2 8,09 лет 5 Крат2,618 2,61 2,651 2,618 2,61 2,604 2,497 2,0 ность 8 4 Доля 1,617 0,61 0,236 0,09 0,03 0,013 0,005 0,002 этапа 8 4 Период 8569 2024 476 1430, 1790 1928, 1980, 2000, этапа, 6 ,6 1 7 9 годы Эра, До н.э. Наша эра годы

Эта п8 4,04 5 0,0

Коне ц цикла 0,0 0,0

0,00 1

0,0

2008 ,9

2013, 0

Таким образом, общая продолжительность цикла развития мировой цивилизации составляет Тц=10582 года, а завершается в конце 2012 года или в начале 2013 года (см. таблицу 1). Рассмотрим основную (краткую) характеристику этапов развития мировой цивилизации. Переходный этап – первобытно-общинное, раздельное (с примитивной культурой) кочевое хозяйство (охота, скотоводство, земледелие), требующее все новых земель для пастбищ и земледелия, с постоянным поиском лучших охотничьих угодий. Начало – 8569 г. до нашей эры, конец – 2024 г. до нашей эры. Продолжительность 6545 лет. Древний мир известен повсеместным появлением государственных объединений с клинописной письменностью, захватническими войнами в целях обогащения, захватом новых земель и природных ресурсов. Возникновением рабства и развитием работорговли [2]. Начало – 2024 г. до нашей эры, конец 476 г. Продолжительность 2500 лет. Этап средневековья характерен учреждением феодальных вотчин, развитием натурального хозяйства и крепостничества – принудительного закрепления рабов к земле, иерархическим подчинением господ на принципе «вассал моего вассала не мой вассал». Начало 476 г., окончание – 1430,6 г. Продолжительность 954,6 года. Этап начала механизации производства характерен появлением мелких мануфактур и наемных, но свободных работников, началом деления людей на богатых и бедных – буржуазию и наемных работников. Начало 1430,6 г., окончание 1790,6 год. Продолжительность 360 лет. Этап развитого машинного производства характерен поиском рынков сбыта готовой продукций. Возникновением крупных заводов и фабрик, объединением наемных, но свободных работников в класс пролетариев, борьбой за создание третейского суда, международного арбитража и Лиги наций. Начало 1790,6 г., окончание 1928,1 г. Продолжительность 137,5 г. Этап агрессивных и захватнических воин известен борьбой ведущих стран за раздел мира на рынки сбыта, народно-освободительными войнами и ликвидацией колоний, образованием новых государств и активной деятельностью Лиги Наций (ООН). Начало 1928,1 г. окончание 1980,7 г. Продолжительность – 52,6 года. Этап борьбы за демократизацию и гуманизацию общества известен распадом конфедеративных держав (СССР, Югославии, Чехословакии и др.), на бывшие союзные Республики, образованием независимых государств. Начало 1980,7 г., окончание 2000,9 год. Продолжительность – 20,2 года. Этап самоусовершенствования общества и расцвета науки характерен установлением свободы личностей, разработкой передовых прогрессивных наукоемких технологий и реализующих их продукций, разработкой нанотехнологий и нанороботов. Начало 2000,9 год, окончание – 2008,99 г. На завершающем этапе развития будут продолжаться работы предыдущего этапа и одновременно происходить концентрация сил и средств для обеспечения благополучного нулевого перехода от деформации сжатия к деформации растяжения продолжительности развития цивилизации. Начало 2008,99 г., окончание 2012,99 - 2013 гг. Длительность 4,045 года. По общей продолжительности цикла, действие закона сжатия времени развития цивилизации началось практически со дня всемирного потопа. По теории М. Виссинга в 8499 году до н.э. (по нашим расчетам 8569 г. до н.э., погрешность расчетов 0,66%) огромный астероид, массой около двух биллионов тонн, врезался в толщу Северной Атлантики, пробив земную кору, что явилось причиной возникновения всемирного

потопа. В результате немногие выжившие, в основном, в высокогорных районах, были отброшены в своем развитии в каменный век и вынуждены развиваться с нуля, потеряв все, чего достигла их цивилизация [3]. Взрыв соударяющихся тел, каким бы он ни был быстротечным, также состоит из тех же восьми этапов. Однако расположение этапов по длительности – обратное, так как взрыв сопровождается деформацией растяжения (раздувания) взрывной полости. Частота пульсации давления в полости на каждом этапе определяется как отношение доли этапа к длительности его периода. Для проверки достоверности исходной теории (1), рассмотрим результаты экспериментальных исследований, проведенных профессором МГИ Дьяковым В.А. на руднике «Джанатас» горно-химического комбината «Каратау» (Казахстан), с целью установления закономерности оптимального распределения характеристик и формы кусков пород, получаемых при взрывном дроблении горного массива (таблица 2), которая после статистической обработки их, позволили сделать следующее выводы: - форма кусков пород исключительно лещадная (близкая к форме параллелепипеда). Размеры кусков А; В; С представлены как: А1; 1; С1; - соотношение сторон кусков А1 близок к коэффициенту золотого сечения, максимальное отклонение от оптимума 18,4 % в сторону понижения, а С1 - на 8,1% сторону превышения; - среднее отклонение объема реальных кусков в сторону превышения от расчетного <18 %. Таким образом, как конечный результат взрывного дробления горного массива, распределение горной массы по гранулометрическому составу подчиняется оптимальной закономерности (1), следовательно, по теории взаимности все предшествовавшие этапы взрывного дробления пород также должны подчиняться этой же закономерности. Оптимальная закономерность распределения времени деформации растяжения при взрывном дроблений горных пород вытекает из общей теории относительности Эйнштейна с учетом условия (2), как: n =8

Em = P 2 ⋅ ∑ m j = ( pt ) (0,001 + 0,002 + 0,005 + 0,013 + 0,034 + 0,09 + 0,236 + 0,618), 2

(3)

j =1

где Е – энергия взрыва при соударении масс, Дж; m – общая масса, принявшая участие в соударении тел, кг; p – избыточное усилие, возникающее при взрыве масс, Н; t – текущее время, с; pt = P – импульс динамической силы, Нс. Таблица 2. Численная характеристика параметров и формы кусков пород после взрывного дробления массива A max Численная Отклонение от Объем кусков, м3 Соотношение , мм характеристик оптимума, % объемов, К а формы кусков А1 1 С1 А1 С1 реальный оптимальны й 1200 1,38:1:0,67 -14,8 +8,1 0,262 0,218 1,2 1100 1,38:1:0,66 -14,8 +6,45 0,195 0,166 1,18 1000 1,37:1:0,66 -15,4 +6,45 0,152 0,125 1,22 900 1,38:1:0,66 -14,8 +6,45 0,114 0,092 1,24 800 1,41:1:0,67 -13,0 +8,1 0,074 0,065 1,14

Из уравнения (3) видно, что процесс взрыва состоит из тех же восьми последовательных этапов, которые кратко характеризуются как: - формирование очага воспламенения, которое начинается с момента встречи соударяющихся масс, взаимного внедрения на определенную глубину, физикохимических воздействий (трения, реакций и воспламенения); - формирование взрывной полости начинается с момента воспламенения соударяющихся масс.; - с установлением оптимальной формы взрывной полости прекращается хаотичное движение свободных частиц. Частицы начинают двигаться по оптимальной траектории, которой является большая диагональ правильной пятиконечной звезды [4].; - при любом реальном взрыве в твердой горной породе их возгорание сопровождается повышением давления и температуры во взрывной полости и способствует возникновению в ней газодинамических процессов. В результате происходит смятие частиц на стенках и разрушение взрывной полости.; - дальнейшее усиление пульсации давления и температуры во взрывной полости приводит к более интенсивному нагреву пород внутренней поверхности сферы и испарению влаги из них, превращаясь в источник гидродинамических процессов в полости; - увеличение длительности периода переходного состояния свойств пород способствует возникновению вокруг взрывной полости значительной зоны напряженности, в которой происходит интенсивное испарение влаги, по окончании которого наступает период обезвоживания пород и переход их в состояние хрупкости, а непрерывная пульсация давления и температуры способствует их быстрому и легкому разрушению; - поскольку силы давления во взрывной полости действуют во всех направлениях одинаково, то работа этих сил при развитии трещин будет направлена одновременно: на радиальный (перпендикулярный к внутренней поверхности сферы, т.е. в глубину массива) разрыв породы, на развитие трещины по внутренней поверхности сферы (длине) и на ее раскрытие (всегда перпендикулярно к длине, сдвиг боковых пород); - поскольку при каждой пульсации давления, волны деформации распространяются по радиальному разрыву пород в одну сторону от центра взрыва – глубину (толщу) массива, а работа сил давления на развитие трещин по всем направлениям равна между собой и имеет ускоренно-возрастающее значение в каждый момент времени, то глубина трещины будет равна сумме длин поперечных разрывов по внутренней поверхности сферы, поэтому формы кусков будут близки к форме параллелепипеда. При естественном взрывном процессе непосредственно перед взрывом, расплавленная порода находится в упруго – вязком состоянии, поэтому волна деформации растяжения в момент взрыва меняет свой знак на обратный, переходя в волну сжатия, ввиду отсутствия жесткой преграды [5] для ее отражения. С этого момента начинается нулевой период развития мировой цивилизации, рассмотренный нами выше, а также и других естественных (природных), экологических, биологических и других процессов, не вызванных влиянием искусственно – принудительными воздействиями человека с нарушением природных законов и унифицированных (обобщенных) свойств материи, уводящим на принцип гетерогонии целей. Основные выводы:

1. Деформация сжатия длительности этапов развития мировой цивилизации обусловлена воздействием на планету глобальных взрывных волн, охвативших все естественные жизненные сферы Земли, возникших в результате столкновения ее с крупным астероидом. 2. Распределение общей продолжительности цикла развития мировой цивилизации по характерным этапам подчиняется оптимальной закономерности распределения вероятностей появления значений случайной величины. 3. Взрыв соударяющихся тел, каким бы он ни был быстротечным, состоит из восьми этапов и сопровождается деформацией растяжения, а частота пульсации давления во взрывной полости на каждом этапе определяется как отношение доли этапа к длительности его периода. 4. При взрывном дроблении пород распределение горной массы по гранулометрическому составу подчиняется оптимальной закономерности распределения вероятностей появления значений случайной величины. 5. При взрывном дроблении пород фракции имеют исключительно лещадную форму (близкую к параллелепипеду) с соотношением сторон в пределе равном коэффициенту золотого сечения. Таким образом, сжатие времени развития мировой цивилизации произошло под влиянием глобальных взрывных волн, возникших в сферах Земли, в результате столкновения ее с крупным астероидом. Список литературы: 1. Акашев З.Т., Данияров Н.А., Малыбаев Н.С. Безэкспертный метод оценки карьерных транспортных систем по техническому уровню. – М.: журнал «Тяжелое машиностроение», 2003. № 8. - С.18-22. 2. Гиннесс. Большая книга знаний. Перевод с англ. - Тверь: изд. «АСТ», 2000. - 480 с. 3. Шестериков Д. Загадочные следы доегипетской цивилизации. – С. Петербург: Изд. «Калейдоскоп», 2007. журнал НЛО. № 34 (505). – С.8. 4. Воробьев Н.Н. Числа Фибоначчи. 4-е изд. – М.: Наука, 1978. - 144 с. 5. Евневич А.В. Горные транспортные машины. Уч-к для вузов. – М.: Гос. изд. лит. по горному делу, 1963. – С. 38-48. СТРУКТУРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ВЯЗКОУПРУГИХ СВОЙСТВ ОДНОНАПРАВЛЕННОГО КОМПОЗИТА Алимов М.А., Думанский А.М (Учреждение Российской Академии Наук Институт машиноведения им. А.А. Благонравова РАН, г. Москва, Россия) Structure modeling of viscoelastic properties of unidirectional composites is presented. On the basis of the relations of composite structure mechanics and the theory of linear viscoelasticity the constitutive equations of the unidirectional composite were obtained. Конструкции и элементы конструкций в процессе эксплуатации подвергаются воздействию переменных во времени нагрузок. В свою очередь свойства всех материалов в той или иной степени зависят от времени, причем временные свойства композитных материалов на полимерной основе в значительной степени зависят от вязкоупругих свойств полимерной матрицы. Последнее также справедливо для композитов, составленных из слоев, армированных непрерывными хрупкими волокнами, например углеродными волокнами. Даже при действии постоянной нагрузки в направлении армирования с течением времени может происходить пусть

незначительное перераспределение нагрузки между волокнами и полимерной матрицей. При действии нагрузки, не совпадающей с направлением армирования слоев, временные эффекты проявляются в гораздо большей степени. Полимерная матрица определяет вязкоупругие свойства однонаправленного слоя, в свою очередь вязкоупругие свойства слоев определяют вязкоупругие свойства слоистого композита, составленного из слоев, уложенных в разных направлениях. В общем случае имеет место анизотропия вязкоупругих свойств композитного материала, оценка которых представляет собой сложную задачу. Для решения данной задачи можно использовать модельные представления теории линейной вязкоупругости [1], в которых механические свойства материала могут быть представлены путем последовательного и параллельного соединения упругих пружин, подчиняющихся закону Гука σ = Eε и вязких элементов связанных соотношениями вида σ = ηε , где η коэффициент вязкости, измеряемый в пуазах, 1 пуаз = 0,1 Па*сек. Такого рода подход при одноосном нагружении приводит к определяющему соотношению дифференциального типа. Последовательное соединение вышеописанных элементов приводит к классическому модельному представлению элемента Максвелла, а параллельное к элементу Фохта. При последовательном соединении общая деформация представляет собой сумму деформаций составляющих элементов, т.е ε = ∑ ε i , а при параллельном соединении i

напряжение в элементе представляет собой сумму напряжений составляющих элементов, т.е. σ = ∑ σ k [2]. Наряду с упругими пружинами и вязкими элементами в k

качестве исходных составляющих могут быть использованы и более сложные элементы. Так, если формально обозначить порядок производной, для упругой пружины имеем порядок, равный нулю, а для вязкого элемента равный единице t 1 1 −1 1 1 0 (2) D σ, σ (τ ) dτ = ε = σ = D σ; ε = ∫ η0 η E E где D - оператор дифференцирования. Выражение для производной дробного порядка в смысле Лиувилля может быть записано следующим образом [3] t 1 1 γ −1 (3) dτ D −γ σ , ε σ (τ )( t − τ ) = = ∫ Γ (γ ) 0 Γ (γ ) где −γ порядок производной, для которого 0 < γ < 1 , Γ ( ) - гамма-функция. Проведя сопоставление такого подхода с интегральными представлениями механики наследственных сред, определяющее соотношение наследственной упругости с ядром Абеля будет представлять собой последовательное соединение упругой пружины и элемента, выражаемого производной дробного порядка. Тогда, определяющее соотношение наследственной упругости с ядром Абеля может быть записано следующим образом

(

)

1 k −(1+α ) 1 − 1+α 1 + kD ( ) σ . D σ= E E E Интегральный аналог соотношения (4) будет иметь вид

ε= σ+

1 E

ε =+  σ

t  k α ( t − τ ) σ (τ ) dτ  , ∫ Γ (1 + α ) 0 

(4)

(5)

где α параметр сингулярности ядра Абеля, −1 < α < 0 . Такого рода модели развивались в работе [3]. Рассмотрим модельную задачу деформирования однонаправленного слоя, для простоты, составленного из хрупких волокон, представляющих собой аналог упругой пружины и полимерной матрицы, моделируемой с помощью элемента Фохта, в котором напряжения и деформации связаны соотношением [4] = σ m Em ( ε + τ mε ) , где τ m =

(6)

- время запаздывания для полимерной матрицы. Em Предполагается, что волокна и матрица идеально связаны между собой и деформируются без проскальзывания. Тогда, используя известной в структурной механике композитов правило смесей [5] σ =σ f ψ + σ m (1 −ψ ) , получим определяющее соотношение, связывающее напряжения и деформации слоя в направлении армирования (7) σ = E f ψε + (1 −ψ )( Emε + ηε )= Ecε + (1 −ψ )ηε ,

где

E= E f ψ + (1 −ψ ) Em c

известное

выражение

для

модуля

упругости

однонаправленного композита, ψ - объемное содержание волокна в слое, индексы f и m относятся к значениям соответствующих характеристик волокна и матрицы. Дифференциальное уравнение в (7) может быть переписано в следующем виде

где τ c =

η (1 −ψ )

= σ Ec ( ε + τ cε ) ,

(8)

есть время запаздывания однонаправленного композита, Ec представляющего собой также тело Фохта, только со значительно меньшим временем запаздывания, т.е. τ c << τ m . При постоянном значении напряжения получим закон ползучести t −  σ0  τc (9) ε= 1 − e  . (t )  Ec   С помощью (9) можно определить изменение напряжений в волокне, вызванное течением матрицы Efσ0 (10) = σ f E= 1 − e − λ0t . f ε (t ) Ec Из (10) следует, что при постоянной нагрузке, прилагаемой к однонаправленному композиту, напряжения в волокне с течением времени будут возрастать. Рассмотрим деформирование однонаправленного материала в направлении поперек армирования. В данном случае имеет место последовательное соединение компонентов и выражение для деформации принимает следующий вид

(

ε = ε f ψ + ε m (1 −ψ ) .

)

(11) Волокна также следуют закону Гука, а матрица изотропна, и дифференциальное уравнение связи между напряжением и деформацией является таким же, что и в предыдущем случае. Учитывая соотношение (11) и принимая во внимание условие

равенства напряжений в волокнах и матрице, после ряда преобразований получаем дифференциальное уравнение связи напряжений и деформаций

σ + λσ = E ( ε + µε ) , где λ = 1 +

1 −ψ

E rf , E =

(12)

ηE E , µ = m , E rf - значение модуля упругости волокна в ψ η r f

трансверсальном направлении. Величина E представляет собой мгновенный модуль упругости, а величина E

µ является длительным модулем упругости. η

Уравнение (12) может быть решено относительно напряжений или деформаций. Соответствующие решения приведены в работе [4] 



σ = E ε − ( λ − µ ) ∫ e − λ (t −τ )ε (τ ) dτ  

ε=



 1 − µ ( t −τ ) σ (τ ) dτ  . σ + ( λ − µ ) ∫ e E 0 

(13)

(14)

В условиях ползучести соотношение (14) примет следующий вид  σ  λ−µ 1 − e − µt   (15) ε ( t ) =0 1 + E  µ  1 1 Величины и имеют размерность времени, первую можно назвать характерным

λ µ временем релаксации, вторую - характерным временем ползучести. Однонаправленный композит в направлении, перпендикулярном армированию, ведет себя как тело Кельвина или как стандартное вязкоупругое тело [4]. Уравнениями (13), (14) удобно использовать, представляя их в операторной форме, соответственно (16) σ = E 1 − ( λ − µ ) Ý 0∗ ( −λ )  ε

1 1 + ( λ − µ ) Ý 0∗ ( − µ )  σ , (17) E где Ý 0∗ ( −k ) - экспоненциальный оператор, представляющий собой частный случай дробно-экспоненциальной функции Работнова [4]. Предложенный подход может быть использован для получения определяющих соотношений более сложного вида, т.е. для описания деформирования полимерной матрицы можно использовать более сложные представления, в частности, использовать т.н. фрактальные модели, описываемые производными дробного порядка [3]. С помощью соотношений структурной механики композитов для однонаправленного материала с упругими волокнами и вязкоупругой матрицей представляющей собой тело Фохта, разработан метод структурного моделирования вязкоупругих свойств однонаправленного композита. Показано, что в направлении армирования однонаправленный материал будет также представлять собой тело Фохта, для которого определены соответствующие характеристики. Малое, по сравнению со временем запаздывания полимерной смолы время запаздывания композита в направлении армирования означает быстрое затухание релаксационных процессов. В направлении, перпендикулярном армированию, композит представляет собой тело

ε=

Кельвина, для которого также определены соответствующие характеристики. Используя полученные выражения можно определять и другие материальные функции композита в зависимости от структурных параметров однонаправленного материала. Список литературы: 1. Бленд Д. Теория линейной вязкоупругости. – М.: Мир, 1965. – 200 с. 2. Гольберг И.И. Механическое поведение полимерных материалов (математическое описание). – М.: Химия, 1970. 192 с. 3. Победря Б.Е. Модели линейной теории вязкоупругости // Мех. тверд. тела. – 2003. № 3. – С. 122-134. 4. Работнов Ю.Н. Элементы наследственной механики твердых тел. - М.: Наука, 1977. - 384 с. 5..Скудра А.М., Булавс Ф.Я., Гурвич М.Р., Круклиньш А.А. Элементы строительной механики стержневых систем из композитных материалов. - Рига: Зинатне, 1989. – 248 с. ИЗМЕНЕНИЕ СТРУКТУРЫ КАРБИДНЫХ ФАЗ ЖЕЛЕЗО-УГЛЕРОДИСТЫХ СПЛАВОВ В ИМПУЛЬСНОМ МАГНИТНОМ ПОЛЕ Анисович А.Г., Румянцева И.Н., Бевза В.Ф., Ажаронок В.В. (ГНУ «ФТИ НАН Беларуси», ГНУ «ИТМ НАН Беларуси», ГНУ «ИФ НАН Беларуси», г.Минск, Беларусь) The magnetic pulse processing (MPP) has been analyzed concerning its effect on changing the morphology and space distribution of ШХ15 steel carbides and carbon and cementite of iron with various shape of graphite. It is determined that sizes and morphology of carbide phases and uniformity of their distribution in alloy matrix are changed under the action of magnetic field. It is shown that processing in magnetic field results in analogues structure effects for different alloys. The change of internal iron graphite structure is established. The interrelation of observed effects with properties is discussed. Вопросам влияния магнитных полей на металлические материалы в настоящее время посвящается все большее количество публикаций. Выполнено значительное количество исследований на сталях. Показано влияние импульсного магнитного поля на кинетику мартенситного превращения. Трансформация структуры и свойств неферромагнитных материалов в магнитном поле также уже не представляется чемлибо необычным. Авторами данной работы выполнен ряд исследований по трансформации структуры и свойств цветных сплавов в магнитных полях. Тем не менее, объяснения наблюдаемым фактам пока не найдено. Выяснение физических причин изменения структуры неферромагнитных материалов в магнитном поле является сложной задачей. Для ее выполнения требуется проведение широкого спектра исследований на основе достаточного массива экспериментального материала. В данной работе проанализировано изменение структуры неметаллических фаз железо-углеродистых сплавов под воздействием импульсного магнитного поля. Изменение, происходящие при МИО в структуре металлов и сплавов, регистрируются металлографическими методами анализа на пределе чувствительности приборов. На рисунке 1 представлены результаты прицельной металлографии стали ШХ15 до и после воздействия МИО /1/. Эффекты изменения карбидной фазы – укрупнение, глобуляризация и изменение их распределения в матрице сплава. Изменение размеров кабидной фазы (цементита) наблюдается и в чугуне с различной формой графита. На рисунках 2 и 3 показаны различные эффекты воздействия – укрупнение (рисунок 2) и измельчение (рисунок 3) включений свободного цементита, полученные методом прицельной металлографии. Результаты неоднозначны. Вероятно,

следует учитывать кристаллографическую ориентировку структурных элементов в магнитном поле.

20 мкм

б Рис. 1. Микроструктура шарика из стали ШХ15 в исходном состоянии (а) и после обработки магнитным полем (б) /1/.

б Рис. 2. Изменение размеров включения свободного цементита в чугуне с вермикулярным графитом; а – состояние поставки, б – после МИО.

б Рис. 3. Изменение размеров включения свободного цементита в чугуне с шаровидным графитом; а – состояние поставки, б – после МИО.

Металлографический анализ предварительно деформированного армко-железа после типовой цементации /3/ показал, что магнитно-импульсная обработка способствует измельчению перлитных колоний, образованию разорванной цементитной сетки и коалесценции цементита. Толщина цементованного слоя при этом повышается (таблица 1). Таблица 1 - Зависимость толщины цементованного слоя от параметров обработки Энергия разряда, кДж Количество импульсов Толщина цементованного слоя, мм Исходный 0,7 1,5 1 0,7 1,5 5 1,1 3,0 1 0,7 3,0 2 0,8 6,0 1 1,0 Одним из эффектов магнитно-импульсного воздействия является изменение внутренней структуры графита чугуна. Изменение внутренней структуры шаровидного графита представлено на рисунке 4.

б Рис. 4 - Изменение внутренней структуры шаровидного графита.

Включения вермикулярного графита укрупняются одновременным преобразованием их внутренней структуры (рисунок 5). Учитывая, что цементит является составной частью эвтектической фазы железоуглеродистых сплавов, изменения в эвтектике /2, 3/ можно отнести, в том числе, и за счет изменения структуры цементита. По-видимому, для феррита эвтектики при МИО более характерна стабилизация /2/. Описанные особенности изменения структуры определяют изменения в комплексе свойств. В частности, снижается разброс значений микротвердости уплотнительных колец из чугуна (рисунок 6а). Твердость в данном случае определяется изменениями в перлитной матрице сплава. Изменение распределения значений микротвердости свидетельствует о повышении однородности структуры эвтектоида при его трансформации в процессе воздействия. Другим интересным аспектом влияния МИО является изменение усилия разрушения шариков из стали ШХ15. Рисунок 6б иллюстрирует снижение разброса усилия разрушения шариков после МИО. 52

Повышению уровня свойств способствует и формирование макронапряжений сжатия в процессе МИО.

130

150

Усилие разрушения, кН

а б Рис. 5. Изменение структуры вермикулярного графита при МИО после шести (а) и восьми (б) циклов воздействия /1/.

130

110

90 70

70 2

Рис. 6 . Изменение разброса свойств после МИО: микротвердости уплотнительных колец(а); усилия разрушения шариков (б); 1 – состояние поставки; 2 – после МИО. Список литературы: 1. Анисович А.Г.Импульсные методы обработки металлов. Тендер. 2006, №56. – с.14-16. 2. Анисович А.Г., Румянцева И.Н., Бевза В.Ф., Марукович Е.И., Ажаронок В.В., Гончарик С.В.Изменение структуры чугуна СЧ-25 в модулированном по амплитуде высокочастотном электромагнитном поле. Электронная обработка материалов. № 2 (256), 2009. – стр.47-56.3. Здор Г.Н., Анисович А.Г. Чутаев И.Х., Шиманский И.И.Исследование напряженного состояния и структуры армкожелеза при воздействии импульсного магнитного поля. Межвуз. сборник научных трудов "Термическая обработка стали (теория, технология, техника эксперимента)", Дон. Гос. Техн. университет, Ростов-на-До-ну,1994.-с.139-144.

СВОЙСТВА ИЗНОСОСТОЙКИХ ПОКРЫТИЙ, ПОЛУЧЕННЫХ МЕТОДОМ ГАЗОТРАНСПОРТНОГО СВС Архипов В.Е., Москвитин Г.В., Петрова И.М., Поляков А.Н. (ИМАШ РАН г. Москва) В докладе «Свойства износостойких покрытий, полученных методом газотранспортного СВС», рассматриваются и приводятся результаты исследований структуры и свойств покрытий на основе хрома и комбинации хром-бор. Показано наличие зависимости толщины, структуры и свойств покрытия от технологических параметров нанесения и последующей термической обработки. Отмечено значительное повышение износостойкости стали 45 (до 25 раз) и сопряжения со сталью ШХ15 (до 15 раз). Производственные испытания режущего инструмента (зенкеров) из стали У7, с нанесёнными покрытиями на основе системы хром – бор, показали увеличение стойкости до 7 раз и до двух раз по сравнению с быстрорежущей сталью Р6М5. Самораспространяющийся высокотемпературный синтез был открыт в 1967 г. советскими учёными А.Г. Мержановым, И.П. Боровинской, В.М. Шкиро (институт структурной макрокинетики г. Черноголовки) и представляет собой процесс перемещения волны химической реакции по смеси реагентов с образованием твёрдых конечных продуктов. В последующие годы специалистами ряда научных центров Советского Союза были обоснованы основные закономерности протекания реакции, типы реагентов, условия протекания реакции и к 90 – ым годам ушедшего столетия представления о СВС процессах были, в основном сформированы [1,2] . Специалисты ИМАШ РАН совместно с институтом структурной макрокинетики г. Черноголовки исследовали возможность нанесения покрытий на образцы из железоуглеродистых сталей с помощью метода газотранспортного СВС. При взаимодействии основных компонентов - реакции горения в твёрдой фазе формируются элементы на атомарном и/или молекулярном уровне – наноуровне, которые посредством волны фронта горения переносятся и осаждаются на поверхность образцов и/или изделий. В качестве основных компонентов для формирования покрытий были использованы хром и бор, которые в шихту вводились в виде чистого элемента и соединения. В качестве основного компонента для прохождения реакции горения использовался порошок мелкодисперсного алюминия, а разбавителей NH 4 Cl и NaF. Так как, многие детали машин для повышения эксплуатационных характеристик подвергаются термической обработке, то для выяснения влияния на формируемые покрытия методом СВС последующего термического воздействия, часть образцов, после обработки методом СВС, была подвергнута термической обработке (нагрев под закалку - выдержка – закалка) по режимам, рекомендованным для стали 45. При проведении экспериментов исследовалось влияние времени выдержки в реакторе на толщину формируемого на поверхности слоя. Как показали проведённые исследования, толщина покрытия при увеличении длительности нахождения образцов в реакторе до 30 минут возрастает до 70 микрон, а при дальнейшем повышении времени до 60 минут уменьшается до величины порядка 40 микрон. Любая технология, и в частности нанесение покрытий с использованием метода газотранспортного СВС может широко использоваться для решения задач повышения надёжности и долговечности изделий при условии возможности получения конечных желаемых результатов, например повышенной твёрдости поверхности за счёт изменения ряда параметров. В результате проведённых экспериментов и исследований 54

было показано, что твёрдость слоя нанесённого покрытия существенно зависит от состава шихты и может контролироваться. При повышении содержания в шихте бора до 20% твёрдость формируемого покрытия достигает 1500 кгс/мм 2 , что, безусловно, может обеспечить покрытию достаточно высокое сопротивление износу. Кроме того, проведённые исследования показали, что твёрдость формируемого покрытия зависит не только от состава шихты, но и времени выдержки. Например, твёрдость покрытия, полученного при использовании шихты с содержанием бора 13%, значительно повышается - с 480 кгс/ мм 2 до 1150 кгс/ мм 2 при увеличении времени выдержки с 15 мин до 60 мин. Рентгеноструктурный анализ нанесённых слоёв показал, что основными структурными составляющими являются карбиды хрома Cr 23 С 6 , Cr 7 С 3 для покрытия на основе хрома и бориды хрома и железа (Cr 2 В, FeB) для покрытия на основе хрома и бора (таблица 1). Причём, последующая термическая обработка существенного влияния на фазовый состав покрытия не оказывает. Наличие в нанесённом покрытии карбидов и боридов обеспечивает высокую твёрдость формируемым слоям. Таблица 1. Фазовый состав покрытия Вид обработки СВС - на основе хрома СВС - на основе хрома и бора без т/о термическая обработка без т/о термическая обработка Новое образование α – Fe α - Fe α – Fe α – Fe Cr 2 В Cr 2 В Cr 23 С 6 Cr 23 С 6 Cr 7 С 3

Cr 7 С 3

FeB

Изучение нанесённых покрытий с использованием метода газотранспортного СВС в характеристическом излучении показало, что хром по нанесённому слою распределён достаточно равномерно. Но последующая термическая обработка приводит к изменению концентрации и распределения хрома по слою и снижению толщины покрытия с 40 микрон до 8-10 микрон. Изучение нанесённых покрытий с использованием растрового электронного микроскопа показало наличие в структуре неравномерных по величине дефектов, включая поры размером 15-20 микрон, которые после термической обработки коагулируются и уменьшаются в размере до 3-5 мкм. Наличие пор и влияние их на триботехнические характеристики поверхности оценивают по разному, но, в целом их наличие, размер и расположение могут положительно сказаться на сопротивление износу, особенно при работе пар в смазке за счёт формирования масляных карманов. Испытания образцов, с нанесённым покрытием проводились на машине трения МТ-5 по стандартной методике при нагрузке 10 МПа в течении 7 часов со смазкой солидолом поверхности трения. Для базы сравнения использовались образцы из стали 45 с термической обработкой до 50-54 HRЦ, а в качестве конртел использовалась сталь ШХ15 с термической обработкой до 60-62 HRЦ. Основные результаты исследования образцов приведены в таблице 2.

Таблица 2. Усреднённые результаты испытания на износостойкость пар трения № Материал и тип обработки Интенсивность изнашивания, П\П J – относительные единицы Образец Контртело 1 Сталь 45 + СВС (Cr) 0,443 5,967 2 Сталь 45 + СВС (Cr) + Т.О. 0,267 0,133 3 Сталь 45 + СВС (Cr + В) 0,591 5,730 4 Сталь 45 + СВС (Cr+В) + Т.О. 6,247 91,258 5 Сталь 45 + Т.О. 23,337 1,802 Как видно из приведённых результатов, нанесение на поверхность стали 45 покрытий из хрома позволяет до 50 раз снизить износ поверхности по сравнению со сталью 45 после стандартной термической обработки (позиция 1, таблицы 2) . Однако, при этом до трёх раз повышается износ контртела из стали ШХ15 по сравнению с испытанием пары со стандартной термической обработкой (позиция 5, таблица 2). Наибольшую эффективность показало покрытие на основе хрома, нанесённое методом газотранспортного СВС с последующей термической обработкой. В этом случае не только износ поверхности снижается до 80 раз (позиция 2, таблица 2), но и износ контртела уменьшается до 15 раз. То есть, за счёт нанесения покрытия из хрома методом газотранспортного СВС можно существенно повысить работоспособность пары (узла) сталь 45 и ШХ15 (табл.2). Рассматривая полученные результаты по исследованию износостойкости, можно отметить высокие возможности метода СВС в повышении долговечности металлических изделий за счёт нанесения покрытий разного типа, состава и структуры. Вышеприведённые результаты показывают, что для деталей, которые не испытывают значительных контактных нагрузок, после нанесения покрытия методом СВС на основе Cr и системы Cr+В можно дальнейшую термическую обработку не проводить, так как их износостойкость повышается достаточно значительно. Но, для деталей, испытывающих значительные контактные или ударные нагрузки, например, для режущего инструмента последующая термическая обработка просто необходима. Полученные на образцах результаты были использованы для оптимизации обработки режущего инструмента по режиму и составу шихты. В качестве объектов исследования были выбраны специальные зенкера, позволяющие за одну операцию высверлить отверстие и сформировать фаску на изделии. На зенкера, изготовленные из инструментальной стали У8, наносились покрытия методом СВС на основе Cr и системы Cr+В и часть из них подвергалась термической обработки. В качестве дополнительного сравнительного анализа возможностей инструмента, подвергнутого обработке методом СВС, при испытаниях промышленной партии деталей были так же использованы зенкера из быстрорежущей стали Р6М5. Натурные – производственные испытания проводились при обработке промышленной партии деталей из алюминиевых сплавов в производственных условиях. Контроль за постановкой зенкеров и количеством обработанных деталей до первой перезаточки инструмента осуществлялся специалистами предприятия. Дополнительная механическая обработка кромок режущего инструмента после обработки методом СВС и последующей термической обработки не проводилась. Основные результаты по исследованию стойкости режущего инструмента до первой перезаточки приведены в таблице 3.

Таблица 3. Результаты эксплуатационных испытаний режущего инструмента № п/п Материал и вид обработки Количество деталей, шт. 1 У8 + Т.О.* 2000 2 У8 + СВС (Cr) 350 3 У8 + СВС (Cr) + Т.О. 5000 4 У8 + СВС (Cr+В) 400 5 У8 + СВС (Cr + В) + Т.О. 15500 6 У8 + СВС (Cr + В) + Т.О.* 380 7 Р6М5 (стандартная Т.О.) 8000 Примечание: 1. знак * - означает проведение для инструмента стандартной термической обработки для сталей У8; 2. отсутствие знака * - означает проведение для инструмента с покрытием термической обработки по другим режимам Как показали, проведённые заводские испытания стойкость инструмента из стали У8 повысилась до 8 раз при обработке инструмента методом газотранспортного СВС при нанесении покрытий на основе хрома с последующей термической обработкой (позиция 5 таблицы 5) и до двух раз по сравнению с инструментом, изготовленным из быстрорежущей стали Р6М5. Многие детали и конструкции при эксплуатации подвергаются циклическим (знакопеременным) нагрузкам, что может служить основой их быстрого разрушения. Поэтому, были проведены пробные испытания корсетных образцов диаметром 7,5 мм на изгиб при базе 106 циклов. Испытания на усталость показали, что образцы с покрытием на основе Cr с последующей термической обработкой по долговечности превосходят закаленную сталь 45. На основе представленных результатов, можно с достаточно высокой вероятностью предположить, что нанесение на изделие покрытий на основе хрома методом газотранспортного СВС и последующей термической обработкой может способствовать за счёт повышения сопротивления износу и усталости увеличению надёжности, долговечности и безопасности. Выводы: 1. Установлено методами металлографического и электронного анализа возможность формирования на стали 45 покрытия методом газотранспортного самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) толщиной 35-40 мкм на основе хрома и бора. 2. Методом дюрометрического анализа показана возможность влияния на твёрдость формируемого покрытия за счёт изменения состава шихты, а именно повышение содержания бора приводит к возрастанию твёрдости слоя до уровня порядка 1500 кгс/мм2 . 3. Методом дюрометрического анализа показана возможность влияния на твёрдость формируемого покрытия за счёт изменения времени процесса, а именно – снижение времени выдержки в реакторе приводит к повышению её величины до уровня порядка 1100 кгс/мм2. 4. Методом рентгеноструктурного анализа выявлены основные структурные составляющие наносимого покрытия, которыми являются карбиды хрома - Cr 23 С 6 , Cr 7 С 3 и бориды хрома и железа – Cr 2 B и FeB.

5. Установлено, что последующая термическая обработка образцов с покрытием, полученным методом СВС не влияет на фазовый состав, но приводит к уменьшению толщины формируемого покрытия при повышении его твёрдости. 6. Нанесение покрытий методом СВС на сталь Ст.45 на основе хрома значительно повышает износостойкость поверхности и сопряжённой пары в целом. 7. Разработка технологий повышения стойкости инструмента из стали У8 и других инструментальных сталей методом СВС может оказаться достаточно перспективным направлением, так как позволяет повысить работоспособность инструмента до первой перезаточки до 7 раз. Список литературы: 1. Левашов Е.А., Рогачёв А.С., Юхвид В.И., Боровинская И.П. Физико-химические и технологические основы самораспростаняющегося высокотемпературного синтеза. М.: Бином, 1999, 176 с. 2. Мержанов А.Г., Сычев А.Е. О саморастпространяющемся Высокотемпературном синтезе http://www.ism.ac.ru/handbook/_shsr.htm. ПОРІВНЯННЯ ЛЕТЮЧОСТІ МАСТИЛ ВIДНОВЛЮВАЛЬНОГО ПОХОДЖЕННЯ ЗА ДОПОМОГОЮ МЕТОДА ТОНКОГО ШАРУ Асадаускас С., Стончюс А., Мороз Є.О., Григуцявiчєнє А., Бражiнскiєнє Д. (Хiмiчний iнститут, м.Вiльнюс, Литовська республiка) Lubricants have a pronounced effect on environment. It would be beneficial to replace mineral oils with low volatility fluids from natural resources. Two mineral oils, two synthetic esters, made from renewable resources, rapeseed oil and soybean oil were oxidized in a thin film test to compare their volatility and solid residue formation tendencies at 140°C. Trimethylol propane trioleate showed the lowest volatility and good oxidative stability. This ester can be considered as mineral oil replacement in lubricants. В багатьох агрегатах, механiчному обладнаннi та пристроях, що мають частини, що рухаються, застосовуються рiдкi мастила. Бiльше 90% мастил мають за основу мiнеральнi масла, летучiсть яких значна, та якi можуть бути токсичними та не вiдновлюються. Бiльшiсть мастил (бiльше нiж 2/3) використовуються як мастила двигунiв та гiдравличнi рiдини у транспортних засобах. Часто внаслiдок рiзноманiтнiх дефектiв та поломок мастила витiкають та потрапляють до грунту та до водних джерел. Через це токсичнiсть та низька здатнiсть мастил до бiологiчного розщеплення вважаються однiєю з найважливiших екологiчних проблем. З точки зору охорони навколишнього середовища бажана замiна мiнеральних масел iншими рiдинами, що будуть отриманi з вiдновлювальних ресурсiв та мати низьку летючiсть. Для виробництва базових масел необов'язково використовувати нафтові фракцiї або iншi нафтохiмiчнi сировини. Рослиннi олiї, глiцерол, жири та iнш. також можуть бути використованi у синтезi органiчних рiдин, вгодних про виробу мастил [1]. Для того, щоб прилад вдало функцiонував, мастила мають вiдповiдати багатьом технологiчним вимогам: найважливiшими з яких є в'язкість та текучість в умовах високих та низьких температур, захист вiд корозiї та проти зносу, зменшення тертя, полiпшення трибологiчних властивостей. Важливою характеристикою є також опiр старiнню, перед усiм – високотемпературнiй оксидацiї. З точку зору екологiї, безпеки робочого мiсця та технiчних характеристик приладу важливо, аби летючiсть мастила була що найменьшою. Якщо складовi мастила двигуна летючi, вони, потрапляючи до

камери згорання палива, зникають, у наслiдок чого не лише зменшується кiлькiсть самого мастила, але й пiдвищується його в'язкiсть. Багато летючих компонентiв може бути сформовано внаслiдок оксидацiї у шарi мастила на нагрiтiй стiнцi цилiндру. Деградацiя тонкого шару вiдбувається iнтенсивнiше, нiж великого об'єму речовини, внаслiдок бiльшої реакцiйної поверхнi контакту як з металом, так й з атмосферним киснем [2]. Часто комерцiйнi мастила захищенi вiд оксiдацiї присадами антиоксидантiв – хiмiчних сполук, якi розривають ланцюг реакцiї оксидацiї та стабiлiзують свободнi радикали, що взникають внаслiдок термiчного та каталiзацiйного стресу [3]. Ще одним наслiдком деградацiї є полiмерiзацiя [4]. Якщо полiмерiзацiя досягла пiзньої (розвинутої) стадiї, починають формуватися молекули великої ваги, якi не розчиннi у базовому маслi та можуть випадати в осад або сформувати окрему тверду фазу. Такi твердi вiдкладення шкодливi мастилам, особливо гiдравличним рiдинам. Метою наших дослiджень було на закладi тесту тонкого шару порiвняти деякі базові масла та оцiнити летючість цього шару. Найчастiше використовуються мiнеральнi масла, якi вiдповiдають наступнiй класифiкацiї в'язкостi мастил: SAE 30, SAE 40, ISO VG32, ISO VG46 та ISO VG68. Було проведено багато дослiджень, у яких ми намагалися у мастилi використати рослиннi олiї. Властивостi рапсової олiї внаслiдок її низької умовної температури замерзання можна було легше передбачити. Однак вона за цiною дорожча вiд iнших, поширених за використанням у свiтi олiй, таких, як сойова або пальмова. Щоби полiпшити температури замерзання та протиоксидацiйнi властивостi мастила, було створено ряд складних олеохiмiчних ефiрiв. Найбiльш поширеними серед них є складнi ефiри з так званими Ґербеталкоголями, наприклад, 2-етил гексил олеат (EHOL) або триметилол пропан триолеат (TMPTO). Тому для порiвняння властивостей були вiдiбранi не лише вищенаведенi речовини, але також мiнеральнi масла та харчовi рапсова та сойова олiї. Повнiстю рафiнованi харчовi рапсова та сойова олiї – виробництва «Wal-Mart» (США) та UAB «Tikras Kelias» (Естонiя) вiдповiдно. Гiдрорафiнованi парафiновi мiнеральнi масла VG68 та SAE40 були отриманi з «Lyondell Basell» (Голандiя) та «ExxonMobil» (США) вiдповiдно, складнi ефiри 2-етилгексил олеат (EHOL, вироблений на закладi 70% олеїнової кислоти) та триметилолпропантриолеат (TMPTO, вироблений на закладi 90 % олеїнової кислоти) з «Croda Intl Plc» (Англiя). Використанi у дослiдженнi тести тонкого шару базуються на вже випробуванiй методiцi [5]. Зi сталi (Сталь 3) було виготовлено зразки-шайби заввишки 9 мм, дiаметру - 19 мм, та до 20 г маси. Їхня поверхня була вiдшлiфована карбiдокремнiйовим шлiфовальним папером №2000, промита у сумiшi асетону та хлороформу (1:1) в ультразвуковiй ваннi (10 хв.), просушена у печi до постiйної маси. Потiм наносили шар (30-50 μ) дослiджуваного мастила чи олiї та зразки нагрiвали (140 ±2°C) у печi (SNOL, литовського виробництва) у двох режимах: постiйному та з перервами на 15 хвилин охолодження кожної години. У першому зразки пiсля заданого часу нагрiвання у печi дiствали, вiд разу зважували (ваги Kern ALT-100, нiмецького виробника) та для виявлення осаду промивали пiвгодини у гептанi, пiсля чого знову висушували у печi. За другим режимом зразки дiставали з печi та зважували кожної години перших 16 годин, потiм декiлька годин нагрiвалися безперервно, потiм знову важилися кожної години. Перед зважуванням шайби охолоджували 1-2 хвилини. За метою дослiдження тенденцiй випаровування та формування осаду було проведено ряд вимiрiв, але їх статистичне усереднення не було проведено через те, що рiзним часовим точкам вiдповiдала рiзна кiлькiсть проведених експериментiв. Рисунок 1 зназорнює, що мастило VG68 дуже швидко випаровується вже на початку нагрiвання. Впродовж першої години втраченi легкi фракцiї, потiм кiлькiсть випарованої речовини

збiльшувалася значно повiльнiше. При перiодичному режимi втрата ваги була значно менша, нiж при безперервному режимi. Що пояснюється тим, що на початку кожного нового циклу нагрiвання у перiодичному режимi збiгало немало часу до моменту початку ланцюгової реакцiї оксидацiї.

Рис. 1. Тенденцiї випаровування та формування осаду мастила VG 68 Однак як VG68, так й SAE40 (див. рис.2) демонстрували значнi втрати при випаруваннi. Пiсля 20 годин при 140°С у масла SAE40 майже зовсiм не залишилося рiдкої фази – усi компоненти або випарилися, або затвердiли. У тому ж дiапазонi в'язкiше масло VG68 випаровувалося повiльнiше, однак й воно створило значну кiлькiсть осаду. Осад обох масел мав дрiбну консiстенцiю, частково розчинявся у гептанi. Саме тому кiлькiсть осаду VG68 не була iдентичною впродовж усього дослiджувального часу. Приймаючи до уваги результати безперервного режиму, можна затверджувати, що за 6 годин VG68 губить майже 25%, SAE40 -15% летючих компонентiв та продуктiв оксидацiйного розпаду. При iншому режимi випарування VG 68 досягає 10%.

Рис. 2. Тенденцiї випаровування та формування осаду SAE 40 Порiвнюючи рапсову та сойову олiї, з рисунку 3 досить явно випливає, що вони формують осад значно швидше, нiж мiнеральнi масла, особливо сойова олiя. У нiй вже

пiсля однiєї години нагрiвання не залишається рiдкої фази, рапсова олiя цiєї стадiї досягає лише за ~6 годин. Значно гiрший опiр олiй оксидацiї зумовлює швидке формування вiдкладень. Хоча кiлькiсно тенденцiї випаровування олiй уявляються бiльш повiльними, нiж у випадку мiнеральних масел, але їх порiвнювати важко, тому що на наявнiсть твердоє фази має вплив дифузiя через шар летючих продуктiв розпаду, так само - iмовiрнiсть ланцюгової реакцiї оксидацiї.

Рис. 3. Тенденцiї випаровування та формування осаду сойової та рапсової олії Опiр оксидацiї виробленого з відновлювальних ресурсів складного ефiру EHOL (що представлено на рисунку 4) дуже схожий на опiр рапсової олiї, хоча внаслiдок його швидкого випарування рiдка фаза зникає вже пiсля 3 годин оксидацiї. За своєю молекулярною масою EHOL подiбний до мiнеральних масел, але внаслiдок швидкої реакцiї оксидацiйного розпаду, цей ефiр випаровується значно швидше. Опiр виробленого з вищої по якостi олеїнової кислоти масла TMPTO (див. рис. 4) кращий вiд EHOL, на що вказує тенденція не лише формування осаду, але й випаровування. Комерційний TMPTO має 5-10% домішок діолеатів, вони випаровуються ще швидше. Тріолеати, що залишилися, виваровуються повільніше, ніж компоненти мінеральних масел.

Рис. 4. Тенденцiї випаровування та формування осаду EHOL та TMPTO

На закладі проведенних дослiджень можна зробити наступні висновки. Мінеральні масла, так само, як ефіри відновлювального походження, внаслідок оксидації у тонкому шару значно зменшують свою масу. Рослинні олії оксидуються та полiмеризуються швидко, формують велику кількість твердого нерозчинного у гептані осаду. Опір оксидації складного ефiру TMPTO значний, тому він випаровується менше, ніж мінеральні масла, та тому його може бути викорстано для їхньої заміни. Подяка: Щиро дякуємо за фiнансову пiдтримку та надану можливiсть проведення робiт проект ЄС MIRG-CT-2006-044802 та проект N-16/2009 Державного фонду науки та освiти Литовської республiки. Перелiк посилань: 1. Wagner H., Luther R., Mang T. Lubricant base fluids based on renewable raw materials: Their catalytic manufacture and modification // Applied Catalysis A: General 221 (1-2), 2001, стр. 429 – 442. 2. Klaus E.E., Perez J.M. Thermal stability characteristics of some mineral and hydrocarbon hydraulic fluids and lubricants // ASLE Transactions, 1967, №10, стр. 38 – 47. 3. Gunsel S., Klaus E.E., Duda J.L. High temperature deposition characteristics of mineral oil and synthetic lubricant basestocks // Lubrication Eng, 1987, №44 (8), стр. 703-708. 4. Byrdwell W.C., Neff W.E. Autooxidation products of normal and genetically modified canola oil varieties determined using liquid chromatography with mass spectrometric detection // J Chromatography A, 2001, № 905, стр. 85-102. 5. Cvitkovic E., Klaus E.E., Lockwood F. A thin film test for measurement of the oxidation and evaporation of ester type lubricants // ASLE Transactions, 1979, №22 (4), стр. 395-401. К СОЗДАНИЮ ЕДИНОГО БАНКА ДАННЫХ СРЕДСТВ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ МЕХАНОСБОРОЧНОГО ПРОИЗВОДСТВА Базров Б.М. (ИМАШ РАН, г. Москва) Report describes necessity of creation of a databank of means for technological maintenance at modular level and the approach to its construction. Необходимость создания центра обусловлена большими непродуктивными расходами материальных, энергетических и трудовых ресурсов из–за несовершенства технологической подготовки производства (ТПП). Для современной ТПП в масштабе всей отрасли характерно дублирование в больших объемах работ и низкий уровень использования передовых технологий. Главной причиной этого является отсутствие единого центра, аккумулирующего всю информацию о существующих и появляющихся новых средствах технологического обеспечения (технологических процессов, оборудования, оснастки). В результате доступ к этой информации затруднен, т.к. она рассосредоточена по многочисленным источникам, многие из которых или неизвестны работникам промышленности, или не доступны по организационным причинам, или требуют больших затрат времени на их поиск. В итоге на подавляющем большинстве машиностроительных предприятий с одной стороны используется лишь незначительная часть огромного накопленного опыта, а с другой стороны в огромных масштабах повторяются один и те же разработки. Следствием изложенного является

рост объема работ ТПП, снижение качества ТПП из-за принятия посредственных решений, снижение эффективности научных исследований в области технологии машиностроения из-за недостаточной значимости и обоснованности актуальности задач исследований. Из-за этого снижается качество изделий, увеличиваются сроки их выпуска и себестоимость изготовления, в результате чего изделия становятся неконкурентоспособными. В связи с изложенным очевидна актуальность создания единого банка данных средств технологического обеспечения с целью отбора лучших и их распространения по предприятиям машиностроения. Проблема создания единого банка средств технологического обеспечения состоит в разрешении противоречия, заключающегося в непрерывном росте разнообразия изделий (закон развития) и стремлением к постоянству средств технологического обеспечения, с помощью которых можно изготавливать любое изделие. Создание банка данных средств технологического обеспечения изготовленных изделий не разрешает указанного противоречия, т.к. появление новых изделий требует разработки новых технологических процессов и средств их технологического оснащения и потому такими данными можно воспользоваться лишь как опытом. Это подтверждает применение банка типовых технологических процессов изготовления деталей, которые, являясь усредненными технологическими процессами, служат лишь ориентиром для разработки рабочих технологических процессов. Поэтому появление новых изделий требует разработки новых рабочих технологических процессов, оснастки, а в ряде случаев и технологического оборудования. Кроме того, типовой технологический процесс не является всеобщим, т.к. зависит от применяемого технологического оборудования и учитывает лишь некоторые черты детали. И чем сложнее деталь, тем больше рабочий технологический процесс будет отличаться от типового. Решение проблемы возможно через создание банка данных средств технологического обеспечения под изготовление не изделий, узлов и деталей, разнообразие которых неограниченно, а под изготовление их элементов, которые являются постоянными, ограниченными по разнообразию конструкций и из которых состоит любое изделие, узел, деталь. Нашими исследованиями были установлены такие элементы, ими являются модуль поверхностей (МП) детали и модуль соединения (МС) деталей в изделии [1]. Их конструкции постоянны, ограничены по номенклатуре, не зависят от конструкции изделия и в то же время любое изделие представляет собой их совокупность. Таким образом, открывается возможность создания единого банка технологических решений в области механосборочного производства. Создание банка данных средств технологического обеспечения под изготовление МП и сборку МС обеспечит возможность: • разрабатывать технологические процессы и их средства технологического оснащения изготовления любого изделия методом компоновки из известных, апробированных на практике, технологических решений, • осуществить единую адресность средств технологического обеспечения независимо от выпускаемых изделий и выпускающих их предприятий, т.е. для каждого технологического решения имеется своя ячейка. • создать информационно-поисковую систему технологических решений, с помощью которой можно быстро находить требуемую информацию. • • •

Все это позволит: • свести к минимуму дублирование ТПП, • сократить сроки ТПП и выпуска новых изделий, • повысить качество выпуска изделий, • с большей степенью обоснованности определять проблемы, тематику научных исследований, их значимость и тем самым повысить эффективность результатов исследований. Список литературы:1. Базров Б.М. Модульная технология в машиностроении. М.: Машиностроение, 2001.368стр. ВЛИЯНИЕ КОНСТРУКЦИИ РАБОЧЕЙ ПОВЕРХНОСТИ ТОРЦОВЫХ ШЛИФОВАЛЬНЫХ КРУГОВ НА ПОКАЗАТЕЛИ ОБРАБОТКИ КРУПНОГАБАРИТНЫХ ДЕТАЛЕЙ Байков А.В., Чернышев Е.А., Михайлов А.Н., Феник Л.Н. (ДонНТУ, Донецк, Украина) A method and results of calculation of unevenness of output of material is presented at polishing of largeness details at different geometry of polishing circle В настоящее время в машиностроении все более широко применяют детали из природного гранита и синтеграна. Это обусловлено тем, что детали из данных материалов обладают повышенной виброустойчивостью, сохраняют длительную размерную стабильность, а теплопроводность и теплоемкость этих материалов обеспечивает незначительное реагирование деталей из этих материалов на колебания температуры. Из гранита и синтеграна изготавливают станины, стойки, траверсы, столы, угольники, аэростатические направляющие и измерительные плиты станков и контрольно-измерительных машин [1]. К деталям последних предъявляются повышенные требования к качеству обработанных поверхностей, в частности, требования к отклонению от плоскостности. Эта величина является результатом неравномерности съема материала, определяемой геометрией торцового инструмента и характером траектории перемещения инструмента по поверхности заготовки [2,3,4]. Одной из распространенных схем обработки крупногабаритных деталей является схема «зигзаг», при которой перемещение центра инструмента по поверхности заготовки описывается ломаной линией (рис. 1). Рис. 1. Траектория перемещение центра Движение шлифовального инструмента и наложение полос обработки при круга по схеме «зигзаг» ведет к движении инструмента по схеме «зигзаг» различному количеству проходов инструмента в различных зонах заготовки. Например, по точкам зоны 1 (рис. 2)

шлифовальный круг проходит 4 раза, по точкам зоны2 - 3 раза, по остальным (зона 3) 2 раза. Кроме того, каждая точка заготовки находится на различном расстоянии от центра перемещения инструмента, что также влияет на неравномерность съема материала. При обработке по схеме “зигзаг” наложение полос обработки циклически повторяется с шагом А. Поэтому с целью оценки производительности обработки и величины неравномерности съема материала достаточно определить указанные показатели на площади детали размером А×В/2, которая характеризуется оригинальной топографией поверхности. В общем случае величина съема материала при абразивной обработке описывается известной формулой износа, скорректированной с учетом коэффициента заполнения инструмента [2]:

dz = Cm p k V . dt В изложенной ранее методике расчета неравномерности съема материала при обработке торцовым шлифовальным инструментом [5], расчет среднего значения скорости резания определялся с учетом среднего радиуса инструмента и времени контакта шлифовального круга с рассматриваемой точкой поверхности заготовки, причем пределы интегрирования определялись по времени контакта. Недостатком данной методики является то, что она не учитывает фактическое время контакта шлифовального круга с точками поверхности заготовки, расположенными от края обрабатываемой заготовки на расстоянии меньшем, чем диаметр шлифовального круга. Для исключения данной погрешности в предлагаемой методике для расчета среднего значения скорости резания при определении среднего радиуса пределы интегрирования определяются длинной хорды контакта шлифовального круга с заданной точкой, а если заданная точка расположена вблизи края заготовки - длинной части хорды, по которой шлифовальный круг контактирует с данной точкой. Согласно изложенной методике исследовалось влияние геометрии рабочей поверхности торцового шлифовального круга и степени перекрытия параллельных полос обработки (которая определяется соотношением продольной и поперечной подачи при обработке по схеме «зигзаг»), на неравномерность съема материала и производительность обработки. Неравномерность съема материала оценивалась коэффициентом неравномерности «ψ» - отношением максимальной точечной величины съема к минимальной. Производительность обработки оценивалась средней величиной съема «Z» по всем точкам участка поверхности А×В/2. При выполнении расчетов были приняты следующие допущения: 1) Скорость поперечного перемещения шлифовального круга принята постоянной по всей длине хода шлифовальной головки; 2) точка изменения поперечного направления перемещения шлифовального круга лежит на краю заготовки; 3) Величина давления круга на заготовку принята постоянной как при полном контакте круга с заготовкой, так и при выходе части круга за габариты заготовки. При расчете рассматривалась заготовка шириной В=1000 мм, диаметр шлифовального круга D=160 мм, поперечная подача перемещения шлифовального круга S поп =80 мм/с . Величина перекрытия параллельных полос обработки ∆ варьировалась от ∆=0,1 D до ∆=0,9 D. Шаг между точками, в которых рассчитывались значения величин съема - 2 мм как в направлении продольной, так и поперечной подачи. Рассматривалась обработка заготовки шлифовальным кругом со сплошным алмазоносным слоем (как вариант для сравнения, поскольку фактически обработка данным кругом практически невозможна вследствие затруднительного удаления 65

продуктов диспергирования из межзеренного пространства ), кругом с расположением алмазоносного слоя по логарифмической спирали и кругом с вырезами, контур которых описывается полиномом третьей степени. Полученные результаты неравномерности съема материала представлены на рисунке 2. Анализ изменения неравномерности съема материала в зависимости от перекрытия параллельных полос обработки показывает, что для всех конструкций шлифовальных кругов присутствует общая тенденция снижения неравномерности с увеличением коэффициента перекрытия. Характерно, что если при величинах перекрытия ∆=(0,1÷0,5) D коэффициент неравномерности различается в 1,5÷2 раза для кругов различной геометрии рабочей поверхности, то при ∆=0,9 D значения ψ для кругов различной геометрии практически равны между собой. Кроме того, для всех конструкций шлифовальных кругов максимальные значения съема наблюдаются вблизи края заготовки, где через точки поверхности заготовки шлифовальный круг проходит наибольшее количество раз (см. рис. 1).

7.18

Ψ1

Ψ2 Ψ3

2.32

2 0

0.2

0.4

0.099

∆

0.6

0.8

0.9

Рис.2 Зависимость коэффициента неравномерности съема «ψ» от коэффициента перекрытия: ψ1 – круг со сплошным алмазоносным слоем; ψ2 – круг с алмазоносным слоем в форме логарифмической спирали; ψ3 – круг с вырезами, описываемыми полиномом третьей степени Существенное различие коэффициента неравномерности съема для кругов различной геометрии при малых значениях коэффициента перекрытия можно объяснить различным характером изменения величины съема от периферии круга к его центру в сечении, перпендикулярном направления перемещения круга [6]. При нарастании величины съема по выгнутой кривой, как, например, для кругов со сплошным алмазоносным слоем и кругов с вырезами, при незначительном перекрытии полос обработки , наложение величины съемов от соседних проходов дает суммарную величину, существенно превышающую съем от одиночных проходов. При обработке шлифовальным кругом с алмазоносным слоем в форме логарифмической спирали, нарастание съема от периферии более приближено к прямой линии, и наложение полос не дает существенный «всплеск» съема. При значительном перекрытии полос обработки через каждую точку заготовки шлифовальный круг проходит многократно, причем на различных расстояниях от траектории перемещения оси круга. Вследствие этого нивелируется разница в величинах съема и значение коэффициента неравномерности снижается.

Производительность обработки заготовки, оцениваемая средней величиной съема по всем точкам, для всех конструкций шлифовальных кругов с увеличением коэффициента перекрытия растет (рис. 3). Это объясняется увеличением количества проходов шлифовального круга через каждую точку рассматриваемой зоны поверхности заготовки. Но, необходимо отметить, что величина зоны с оригинальной топографией съема (размер «А», рис. 1) соответственно уменьшается. Т.е., величина съема материала в единицу времени от изменения соотношения подач не изменяется.

32.67

Z1 Z2

Z3 10

0.514

0 0

0.099

0.2

0.4

∆

0.6

0.8

0.9

Рис. 3 Зависимость производительности обработки «Z» от коэффициента перекрытия: Z1 – круг со сплошным алмазоносным слоем; Z2 – круг с алмазоносным слоем в форме логарифмической спирали; Z3 – круг с вырезами, описываемыми полиномом третьей степени Выводы. Если для удаления требуемого припуска достаточно 2÷3 прохода шлифовального круга по поверхности заготовки, то целесообразно для обеспечения высокой производительности обработки назначать режимные параметры, дающие меньшие значения коэффициента перекрытия. Чтобы при этом достичь низкие значения коэффициента неравномерности съема, необходимо выбирать геометрию шлифовального круга, дающую нарастание съема от периферии к центру круга по зависимости, близкой к линейной. Если для удаления припуска необходимо значительное количество проходов шлифовального круга по одной и той же элементарной площадке обрабатываемой поверхности, целесообразно назначать значения продольной и поперечной подач, обеспечивающих значения коэффициента перекрытия параллельных полос обработки близкое к единице. При этом геометрия шлифовального круга не оказывает существенного влияния на неравномерность съема материала. Список литературы: 1. Проектирование металлорежущих станков и станочных систем: Справочник-учебник. В 3-х т. Т. 2. Ч. II. Расчет и конструирование узлов и элементов станков / А.С. Проников, Е.И. Борисов, В.В. Бушуев и др.; Под общ. ред. А.С. Проникова. – М.: Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана: Машиностроение, 1995 – 320 с. 2. Финишная алмазно-абразивная обработка неметаллических деталей / Рогов В.В. – К.: Наук. Думка, 1985. – 264 с. 3. Цеснек Л.С. Механика и микрофизика истирания поверхностей. – М.: Машиностроение, 1979. – 264с. 4. Скрябин В.В., Сидорко В.И., Филатов Ю.Д. Характер износа рабочего слоя инструмента при финишной обработке плоских поверхностей изделий из алюмосиликатных материалов

// Сверхтвердые материалы.-2004.-№4.-С.69-74.5. Байков А.В., Михайлов А.Н., Будаев Р.Ю. Обеспечение равномерности съема материала про тонком шлифовании крупногабаритных изделий торцовым инструментом / С4-05 IV науково-практична конференція “Донбас-2020: наука і техніка – виробництву” 27-28 травня 2008 року. – Донецьк, 2008. 6. Михайлов А.Н., Байков А.В., Ковалев М.С. Формообразование плоской поверхности при обработке эластичным шлифовальным инструментом / Прогрессивные технологии и системы машиностроения: Международный сборник научных трудов. – Донецк: - ДонГТУ, 2000. Вып. 10.- с.137-143. ПУТИ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ПРОГРАММНЫХ ПРОДУКТОВ ДЛЯ РАСЧЕТОВ ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ Бакулин В.Н., Мартыненко С.И. (Институт прикладной механики РАН, г. Москва, ФГУП «ЦИАМ им. П.И. Баранова», г. Москва, Россия) The report represents analysis of main difficulties of modern black box computer codes development. Brief description of numerical methods in popular codes is given. It is shown necessity of development of high-formalized solvers with close to optimal convergence rate. Finally, main properties of the robust multigrid technique as an example of required algorithms are discussed. Работа выполнена при поддержке Министерства образования и науки РФ, Федерального агентства по образованию и Российского фонда фундаментальных исследований (грант 07-01-00634, 08-08-00979) 1. Введение Стремительное развитие компьютеров оказало сильное влияние на машиностроение. В середине прошлого века в авиационных конструкторских бюро на одного инженера приходилось до десяти техников, которые выполняли расчеты и графические работы, копировали чертежи и т.д. Постепенно черновую работу удалось переложить на компьютер, с которой он справляется гораздо лучше человека, особенно при копировании чертежей. Творческая часть, состоящая из постановки задачи, выбора средств и методов проектирования и т.д., досталась инженеру. В конечном итоге системы автоматизированного проектирования (САПР) привели к существенному изменению характера и стиля работы инженера-конструктора. Проектированию машины всегда предшествует проведение расчетов, которые определяют облик данного технического устройства. Несовершенство расчетных методов приводит к необходимости проведения доводочных испытаний. Особенно наглядно это проявляется в авиационной промышленности, а работе летчиковиспытателей посвящено множество увлекательных книг и кинофильмов. Увеличение скорости, дальности и высоты полетов, а также жесткая конкуренция на рынке авиационно-космических перевозок вынуждают совершенствовать не только испытательную базу и технологические процессы, но и расчетные методы. Летательные аппараты отличаются от остальных транспортных средств высокой стоимостью, мелкосерийным (а иногда и штучным) производством и специфическими условиями эксплуатации. Воспроизвести с достаточной точностью отдельные режимы полета (например, вход спускаемого аппарата в плотные слои атмосферы) в наземных условиях очень трудно, а порой и невозможно. Поэтому прогресс авиационнокосмической техники во многом стимулировал дальнейшее развитие методов математического моделирования физических процессов, широкое применение которых

позволит значительно снизить стоимость летательных аппаратов при сокращении времени для проектирования и испытаний. Уже начиная с середины 80-х годов, габариты и стоимость вычислительной техники стали стремительно уменьшаться, а производительность стала стремительно нарастать. К компьютерам получили массовый доступ инженеры, физики, химики и другие специалисты, которые не имели достаточной подготовки в области вычислительной математики, но у которых были свои задачи, зачастую связанные с необходимостью численного решения дифференциальных уравнений в частных производных. Сразу возникла проблема эффективного использования компьютерной техники пользователями, которые не обладают достаточными навыками программирования и познаниями в области численных методов. Выход был найден в разработке автономных программ (black box software), используя которые инженер только формулирует задачу, а детали вычислительного алгоритма ему могут быть даже не известны. Применительно к техническим приложениям работу автономных программ упрощенно можно представить следующим образом: конструктор проектирует некоторый узел при помощи графической программы, например AutoCAD. Затем геометрия узла переносится в вычислительный модуль, конструктор задает граничные и начальные условия, после чего проводит тепловой, прочностной, гидродинамический или другой расчет и анализирует результаты. Как правило, после анализа полученных результатов нужно внести изменения в конструкцию и повторить расчет. Обычно конструктор выполняет несколько подобных «итераций», чтобы получить оптимальную, с его точки зрения, конструкцию. Еще большую практическую ценность будет представлять возможность расчета машины в целом, а не только отдельных ее узлов, поскольку поэлементное моделирование часто связано с погрешностями постановки граничных условий. Однако широкому внедрению методологии математического моделирования в машиностроение препятствует несовершенство методов вычислений. Применение традиционных численных методов подразумевает возможность контроля математиком хода вычислительного процесса и внесения изменений в написанную им же программу. Ранее такой подход был оправдан, но с появлением мощных персональных компьютеров возникла острая потребность в новых вычислительных методах, обладающих достаточной точностью, эффективностью, высоким уровнем формализации и параллелизма без контроля со стороны пользователя. Уже сейчас такие программные продукты как ANSYS [1, 2], STAR-CD [3], FLUENT [4], PHOENICS [5] и др. получили широкое применение в НИИ и ОКБ для решения разнообразных прикладных задач. Конечно, подобные программные средства еще далеки от совершенства и часто вызывают обоснованные претензии пользователей, что обусловлено использованием в них традиционных численных методов. Однако на автономные продукты существует устойчивый спрос, а значит, будет и предложение. Конкуренция на рынке программного обеспечения неизбежно приведет к повышению их потребительских качеств. 2. Проблемы автоматизации вычислительных экспериментов. Основу вычислительного эксперимента составляет триада модель–алгоритм– программа [6]. Обычно построение численного метода для заданной модели, состоящей из системы дифференциальных уравнений, состоит из двух этапов: а) формулировка дискретной задачи, б) разработка алгоритма, позволяющего отыскать решение дискретной задачи. Представленная схема носит упрощенный характер и не отражает многих важных аспектов. Тем не менее, очевидна значительная сложность и трудоемкость математического моделирования, которая снижает практическую

ценность результатов вычислений. Создание мощного программного инструмента для эффективного решения широкого класса прикладных задач требует автоматизации всех этапов вычислительного эксперимента. На этом пути встречаются многочисленные проблемы, наиболее значимыми из которых являются: 1. Построение математической модели. Сложность многих прикладных задач такова, что даже в обозримом будущем не удастся доказать существование их решения. В отдельных дисциплинах (например, в вычислительной гидродинамике), значительную трудность представляет моделирование турбулентности, особенно при наличии физико-химических превращений. Поэтому формулировки основных законов, управляющих объектом исследования, часто носят эвристический характер, который затрудняет выбор эффективных методов их решения. 2. Построение вычислительной сетки или триангуляция области. В настоящее время предложены многочисленные алгоритмы построения сеток в областях со сложной геометрией, а также триангуляций таких областей. Однако, несмотря на определенные успехи, эти алгоритмы до сих пор с трудом поддаются формализации. Кроме того, заранее невозможно построить сетку или осуществить триангуляцию, оптимальную в смысле минимума погрешности аппроксимации. Адаптивная перестройка сетки или триангуляции требует достаточно точной апостериорной оценки погрешности. 3. Выбор способа аппроксимации уравнений математической модели. Метод контрольных разностей (МКР) и метод конечных элементов (МКЭ) стали самыми распространенными и эффективными способами решения различных задач математической физики. Однако для придания гибкости автономным программам нужен обобщенный метод, частными случаями которого явились бы МКР и МКЭ. 4. Выбор итерационного метода решения результирующей системы линейных алгебраических уравнений (СЛАУ). Несмотря на многообразие предложенных итерационных методов, до сих пор не удалось формализовать выбор наиболее эффективного из них для конкретной задачи. Основное содержание доклада посвящено проблеме формализации итерационного решения результирующей СЛАУ. 2. Формализация вычислений при численном решении краевых задач. Классические многосеточные методы (КММ) включены в каждый коммерческий пакет программ, предназначенный для решения широкого класса прикладных задач. Однако высокая скорость сходимости КММ обусловлена адаптацией их компонент к решаемой задаче, что снижает перспективы их эффективного применения в автономных программных продуктах. Поэтому, начиная с 90-х годов, велись интенсивные исследования в области повышения уровня формализации и параллелизма вычислительных алгоритмов. Одним из разработанных методов явилась универсальная многосеточная технологи [7, 10], основанная на адаптации краевых задач к вычислительному алгоритму. Поэтому технология состоит из двух частей: аналитической и вычислительной. Основное назначение аналитической части УМТ состоит в приведении краевых задач к виду, удобному для последующего численного решения унифицированным многосеточным методом. В отличие от КММ, индивидуальные особенности краевых задач проявляются не в выборе проблемнозависимых компонент, а в способе адаптации краевых задач к УМТ. Ряд новых конструктивных решений и априорная аналитическая адаптация краевых задач позволили исключить проблемно-зависимые компоненты из вычислительной часть УМТ для ее последующей формализации и использования в автономном обеспечении. Многосеточный цикл УМТ показан на рис. 1. Отсутствие предварительного сглаживания позволяет применять УМТ к решению нелинейных задач.

Одной из отличительных черт УМТ является возможность гибкого изменения способа и/или порядка аппроксимации в процессе решения задачи. Несмотря на принадлежность УМТ к геометрическим многосеточным методам, в [11] показана возможность применения УМТ к решению краевых задач на неструктурированных сетках. Возможность эффективного распараллеливания УМТ показана в [12] и приведены оценки эффективности распараллеливания. В работах [9, 11] приводятся примеры решения различных модельных и прикладных задач со скоростью сходимости близкой к оптимальной. При этом не вносились какие-либо изменения в вычислительную часть УМТ для учета специфики решаемой задачи. Применение УМТ к решению задач гидродинамики показано в [13].

Рис. 1. Многосеточный цикл УМТ Список литературы: 1. Каплун А.Б., Морозов Е.М., Олферьева М.А. ANSYS в руках инженера: Практическое руководство. – М: Едиторал УРСС, 2003. – 272 с. 2. www.ansys.com/products/cfx.asp . 3. www.procae.ru/articles/30-star-cd/76-about-starcd.html . 4. www.fluent.com . 5. www.cham.co.uk . 6. Самарский А.А., Гулин А.В. Численные методы. – M.: Наука, 1989. – 432 с. 7. Мартыненко С.И. Универсальная многосеточная технология для численного решения краевых задач на структурированных сетках // Вычислительные методы и программирование. – 2000. – Т.1., Раздел 1. – C. 85-104. 8. Мартыненко С.И. Универсальная многосеточная технология для численного решения систем дифференциальных уравнений в частных производных // Вычислительные методы и программирование. – 2001. – Т.1., Раздел 1. – C. 1–11. 9. Martynenko S.I. Robust Multigrid Technique for black box software // Comp. Meth. in Appl. Math. – 2006. – v. 6., № 4. – P. 413–435. 10. Бакулин В.Н., Мартыненко С.И. Универсальная многосеточная технология для численного решения задач механики сплошной среды. Международная конференция «Шестые Окуневские чтения» 23-27 июня 2008 г., Санкт-Петербург: Материалы докладов. Т. II / Балт. гос. техн. ун-т. – СПб., 2008, C.47-50. 11. Мартыненко С.И. Формализация вычислений при численном решении краевых задач // Учен. Зап. Казан. ун-та. Серия Физ-матем. науки. – 2008. – Т. 150, кн. 1. – С. 76-90. 12. Мартыненко С.И. Распараллеливание универсальной многосеточной технологии // Вычислительные методы и программирование. – 2003. – Т.4., Раздел 1. – С. 45-51. 13. Мартыненко С.И. Адаптация уравнений Навье-Стокса к универсальной многосеточной технологии // Вестник Удмуртского Университета. Серия 1. Математика. Механика. Компьютерные науки. – 2008. – Вып. 3. – С.75–80.

МОДЕЛИРОВАНИЕ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ТРЕХСЛОЙНЫХ ОБОЛОЧЕК ВРАЩЕНИЯ ПРИ ДЕЙСТВИИ ЛОКАЛЬНОЙ НАГРУЗКИ Бакулин В.Н., Инфлянскас В.В. (Институт прикладной механики РАН, г. Москва, Россия) Finite-elemental modelling of stressed-strained state of three-layered axisymmetric shells with local load Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ и Российского Фонда фундаментальных исследований (грант 07-01-00634). В современных конструкциях все шире выдвигаются требования жесткой экономии массы в условиях сложного нагружения. Изотропные материалы – металлы нередко уже не удовлетворяют возросшим требованиям и во многих случаях их успешно заменяют материалы, структура которых сама по себе является некоторой конструкцией. Актуальным примером является цилиндрическая композитная трехслойная оболочка, обладающая высокой несущей способностью и живучестью. Исследования показывают, что при достаточной строительной высоте оболочки существенного снижения массы при сохранении основной несущей способности можно добиться путем значительного снижения плотности заполнителя, даже несмотря на соответствующее снижение модуля упругости. Ввиду того, что общепринятые в теории изгиба пластин и оболочек положения, определяющие отсутствие поперечного сдвига и обжатия, при расчете трехслойных оболочек, как правило, теряют силу, особенно в случаях локальных нагрузок, становится неизбежным использование методов, позволяющих дать адекватное описание напряженно-деформированного состояния конструкции, а именно – метода конечных элементов (МКЭ) с возможностью строить конечно-элементную сетку переменного масштаба. МКЭ позволяет отказаться от использования предварительных гипотез о характере распределения напряжений или перемещений в определенном направлении, вынужденно принимавшихся ранее ввиду невозможности построить полное аналитическое решение произвольной трехмерной задачи, заменяя исходную задачу решением некоторой близкой задачи, состоящей из элементов с простым напряженным состоянием. Близость новой задачи определяется степенью разбиения, которая ограничивается высоким порядком получаемой системы линейных алгебраических уравнений и ввиду опасности накопления численной погрешности вычислений исключает использование сколь угодно мелкой сетки. В настоящей работе проводится конечно-элементное моделирование напряженно-деформированного состояния (НДС) трехслойной оболочки, рассмотренной в статье [1]. На внутренний несущий слой трехслойной оболочки действует нагрузка, равномерно распределенная по двум прямоугольным площадкам. Расчет проводился для случая, когда площадки, на которые передается нагрузка на оболочку, находятся на одинаковом расстоянии от опорных шпангоутов. Несущие слои трехслойной цилиндрической оболочки имеют на торцах шарнирное закрепление. Исследуемая оболочка [1] имеет следующие характеристики: l/R 1 = 2,8; H/R 1 = 0,07; h 1 /H= 0,1; h 1 /h 2 = 2; E 1 = 21ГПa; E 2 = 25ГПa; G 12 = 3,5ГПa; μ 12 = 0,1; μ 21 = 0,084. Здесь Е 1 ,Е 2 ,G 12 - модули упругости в осевом и окружном направлениях и модуль сдвига в срединной плоскости несущих слоев; μ 12 и μ 21 - коэффициенты Пуассона. Заполнитель считался изотропным с коэффициентом Пуассона μ = 0,2; модуль сдвига G 13 изменялся в пределах 10 -100 МПа. Толщины несущих слоёв:

внутренний - h 1 , наружный - h 2. Толщина трехслойного пакета- H. Область нагружения имела размеры 2α 0 = 0,28, 2β 1 = 0,14. Здесь α 0 =a/R 1, 2a – длина площадки нагружения, 2β 1 - угловой размер площадки нагружения в окружном направлении. Трехслойная структура моделировалась элементами двух типов: – композитные несущие слои – пластинчатыми (2D) элементами из ортотропного материала; – заполнитель – двумя слоями объемных (3D) элементов из изотропного материала. Ввиду наличия двух плоскостей симметрии задача решалась для четверти конструкции, представляющей собой полуцилиндр длиной l /2 = 1,4 м и углом β = 1800. Конечно-элементная сетка строилась регулярной из прямоугольных конечных элементов линейного типа. Так как напряженное состояние вблизи локальной нагрузки имеет большую изменяемость, то и шаг сетки был неравномерным – меньшим вблизи нагрузки. Помимо прямоугольной области непосредственно под нагрузкой, моделированной распределенным единичным давлением, малошаговые элементы использованы и для окаймляющего нагруженную область слоя, имеющего ширину, примерно равную размеру нагруженного прямоугольника. В отличие от статьи [1] в настоящей работе проводится конечно-элементное моделирование напряженно-деформированного состояния (НДС) трехслойной оболочки для мелкой сетки разбиения на КЭ и области значений модуля сдвига заполнителя G З = 10 – 100 МПа, приводятся графики напряжений поперечного сдвига и обжатия в заполнителе. Нагруженная область представляла собой 14*16 = 224 прямоугольника, а вместе с окаймляющей – 28*36 = 1008 прямоугольников. Конечноэлементная модель задачи содержала 11073 узлов и 14532 конечных элемента (рис. 1).

Рис. 1 Конечно-элементная модель задачи На рисунке 2 представлены графики изгибных и мембранных напряжений в несущих композитных слоях на радиусе, проходящем через центр нагруженной области. Соответствующие индексы: в – внутренний слой; н – наружный слой, 1 – осевое направление; 2 – кольцевое направление, м – изгибное напряжение; т – мембранное напряжение.

σ/p0

110 σ2т(н) σ1т(н) σ2м(в) σ1м(в) σ2м(н) σ1м(н) σ2т(в) σ1т(в)

100 90 80 70 60 50 40 30 20 10

G3, МПа

0 -10

слоях

100

Рис. 2. Графики изгибных и мембранных напряжений в несущих композитных

На рисунке 3 приведены графики напряжений поперечного сдвига и обжатия в заполнителе в пределах зоны нагружения (для σ 33 – в центре, для τ 13 и τ 23 – максимальные по контуру) в слое заполнителя, ближайшем к внутреннему несущему композитному слою. τ/p0, -σ/p0

0,9

τ23 τ13 σ33

0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1

G3, МПа

0,0 0

100

Рис. 3. Графики напряжений поперечного сдвига и обжатия в заполнителе На основании результатов расчета (рис. 3) можно сделать вывод, что область значений жесткости заполнителя G З = 10 – 100 МПа при заданных значениях модулей 74

E 1 и E 2 несущих композитных слоев является переходной, когда трехслойная конструкция при локальной нагрузке и уменьшении G З перестает работать как единое целое. При этом жесткость заполнителя становится недостаточной для передачи части давления сквозь пакет на наружный композитный слой, вследствие чего пиковое напряженное состояние перераспределяется главным образом на внутренний несущий слой (рис. 2), и локальные перемещения становятся большими, хотя напряжения вне зоны нагружения остаются умеренными. Для сохранения массовой эффективности трехслойной оболочки следует в области локальной нагрузки сделать местное подкрепление: – увеличить жесткость заполнителя или применить другой технологически доступный прием для скрепления несущих слоев с последующим пересчетом конструкции. Список литературы: 1. Бакулин В.Н., Инфлянскас В.В. Конечно-элементное моделирование напряженно-деформированного состояния трехслойных оболочек вращения // Материалы XVI Международной конференции по вычислительной механике и современным прикладным программным системам (ВМСППС‘2009). М.: Изд-во МАИ-ПРИНТ, 2009. с. 103-106. МОДЕЛЬ РАСТЯЖИМОГО ТРОСА С РАСПРЕДЕЛЕННОЙ МАССОЙ ПРИ ВЫСОКОСКОРОСТНОМ ВОЗДЕЙСТВИИ КАК СИСТЕМА С ВЫКЛЮЧАЮЩИМИСЯ СВЯЗЯМИ *Бакулин В.Н.,**Колесников Г.Н. (*Институт прикладной механики РАН, г. Москва; **Петрозаводский государственный университет, г. Петрозаводск, Россия) The numerical technique of the analysis of mechanical systems with semicoercive segment interaction is considered. Finite-element method and finite difference method are used. The original problem is reduced to the solution of linear complementarity problem. Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований, проект 08-08-0979. Исследованию динамики космических тросовых систем посвящена обширная литература. Развитие методов решения проблем, появляющихся при проектировании таких систем, отражено в книгах [1, 2]. В данном сообщении в продолжение работ [3 5] предлагается методика численного моделирования растяжимого троса с распределенной массой как механической системы с полукоэрцитивным взаимодействием элементов. При разработке методики приняты во внимание результаты, относящиеся к затронутой теме и представленные в работах [1,2, 6 - 11]. В данной работе физическая модель троса представляется в виде системы сосредоточенных масс, соединенных растяжимыми сегментами троса. Материал предполагается линейно упругим. Демпфирование моделируется силами, прямо пропорциональными скорости. Такая модель используется, например, в статье [11]. В предлагаемой методике учитывается, что при появлении продольных сжимающих сил в каком-либо сегменте троса, соединяющем две точки с сосредоточенными в них массами, данный сегмент выключается из работы. Тем самым физически реализуется полукоэрцитивное (одностороннее) взаимодействие сегментов троса.

Методика численного решения и примеры расчета приведены в [5]. В качестве иллюстрации приведем результаты решения модельной задачи при высокоскоростном воздействии. Тело 1 массой m1 =5000 кг соединено тросом длиной 9500 м с другим телом n массой m n =20 кг. Длина троса 9500 м, диаметр 1 мм, плотность материала троса 7700 кг/м3, модуль упругости материала троса 1,2 ⋅1011 Н/м2, рассеяние энергии в материале троса 2,5 H⋅ c /м. Предполагается, что система находится в состоянии невесомости. В начальный момент времени телу n сообщают начальную скорость V0 (рис. 1). Требуется найти перемещения точек концентрации масс mi , i =1,..., n и силы N j , j =1,...,n −1 в зависимости от времени с учетом демпфирования. Результаты вычислений по рассмотренной в [5] методике представлены на рис. 2, 3. Дискретная модель троса представляла собой систему n тел, n = 20 . Масса каждого сегмента троса предполагалась сосредоточенной в точках соединения сегментов друг с другом. Длина каждого сегмента равна 500 м. На рис. 2 и 3 приведены результаты численного решения.

Рис. 1. Физическая модель троса и условная контактная пара с зазором Dn −2

Рис. 2. Изменение силы натяжения в сечениях троса (в ньютонах, по оси ординат) в течение 5 с. V0 =-4000 м/с.

Рис. 3. Перемещения сечений троса (по оси ординат, м) в течение 5 с. V0 =-4000 м/с На рис. 2 точечная линия соответствует сегменту троса, примыкающему к телу массой m1 . Пунктирная линия на том же графике соответствует предшествующему сегменту троса. На рис. 3 точечная линия соответствует сегменту троса, наиболее удаленному от тела массой m1 . Следующему сегменту троса соответствует пунктирная линия на том же графике. Не останавливаясь на вопросах прочности материала троса, отметим, что по результатам численного решения модельной задачи можно установить, в частности, следующее. 1. Время прохождения волной растяжения одного сегмента троса (рис. 2 и 3) составляет примерно 0,13 с, что при расстоянии между точками концентрации массы троса 500 м соответствует скорости 3846 м/с. Данное значение скорости отличается на 2,6 % от скорости звука в материале троса, вычисленной по известной формуле v = E / ρ = 1,2 ⋅1011 / 7700 = 3948 м/с. С увеличением указанного выше числа масс n в дискретной модели троса это различие уменьшается. 3. Появление сжимающих продольных сил в отдельных сегментах троса приводит к их выключению из работы. При появлении растягивающих сил те же сегменты троса вновь включаются в работу. 4. По мере приближения волны растяжения к телу 1 натяжение троса существенно возрастает (точечная и пунктирная линии на рис. 2). 5. Сравнение результатов численного моделирования, в том числе представленных в [5], показывает, что перемещения узлов конечно-элементной модели троса и силы натяжения его сегментов прямо пропорциональны величине V0 . Аналогично может быть выполнено моделирование продольных колебаний при изменении температуры. Фокусируя внимание на актуальности данного вопроса отметим в заключение, что, например, в статье [12] рассматриваются продольные колебания орбитальной тросовой системы в составе двух концевых масс и соединительного троса. Возмущающим воздействием является изменение температуры троса при орбитальном движении. Выполненный в данной статье анализ собственных частот продольных колебаний данной системы показал возможность совпадения основного тона с одной из гармоник возмущения. При этом возможно полное ослабление троса за несколько витков орбиты. 77

Список литературы: 1. Белецкий В.В., Левин Е.М. Динамика космических тросовых систем. М.: Наука, 1990 - 336 с. 2. Алпатов А.П., Белецкий В.В., Драновский В.И., Закржевский А.Е., Пироженко А.В., Трогер Г., Хорошилов В.С. Динамика космических систем с тросовыми и шарнирными соединениями. - М.-Ижевск: Институт компьютерных исследований, 2007. - 559 с. 3. Колесников Г.Н., Раковская М.И. Энергетический критерий очередности перехода односторонних связей в действительное состояние. - Строительная физика в 21 веке. Материалы научно-техн. конф. - М.: НИИСФ РААСН, 2006. С. 606-608. 4. Бакулин В.Н., Колесников Г.Н., Раковская М.И. Методика численного моделирования механических систем с полукоэрцитивными контактами // Машиностроение и техносфера XXI века. Сб. тр. XIV междунар. научно-техн. конф., Севастополь, 17-22 сент. 2007 г. В 5-ти томах. Донецк: ДонНТУ, 2007. Т. 1. С. 67 - 69. 5. Бакулин В.Н., Колесников Г.Н., Раковская М.И. Механическая система с полукоэрцитивным взаимодействием сегментов как модель растяжимого троса с распределенной массой при динамическом воздействии // Машиностроение и техносфера XXI века. Сб. тр. XV междунар. научнотехн. конф., Севастополь, 15-20 сент. 2008 г. В 5-ти томах. Донецк: ДонНТУ, 2008. Т. 1. С. 83-86. 6. Klarbring A., Pang J. Existence of solutions to discrete semicoercive frictional contact problems // Society For Industrial And Applied Mathematics. Journal On Optimization. Vol. 8 (2). 1998. P. 414-442. 7. Пфайффер Ф., Глоккер К. Контакты в системах твердых тел // Прикладная математика и механика. Том 64. Вып. 5. М.: ИПМех РАН, 2000. С. 805 - 816. 8. Бидерман В.Л. Теория механических колебаний. М.: Высш. школа, 1980. - 408 с. 9. Иванов А.П. Динамика систем с механическими соударениями. - М.,1997. - 336 с. 10. Самарский А.А., Гулин А.В. Устойчивость разностных схем. Изд. 2. - М.: Едиториал УРСС, 2005. – 384 с. 11. Дигнат Ф., Шилен В. Управление колебаниями орбитальной тросовой системы // Прикладная математика и механика. Том 64. Вып. 5. М.: ИПМех РАН, 2000. С. 747 - 754. 12. Коровин В.В., Сдобников А.Н. Продольные колебания орбитальной тросовой системы при тепловом воздействии на трос // Инженерно-физический журнал, Том 74, Номер 6, 2001. С. 73-77. ДИНАМИКА ОТДЕЛЕНИЯ И БЕЗОПАСНОГО УВОДА КОРАБЛЕЙСПАСАТЕЛЕЙ ОТ МЕЖДУНАРОДНОЙ КОСМИЧЕСКОЙ СТАНЦИИ *Бакулин В.Н., ** Борзых С.В., ** Анфалов А.С. (*Институт прикладной механики РАН, г. Москва, **ОАО «Ракетно-космическая корпорация «Энергия» им. С.П.Королева» Россия) System of motion equations and simple algorithm of spaceship-saver removal from International Space Station is obtained. Complicated configuration of the Station creates problem of safe separation at nonstandard situations resulting to stabilization loss and random rotation. Работа выполнена при поддержке Министерства образования и науки РФ, Федерального агентства по образованию и Российского фонда фундаментальных исследований (грант 07-01-00634, 08-08-00979) В процессе длительной эксплуатации Международной Космической Станции (МКС) существует вероятность (подтверждаемая практикой эксплуатации предыдущих орбитальных космических систем) возникновения различных нештатных ситуаций, требующих экстренной эвакуации экипажа.

В качестве одной из таких нештатных ситуаций рассматривается пробой станции метеороидом или элементом техногенного происхождения, вследствие которого возможна потеря стабилизации и закрутка Международной Космической Станции за счет действия реактивной струи истекающего из полости станции газа. Сложность задачи усугубляется тем, что конфигурация МКС может существенно меняться на разных стадиях развертывания.

X Рис. 1

Отделение кораблей-спасателей от Международной Космической Станции происходит за счёт срабатывания пружинных толкателей агрегата стыковкирасстыковки. Толкатели сообщают кораблю-спасателю (КС) продольную скорость ~ 0.1 м/с при незначительных угловых и поперечных возмущениях, возникающих вследствие разновремённости срабатывания удерживающих крюков агрегата стыковки и наличия сил сопротивления разъёмов. Траектории кораблей пролегают в непосредственной близости от элементов конструкции Международной Космической Станции, имеющей сложную конфигурацию (рис.1). В связи с этим особенно остро встает проблема безопасного отделения от МКС пилотируемых кораблей-спасателей в случае нештатной ситуации (НШС), связанной с пробоем и потерей управляемости станцией. Создание и решение о внедрении алгоритмов безопасного отделения от Международной Космической Станции в случае нештатной ситуации рассматриваемого типа принимается только на основании математического моделирования отделения с учётом исследования всех особенностей и условий процесса. Это связано с тем, что наземная комплексная экспериментальная проверка и отработка процессов отделения корабля-спасателя от Международной Космической Станции, как это было сделано при исследовании процессов отделения ступеней многоразовой ракетно-космической системы ″Энергия-Буран″ в штатных и нештатных ситуациях, невозможна. Безопасность отделения, т.е. исключение каких-либо механических контактов между разделившимися объектами, исследовалась при помощи модели движения системы нескольких тел, в которой траектории движения определяются путём численного интегрирования уравнений движения, а зазор вычисляется между виртуальными трехмерными моделями корабля и станции.

Развитие событий в зависимости от места пробоя, диаметра отверстия, последствий в части разрушения конструктивных элементов и оборудования может пойти по самым разнообразным сценариям. В связи с этим целесообразно выделить типовые сценарии, под которые можно разработать оптимальные алгоритмы действия как по покиданию станции с переходом экипажа в корабль, так и по безопасному отделению и уводу корабля от станции, если дальнейшее пребывание на Международной Космической Станции невозможно. Ниже представлены результаты исследования алгоритмов отделения после принятия решения об аварийном покидании станции, анализ различных алгоритмов и поиск оптимального. В качестве исходных для анализа были приняты два сценария развития событий после пробоя и потери ориентации станции. 1.Угловая скорость станции ω < 2º/с (охватывает ∼ 90-95% случаев пробоя). Этот сценарий возможен при частичной компенсации угловых возмущений системой управления (СУ) Международной Космической Станции или изоляцией экипажем пробитого отсека, даже если СУ МКС не может гасить возмущения. 2.Угловая скорость станции ω > 2º/с (охватывает ~ 5-10% случаев пробоя). По этому сценарию СУ Международной Космической Станции практически мгновенно прекращает свою работу, изолировать поврежденный модуль невозможно из-за большого градиента падения давления, из внутренних помещений МКС через образовавшееся отверстие полностью истекает весь газ - тогда угловая скорость станции вследствие истечения газа максимальна. В зависимости от места и диаметра отверстия по второму сценарию модуль установившейся угловой скорости вращения Международной Космической Станции через 10-20 минут может достигать 8º/с после истечения основной массы газа. В связи с тем, что принятие решения о покидании станции и подготовка к отстыковке – достаточно длительный процесс (не менее 25-30 минут) можно утверждать, что отстыковка будет проходить на фоне установившейся угловой скорости вращения Международной Космической Станции. Процесс "раскрутки" существенно зависит от инерционных характеристик станции и места пробоя. При одних и тех же по модулю и времени действия, но различных по направлению векторах возмущающих моментов достигаются различные значения установившейся угловой скорости. Колебательный характер изменения вектора угловой скорости затрудняет поиск границ областей безопасного отделения по начальной угловой скорости, поскольку в установившемся вращении значение проекции этой скорости на одну из осей переменно по времени и скоррелировано со значениями двух других проекций с периодом повторяемости порядка 50-500 секунд, что соответствует тензору инерции полной сборки Международной Космической Станции. Проблему безопасного отделения усугубляет местоположение кораблейспасателей, находящихся на надирных портах МКС в глубине зоны радиусом 65м, ометаемой элементами вращающейся станции. Приращения линейной скорости корабля от пружинных толкателей 0,1 м/с недостаточно, чтобы уйти от выступающих элементов конструкции Международной Космической Станции. При угловой скорости 1º/с концы солнечных батарей американского сегмента (СБАС) (наиболее опасные элементы конструкции МКС) имеют окружную скорость > 1м/с. Для обеспечения интенсивного увода кораблей-спасателей из зоны конструкции Международной Космической Станции кроме толкателей должны применяться двигатели причаливания и ориентации корабля, из которых “на увод” могут быть

использованы только два двигателя, создающих ускорение ∼ 0.035 м/с² по продольной оси корабля. В качестве рабочих было рассмотрено два алгоритма увода. В первом включение двигателей производится сразу после отделения и угловые возмущения корабля после отделения не гасятся. Во втором гашение угловых возмущений производится сразу после отделения с использованием штатного бортового алгоритма гашения на фоне непрерывной работы двух двигателей на отвод. В упрощенной постановке, в предположении малого изменения вектора угловой скорости станции в процессе выхода корабля-спасателя за пределы пространства, ″ометаемого″ габаритами станции, проведена оценка качества алгоритмов увода. Соударение корабля-спасателя и станции происходит, когда отделившийся КС ”настигают” элементы конструкции вращающейся Международной Космической Станции. При использовании первого алгоритма происходит более оптимальное для формирования траекторий движения сложение начальной линейной скорости корабля (компонента ω×R, где ω-начальная угловая скорость МКС, а R-расстояние между центрами масс Международной Космической Станции и корабля) и приращения скорости при работе двигателей ∼ 1,3м/с, что соответствует включению двигателей на 30-35с. Наиболее полно анализировалось отделение корабля-спасателя от Международной Космической Станции в окончательной конфигурации, в которой станция имеет максимальные габариты. Исследования проводились в детерминированной постановке, т.к. при такой сложной конфигурации необходимо конкретное физическое представление развивающейся ситуации. Проанализированы результаты исследований движения корабля-спасателя относительно станции при различных комбинациях проекций вектора угловой скорости станции в момент разделения и реализующиеся при этом траектории относительного движения. В ходе анализа были получены предельные угловые скорости Международной Космической Станции, при котором возможно безударное отделение. Эти скорости существенным образом зависят от того, возможно или нет вывести солнечные батареи (СБ) американского сегмента (АС) в конкретную, наиболее желательную плоскость. |ω пред | ≤ 2º/с при СБ АС в желательной плоскости; |ω пред | ≤ 1.2º/с при СБ АС в произвольном положении. Предельные значения приведены для полной сборки Международной Космической Станции. В процессе сборки возможны некоторые отклонения от указанных значений. При наличии на станции экипажа более 3-х человек, очевидна необходимость покидания станции в двух КС. Расчёты по отделению двух кораблей-спасателей показали, что на безопасность влияет интервал времени между отделяющимися кораблями и последовательность их отделения. При решении проблемы безопасного отделения от Международной Космической Станции каждым отдельным КС, появляется проблема обеспечения безопасности относительного движения кораблейспасателей между собой. Анализ движения кораблей-спасателей внутри габаритов Международной Космической Станции показал, что первым должен отделятся корабль, отстоящий дальше от продольной оси МКС. Интервал между отделениями кораблей-спасателей должен составлять не менее 30 минут, так как анализ баллистического движения КС показал, что при отделении 81

двух кораблей требуется после отделения первого осуществить его манёвр увода от Международной Космической Станции или спусковой манёвр и только после этого отделять второй корабль. Это объясняется большими разбросами приращений линейной скорости корабля после отработки импульса увода. При этом обеспечить безопасное совместное орбитальное движение двух кораблей можно только при существенных затратах топлива. К введению в бортовую документацию экипажа был предложен алгоритм, обеспечивающий отделение при значении модуля угловой скорости |ω| < 2º/с. Этот ручной алгоритм охватывает более 90% возможных аварийных ситуаций, связанных с пробоем станции, а также полной или частичной потерей её управляемости, а также не требует доработки корабля "Союз-ТМ". Исследования показали, что в диапазоне установившейся угловой скорости Международной Космической Станции до 2º/с, соответствующей 90-95% охвата всех случаев пробоя, обеспечивается безопасный увод кораблей-спасателей из зоны, ометаемой габаритами станции при выполнении следующих условий: - после отделения экипаж корабля-спасателя, система управления которого не компенсирует угловые возмущения, выдаёт импульс увода двумя двигателями причаливания и ориентации в течение 30 секунд; - перед отделением солнечные батареи американского сегмента Международной Космической Станции должны быть установлены в определенное желательное положение – что возможно только при ситуации, когда привод батарей сохраняет свою работоспособность. - интервал между отделяющимися кораблями не менее 30 минут, причём первым отделяется корабль, отстоящий дальше от продольной оси Международной Космической Станции.

МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ДИНАМИКИ ВАЛКОВОЙ ПАРЫ Бахадиров Г.А., Ризаев А.А., Аманов Т.Ю., Абдукаримов А. (ИМСС АН РУз, г. Ташкент, Узбекистан) In the article dynamics of rolling pair with take into account of treated sheet material is investigated. The differential equations of rotation of fixed and mobile rolls are investigated together with the differential equations of a treated material as one dynamic system. Is shown that, varying the parameters of system in the Mathcad mathematical environment it is possible to receive of various functional dependence which permit to justify with high exactitude parameters of rolling pair. Валковые пары широко применяются во многих отраслях промышленности. При исследовании динамики валковой пары необходимо исходить из сил, действующих на валки в процессе работы. Величина и направление действующих сил, при захвате обрабатываемого материала и в установившимся режиме различны. Также они зависят от многих параметров и факторов, т.е., от диаметров валков, которые могут быть равными или различными; от кинематической связи между валками, которая может быть жесткой или один из валков свободный, который будет вращаться за счет фрикции; от установки валков, которые могут быть установлены горизонтально или

наклонно, один над другим с расположением их осей вращения на вертикальной или на наклонной плоскости, также вертикально; при этом для создания прижима между валками, могут быть подвижным верхний, нижний или оба валка; валки могут быть с твердыми или упругими покрытиями, которые могут быть влагопроницаемыми или не влагопроницаемыми, в зависимости от технологии могут выбираться их комбинации. Кроме того, один из валков или оба валка могут быть составными. Валки могут быть обогреваемыми или не обогреваемыми, могут быть их комбинации. Помимо того, обрабатываемый материал на выходе из валков может подвергаться растяжению с некоторой силой или заталкиванию при захвате в валки, который имеет место для твердых материалов [1-3]. Для исследования динамики валковой пары установленных один над другим выбираем декартовую систему координат O1 x1 y1 z1 с началом O1 в центре масс неподвижного валка и O2 x2 y2 z 2 с началом O2 в центре масс подвижного валка. При этом координатные оси O1 у1 и O2. у2 лежат на одной прямой и координатные оси O1х1 и O2. х2 направлены вдоль осей вращения неподвижного и подвижного валков, соответственно (рис.). Дифференциальное уравнение движения неподвижного валка, вращающегося вокруг оси O1x1 , имеет вид,

J1.x1ϕ1 = ∑ М1e.x ,

(1)

(

)

1 где, J1.x1 = М1R12 − т1r12 + т1.ф.r12.ф. + т1.к.r12.к. -момент инерции неподвижного валка 2 выполненного из толстостенной трубы, относительно оси О 1 х 1 ;

M1 = ρ1l1πR12 -масса неподвижного валка радиуса R 1 ,; ρ1 -плотность материала неподвижного валка; l1 = l1.ф. + t1.ф. –длина неподвижного валка; l 1.ф. –расстояние между центрами масс фланца; R 1 -внешний радиус неподвижного валка, у1 у2

φ2

х2

О2 φ1 О1

х1

ψ2 z1

Рис. 1. Схема валковой пары m1 = ρ1l1πr12 -масса неподвижного валка радиуса r 1 ; r 1 -внутренний радиус неподвижного валка; m1.ф. = ρ1.ф.t1.ф.πr12.ф. ,

m1.к. = ρ1.к.l1.к.πr12.к.

-массы

фланца

кронштейна

неподвижного валка, соответственно; ρ1.ф. , ρ1.к. -плотность материала фланца и кронштейна, соответственно; t1.ф. , l1.к. -толщина фланца и длина кронштейна, соответственно; r1.ф. , r1.к. -радиус фланца и кронштейна неподвижного валка, соответственно; ϕ 1 -угловое ускорение неподвижного валка;

∑ М1e.x (F1 ) = М1.дв. − М1.с. -момент внешних сил относительно оси О 1 х 1 ; 1

М 1.дв. -электромагнитный момент двигателя неподвижного валка; М1.с = ± M1п ± M1τ + M1.ц. -момент сил сопротивления;

M 1п и M 1τ -моменты нормальных и касательных реакций поверхности подвижного валка или обрабатываемого материала; М 1.ц. = F1.ц.r1.ц. -момент сопротивления цапф неподвижного валка; F1.ц. -силы трения в цапфах опор неподвижного валка, r 1.ц. –радиус цапф опор неподвижного валка. Подвижный валок, вращаясь вокруг своей оси вращения и копируя неравномерности листового материала, совершает возвратно-поступательное движение вместе с центром масс, кроме того, из-за неравномерности распределения толщин листового материала по ширине, также совершает вращательное движение вокруг оси проходящей через центр масс перпендикулярно к оси собственного вращения О 2 х 2 . Следовательно, дифференциальные уравнения движения подвижного валка имеют следующий вид: ( M − m ) y = ∑ Y e , 2 2 2. z 2  2  е e (2)  J 2..x2 ϕ2 = ∑ M 2.х2 F2. ,   J 2.z ψ2 = ∑ M e F2e. . 2. z 2 2 

( ) ( )

где, M 2 = ρ 2l2πR22 -масса подвижного валка радиуса R 2 ; ρ 2 -плотность материала подвижного валка; l 2 –длина подвижного валка; R 2 -внешний радиус подвижного валка; m2 = ρ 2l2πr22 -масса подвижного валка радиуса r 2 ; r 2 -внутренний радиус подвижного валка; у2 -проекция ускорения центра масс на ось O 2 у 2 ; e e ∑ Y2 = − P2 cos α x cos α z + ∑ F2. y -сумма проекций внешних сил на ось O 2 z 2 ; 2

α x -угол между горизонталью и оси вращения подвижного валка;

α z -угол между вертикалью и прямой проходящей через центры масс неподвижного и

подвижного валков; Р 2 –вес подвижного валка;

e ∑ F2. y -сумма сил действующих относительно оси O 2 y 2 , это сила давления 2

создаваемое между валками;

(

1 M 2 R2 2 − m2 r22 + т2.ф.r22.ф. + т2.к.r22.к. 2 относительно оси O 2 х 2 ; J 2.x2 =

)

-момент инерции подвижного валка

-массы фланца и m2.к. = ρ 2.к.l2.к.πr22.к. m2.ф. = ρ 2.ф.t 2.ф.πr22.ф. , соответственно; ρ 2.ф. , ρ 2.к. -плотность материала фланца и кронштейна, соответственно;

кронштейна,

t 2.ф. , l2.к. -толщина фланца и длина кронштейна, соответственно; r2.ф. , r2.к. -радиус фланца и кронштейна подвижного валка, соответственно; 1 2 -момент J 2.z 2 = l2 (M 2 − m2 ) + 3 M 2 R2 2 − m2 r22 + 2[J 2.z + m2.ф. + m2.к. ) l 2  2.ф.к .  12  инерции подвижного валка относительно оси O 2 z 2 ; l 2 –длина подвижного валка;  r22.ф. t 22.ф.   r22.к. t 22.к.    = + т2.к.  + + J 2.z = J 2.z.ф. + J 2.z.к. = т2.ф.  4  4  12  12     1 = т2.ф. 3r22.ф. + t22.ф. + т2.к. 3r22.к. + t22.к. - моменты инерций фланца и кронштейна 12 относительно осей у, проходящих через их центры масс и параллельных оси О 2 у 2 ; т2.ф. 2 т 2 2 J 2.z.ф. = 3r2.ф. + t 22.ф. , J 2.z.к . = 2.к . 3r2.к . + t 2.к . - моменты инерций фланца и 12 12 кронштейна относительно осей у, проходящих через их центры масс; т2.ф.l2.ф. + т2.к.l2.к. -расстояние от точки О 2 до центра масс фланца и l2.ф.к. = т2.ф. + т2.к.

[

(

[

)]

(

)

)]

(

)

кронштейна; 1 l2.ф. = l2. ± t 2.ф. -расстояние между центрами масс фланца при R 2 =r 2.ф. , имеет место 2 знак (+) т.е. фланец закреплен или приварен к толстостенной трубе с наружи, а при r 2 =r 2.ф. , имеет место знак (-) т.е. фланец закреплен или приварен снутри толстостенной трубы, которое соответственно имеет место и для неподвижного вала; 1 l2.к. = l2.ф. + t 2.ф. + l2.к. -расстояние от точки О 2 до центра масс кронштейна; 2 ϕ2 - угловое ускорение подвижного валка вокруг оси О 2 х 2 ;

(

)

e e ∑ M 2.x (F2 ) = M 2.дв. − M 2.с. , M 2.z = M 2.к. − M 2.о. -главные моменты внешних сил 2 2 относительно осей O 2 х 2 и O 2 у 2 , соответственно; М 2.дв. -электромагнитный момент двигателя подвижного валка;

М 2.с = ± M 2п ± M τ2 + M 2.ц.

-момент сил сопротивления;

нормальных и касательных обрабатываемого материала;

реакций

поверхности

M 2п

M τ2

подвижного

М 2.ц. = F2.ц.r2.ц. -момент сопротивления цапф подвижного валка; F2.ц. -силы трения в цапфах опор подвижного валка;

r 2.ц. –радиус цапф опор подвижного валка;

-моменты валка

или

М 2.к. -момент, создаваемый неравномерностью кожи;

M 2.о. = F2.о.l2.к. -момент силы сопротивления направляющих опор;

F2.o. -силы трения в направляющих опорах, здесь принято что равнодействующая этих сил находится на расстоянии l2.к. ; ψ2 -угловое ускорение подвижного валка вокруг оси O 2 z 2 . Обрабатываемый листовой материал, подвергаясь воздействию валков, проходит между ними, его дифференциальные уравнения имеют вид:

) )

( (

Mz2 = ∑ F1e.z. + F2e.z. ,  (3)  e e My2 = ∑ F1. y. + F2. y. . где М –масса листового материала; у, z -проекции ускорений центра масс выделенного элемента листового материала на оси O1 у1 и O1z1 , соответственно; F1e. y. , F2e. y. , F1e.z. , F2e.z. -проекции внешних сил, передаваемых от неподвижного и подвижного валков на листовой материал, на оси O1 у1 и O1z1 . Система (1)-(3) обыкновенных дифференциальных уравнений второго порядка с шестью неизвестными функциями одной независимой переменной t численно решена, с использованием результатов полученных в ранее выполненных исследованиях [3], в математической среде Mathcad [4]. Реализация динамической модели валковой пары в математической среде Mathcad с вариациями параметров системы, позволяет получать различные функциональные зависимости, необходимые для обоснования с высокой точностью скоростные, геометрические и силовые параметры валковой пары. Список литературы: 1. Целиков А.И. Теория прокатки. М. 1981. 2. Кузнецов Г.К. Исследование и методика проектирования валковых отжимных устройств текстильных машин. Кострома. 1970. 3. Бахадиров Г.А. Исследование процесса и машин механической обработки листовых материалов. «Новые материалы и технологии в машиностроении», Тюмень. 2000. 4. Дьяконов В.П., Абраменкова И.В. MathCAD 7.0 в математике, физике и в Internet. М,1998. ВЛИЯНИЕ ФАКТОРОВ ВЫСОКОСКОРОСТНОГО СОУДАРЕНИЯ ПОТОКОВ ЧАСТИЦ НА ИЗМЕНЕНИЕ СВОЙСТВ МАТЕРИАЛОВ И ДЕГРАДАЦИЮ ЭЛЕМЕНТОВ МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ А.И.Белоус1, В.И.Овчинников2, О.П. Реут, Т.В.Петлицкая1, Е.А.Дорошкевич2, А.Н. Петлицкий1 (1НТЦ "Белмикросистемы", ПО "Интеграл", г. Минск; 2 ОХП "НИИ импульсных процессов с ОП" ГНУ ИПМ, г.Минск) Исследование направлено на решение проблемы создания защитных материалов и повышения надежности работы электронных систем управления в условиях ударно-волнового и высокоэнергетического воздействия дискретными потоками вещества и электромагнитного излучения.

Введение В настоящее время установлено, что в космическом пространстве существует опасность соударения сгустков пылевых частиц с космическими летательными (КЛА) и их влияние на работоспособность систем управления и элементов микроэлектроники. Поэтому при разработке (КЛА) с длительным сроком работы в космосе, одной из проблем, стоящих перед разработчиками, является защита КЛА от воздействия не только от различных космических тел макроразмеров, но и от мелких частиц - так называемого космического мусора и естественных пылевых сгустков, микрометеороидов. Проблема повышения надежности работы электронных систем управления в условиях ударно-волнового и высокоэнергетического воздействия дискретными потоками вещества, электромагнитного излучения, становится все более актуальной. Это связано с необходимостью широкого использования современных электронных систем управления и их элементов в приборах военной и космической техники, порой работающих в экстремальных условиях, высокоэнергетического ударно-волнового воздействия. Результаты исследования и их обсуждение В Институте импульсных процессов, были разработаны специальные ускорители и проведены исследования по моделированию процессов соударения потоков порошковых частиц (пылевых сгустков), с металлической преградой. В результате проведенных экспериментов было установлено, что при соударении высокоскоростного потока частиц (скорость 800-1200 м/с), процесс сопровождается следующими эффектами: - происходит проникание частиц ~1% на глубину до 50мм; - образуется ударная волна, и ряд вторичных ударных волн; - формируется импульс электромагнитного и ионизирующего излучения. Каждый из этих факторов может влиять на изменение структуры материалов их функциональные и физико-технические свойства, отклонение параметров от заданных в системах электронного оборудования. В качестве примера приведем результаты изменения электро-физических свойств: в частности электросопротивления алюминия обработанного высокоскоростным потоком порошковых частиц SiC (таблица 1) Электрическое сопротивление определяли как среднее значение из 10 -15 точек замера исходя из зависимости, 0,042 × 10 −3 = 1,9 × 10 − 4 ом / кв. уд.сопр. × Т = 1,9 ⋅ 10 − 4 × 300 мкм = 5,7 ⋅ 10 −6 ом / см RC = 4,53 1A где RC=4,53 *2U/I; I=906 ma = 1A ; 2U= U 1 +U 2 /2 Полученные данные приведены в таблице 1. Таблица 1 Среднее значение электросопротивления для образцов Al Исходный образец Al Обработанный образец Al Продольное сечение Поперечное сечение Продольное сечение Поперечное сечение Ом/см Ом/см Ом/см Ом/см 4,8 4,6 5,33 3,38 На основании полученных данных следует, что обработка алюминиевых образцов высокоскоростным потоком частиц, приводит к анизотропии электрического сопротивления: к его увеличению в продольном направлении на 11 % и к уменьшению – в поперечном направлении на 14 %. 87

При подрыве заряда в результате схлопывания кумулятивной воронки и последующего процесса растяжения кумулятивной струи происходит вытягивание силовых линий магнитного поля внутри кумулятивной струи вдоль ее оси, а соответственно и нарастание амплитуды магнитного поля играет при этом роль своеобразного магнитокумулятивного генератора, работающего за счет кинетической энергии струи. В результате соударения кумулятивной струи в состав которой входит поток ионизированных частиц порошка и плазмы, термического воздействия вихревых токов, генерируемых в процессе диффузии магнитного поля и плазмы из объема кумулятивной струи и проникания частиц порошка, материал мишени намагничивается и на поверхности раздела и вокруг мишени индуцируется магнитное поле (рис. 1) величина которого будет зависеть от структуры, магнитных свойств материала и ионизации потока.

Рис. 1. Схема формирования магнитного поля. 1-корпус заряда, 2-взрывчатое вещество (ВВ), 3-кумулятивная воронка, 4-частицы порошка, 5- регулирующая опора, 6- поток ионизированных частиц порошка и плазмы, 7- ударная волна, 8- металлический цилиндр, 9-электрическое поле, 10- силовые линии магнитного поля, 11- отраженная волна В результате измерений были зарегистрированы спектры электромагнитного излучения амплитудой 0,1- 1,5В при длительности импульса 5-12 • 10 -6 с на расстоянии 0,15 м от эпицентра взрыва. По проведенным расчетам среднее значение магнитной индукции В ср = 45,9мТл. Таким образом, полученные результаты доказывают, что кумулятивные процессы при ускорении потоков частиц и их соударении с поверхностью твердого тела сопровождаются импульсом электромагнитного излучения. Гипотеза авторов состоит в моделировании процессов соударения сгустков космической пыли с КЛА в земных условиях и изучения воспроизводимых при этом явлений и возможных последствий выхода из строя электронных систем управления. Основными факторами при соударении высокоскоростных потоков частиц (сгустков космической пыли), которые могут оказать воздействие на элементы микроэлектроники транзистор, микросхемы, элементы памяти и т.п. могут быть:

ударные волны, а также генерируемые ими высокочастотные процессы и условия резонанса; - электромагнитное и ионизирующее излучение, индуцируемые магнитные и наведенные электрические поля; - проникающие микрочастицы. После тестирования образцы микросхем, размещались в герметичный металлический контейнер (рис.2) с толщиной стенки 50-100 мм. Контейнер с микросхемами подвергался нагружению потоками частиц (фракции 3-100 мкм) в диапазоне скоростей соударения 300 – 1000 м/с многократно (до 3-х раз). После такой обработки контейнер разбирался, из него вынимались микросхемы. Контейнер проверялся на повреждения. Пробои контейнера и потеря герметизации не были обнаружены. Извлеченные микросхемы исследовались в соответствии с нормами предприятия. В соответствии с планом эксперимента микросхемы после обработки в контейнере исследованы визуальным осмотром, просвечиванием рентгеном и тестированием на специальном стенде. Визуальный осмотр, просвечивание микросхем не позволило обнаружить каких-либо изменений. Тестированием на стенде было установлено отклонение рабочих параметров микросхем на 1040% от допустимых значений. В результате воздействия Рис. 2. Схема расположения высокоскоростного потока микрочастиц на микросхемы в контейнере. поверхность контейнера у ряда микросхем, 1- контейнер, 2- фторопласт, несмотря на их внешнюю целостность, 3- микросхема, 4- поролон, изменились выходные параметры на 10-40%, хотя 5- крышка контейнера. проникновения частиц в структуре микросхем обнаружено не было. Микросхемы, обработанные в контейнере с толщиной стенки 100мм, даже при трех- кратной обработке практически не изменили своих рабочих параметров. Некоторые из микросхем получили внутренние механические повреждения в области контактов (рис.3а), что могло быть следствием прохождения интенсивной ударной волны и высокого фонового давления. -

б)

а)

Рис. 3. Структура микросхемы после обработки потоком частиц, ускоренных взрывом. а)общий вид с точечными дефектами, х50; б)структура разрушения в области контактов, х2000 89

В структуре микросхемы, представленной на (рис.3б) наблюдаются инородные включения в виде микрочастиц. По данным микрорентгено-спектрального анализа частицы имеют химический состав близкий к составу защитного корпуса микросхемы. Можно предположить, что включения внесены в результате массопереноса при перемещении ударных волн. Заключение Проведенные исследования показали возможность использования энергии взрыва в экспериментах по моделированию процессов соударения микрочастиц (космической пыли) их воздействия на защитные материалы и элементы микроэлектроники в экстремальных условиях их эксплуатации. Полученные первые результаты по влиянию ударной волны, импульса электромагнитного излучения и проникающей способности микрочастиц на элементы микроэлектроники и проведение дальнейших исследований в данном направлении, позволят произвести выбор материалов и создание новых полупроводниковых элементов с повышенными защитными свойствами для военных и космических целей, где существует опасность подобного воздействия. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА СБОРКИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ САПР Берлинер Э.М., Таратынов О.В. (МГИУ, г. Москва, Россия) Designing new assemblies and components to suit job requirements allow the designer to group the components in accordance with the structural arrangement of the product and other requirements. Modern software packages for automated designing allow saving the time for designing and visualizing big assemblies as well as rationalize the use of the computer resources. Сложность современных промышленных изделий постоянно растет и соответственно растет трудоемкость их сборочных работ, которая составляет около 20% от общей трудоемкости изготовления изделия в высокотехнологичном массовом производстве и до 40-60% в мелкосерийном и единичном производстве. До начала разработки общего вида нового изделия главный конструктор задает критерии, которыми будут руководствоваться проектировщики при создании чертежей сборочных единиц: взаимное положение компонентов сборки: их параллельность, перпендикулярность или совпадение осей, граней и ребер, расположение объектов на расстоянии или под углом друг к другу, концентричность, касание, ограничения по расположению одной поверхности относительно другой. В ряде случаев наилучшее решение выбирают из нескольких эскизных вариантов будущего изделия. Процесс синтеза и генерации вариантов конструкции изделия, содержащего большое количество деталей, часто носит итерационный характер. Согласованная работа разработчиков осуществляется в рамках определенной концепции и единых требований к проектируемому изделию. Гибкие средства распределения деталей по вложенным сборкам, создания новых сборок и деталей по месту позволяют конструктору группировать компоненты в соответствии со структурой изделия или иными требованиями. В чертеже сборки могут автоматически удаляться невидимые линии, если одна деталь закрывает другую. В сборку могут быть включены подсборки, которые, в свою очередь, могут состоять из деталей и подсборок. Детали и подсборки могут создаваться непосредственно в сборке или вставляться в нее из существующего файла.

Конструктор может открыть файл конкретной детали, отредактировать его и обновить сборочный чертеж. В качестве элемента новой детали, создаваемой непосредственно в сборке, можно использовать геометрию существующих деталей. Современные пакеты САПР обеспечивают автоматическое сопряжение стандартных изделий при вставке в сборку и автоматическое обновление деталей при изменении сборки. Использование САПР упрощает работу технолога по сборкам и написание самого технологического процесса, позволяет быстро и с максимальной наглядностью описать весь процесс сборки. Все вопросы, связанные с технологией общей сборки элементов, обычно решаются на этапе конструирования компоновки машины или технической системы. При этом определяются окончательные размеры (с допусками) элементов сборки. Многочисленные итерации виртуальной сборки изделия из деталей со случайными отклонениями размеров, выбранными в пределах их полей допусков, позволяют построить статистическое распределение значений требуемых конечных параметров сборки и в случае необходимости определить требуемый компенсатор. Проверка работоспособности механизма выполняется за счет наложения связей между компонентами, задания перемещений, скоростей и ускорений звеньев. Конструктор может использовать в своих построениях геометрию соседних деталей сборки. В результате деталь может изменить свою геометрии или можно изменить расположение окружающих элементов конструкции. Такой подход гарантирует точное сопряжение всех деталей в сборке и ассоциативную связь между геометрическими моделями. Специальные модули САПР позволяют спрогнозировать влияние геометрической точности и способа установки отдельных деталей на сборочный процесс, рассчитать ключевые характеристики сборки – такие как вылет крыла самолета или зазор между дверью и крылом автомобиля. По результатам анализа делается заключение: точность, каких деталей следует повысить, а каких можно уменьшить. От точности размеров деталей зависит технология их изготовления и себестоимость их производства. Информация об изменениях размеров или конфигурации деталей, входящих в сборку, немедленно передается всем конструкторам, работающим над данным узлом. С компонентами сборки можно выполнять различные операции: объединение двух деталей, вычитание одной детали из другой (в детали образуется полость, соответствующая форме другой детали, при этом возможно задание коэффициента масштабирования вычитаемой детали). Деталь можно разделить на две части (плоскостью или поверхностью). Каждой детали может быть назначен свой материал, который будет учитываться при расчете массово-инерционных характеристик и при генерации штриховок в области сечений. Можно поменять последовательность построения, просмотреть пошагово историю построения модели, при необходимости вернуться к любому из них и внести изменения. Для отдельных узлов или сборки в целом конструктор может контролировать такие параметры как объем, вес, габаритные размеры и т.п. Фильтры позволяют определить и загрузить в сборку только детали с определенными атрибутами или детали, которые находятся в определенной области. Добавление нормализованных деталей и узлов в сборку можно проводить вручную — перетаскиванием их из окна библиотеки. В этом же окне выбирают не только геометрические характеристики стандартного изделия, но и другие атрибуты (материал, покрытие, направление резьбы болтов и гаек и т. п.). Поддержка параллельного доступа к чертежу сборочной модели позволяет одновременно работать над проектом большому коллективу конструкторов.

Ряд однотипных изделий с различными техническими параметрами образует семейство сборок. Можно исключать или заменять отдельные компоненты и вносить изменения в размеры и допуски. Проведенные авторитетными экспертами исследования показывают возможность значительного уменьшения временных и материальных затрат при использовании типовых конструкторских решений для элементов деталей, самих деталей и сборочных узлов. Чтобы упростить отображение больших сборок на экране компьютера, можно воспользоваться командами, обеспечивающими погашение определенных компонентов либо переключением их видимости. При работе с большими сборками могут быть полезны команды Скрыть и Показать. Они позволяют управлять отображением деталей подсборок и не показывать на экране выбранные детали. Для ускорения работы со сборками, содержащими десятки тысяч компонентов, Unigraphics NX предлагает работу с легкими моделями, содержащими упрощенные компоненты сборки. Они позволяют экономить память компьютера и сократить время загрузки объекта. Контроль перемещений и зазоров помогает предотвратить проблему уже в тот момент, когда компонент размещается в сборке. Проверка работоспособности механизма может выполняться за счет наложения связей между компонентами, задания перемещений, скоростей и ускорений звеньев. Статистический анализ полей допусков трехмерных размерных цепей на модели изделия позволяет на начальном этапе проектирования провести и получить оценку качества. Выбор условий работы сборщика должен производиться на основе анализа и оптимизации эргономики. В процессе моделирования действий сборщика следует проверить его рабочее место с точки зрения возможности дотянуться до деталей и инструментов, рассчитывают как времена отдельных операций, так и общее время цикла. Работу персонала с технологическими картами сборки сложных изделий облегчают трехмерные изображения сборок с цветовой подсветкой каждой детали. Облегчается корректировка технологического процесса сборки: перемещение операций, переходов внутри процесса сборки, а также копирование операций из ранее разработанных технологических процессов. Технологам помогают такие средства, как анализ возможных зон столкновений технологического оборудования. На экране опасные зоны выделяют цветом. Независимо от того, является ли сборка на предприятии ручной, полностью автоматической или комбинированной следует обеспечить информационную поддержку сборочных процессов. Компания UGS PLM Software при разработке изделий с высокой степенью параметризации предлагает использовать концептуальный шаблон, который также называют управляющей структурой. Этот шаблон позволяет выполнить анализ влияния различных параметров отдельных деталей на характеристики спроектированного изделия. Изменяя управляющее параметры изделия, можно получить новые решения для конструкции изделия. Так, при проектировании носовой части самолета Боинг конструкторы создали управляющую структуру, которая определяла внешние обводы, оси силовых элементов, их взаимосвязи. На их базе была построена математическая поверхность и силовой каркас. После внесения изменений автоматически изменялись внешние обводы и силовые элементы, что облегчило поиск оптимальной конструкции и формы. По словам разработчиков, новые технологии в проектировании сократили время и стоимость разработки носовой части самолета на 50 %.

Рис. 1. Схема процесса эскизного проектирования На рис. 1 представлена схема процесса эскизного проектирования, которая иллюстрирует процесс создания изделия с применением шаблонов конструктивных решений. При разработке эскизного проекта могут использоваться следующие библиотеки: • типовых двумерных компоновок; • типовых трехмерных компоновок; • типовых эскизов, отдельных деталей, типовых конструктивных решений. Сокращение времени визуализации «больших сборок» Сборка значительного количества деталей требует загрузки большого объема данных в память компьютера. В ряде САПР модуль построения отдельных видов поддерживает построение и управление упрощенными представлениями геометрии компонентов сборок. Для сокращения времени визуализации, более экономичного использования ресурсов и увеличения производительности компьютера современные пакеты автоматизированного проектирования позволяют • отключить автоматическое обновление спецификации; • удалить из памяти сложную подсборку, не связаную с фрагментом сборки, над которым необходимо работать; • уменьшить качество изображения на уровне сборки и входящих в нее деталей; • заменить сложную подсборку или деталь более простой деталью или оболочкой; • упрощенно представить геометрию компонентов сборок. Использование фильтров позволяет определить и затем загрузить в сборку только те детали, которые находятся в определенной области, либо детали с определенными атрибутами, отобразить упрощенную сборку, исключив детали, находящиеся внутри, или мелкие детали. Визуальную информацию о доступном объеме памяти может предоставить индикатор загрузки памяти компьютера. Некоторые САПР позволяют использовать альтернативную упрощенную графическую форму представления компонентов с невидимыми деталями и элементами сборок согласно заданным условиям. Детали сложной конфигурации могут быть заменены условными телами, например, параллелепипедами, закрашенными в разные цвета. Режим упрощенного отображения можно использовать также для демонстрации различных положений сборочного узла или при изменении его масштаба. Упрощенные

сборки долгое время являлись атрибутом систем проектирования высшего уровня. В настоящее время все большее количество САПР поддерживает этот режим. Представление сборки в виде наружной оболочки позволяет оставить только внешние видимые поверхности. Такую сборку можно передать партнерам для работы, не раскрывая при этом секреты внутреннего устройства. При оформлении чертежей «больших сборок» ряд САПР позволяют контролировать загрузку отдельных компонентов, редактировать чертеж без загрузки 3D модели в оперативную память компьютера. Список литературы: 1. Берлинер Э.М., Таратынов машиностроении. Учебник для ВУЗов. М.:ФОРУМ, 2008. - 448 с.

О.В.

САПР

СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ И УПРОЧНЕНИЯ БЫСТРОИЗНАШИВАЮЩИХСЯ ДЕТАЛЕЙ РАБОЧИХ ОРГАНОВ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ МАШИН Бетеня Г.Ф., Анискович Г.И., Голубев В.С., Давидович А.Н. (УО «БГАТУ» , ГНУ«ФТИ НАН Беларуси», г. Минск, Беларусь) Ведущие фирмы-производители сельскохозяйственных машин выпускают сменные детали (долото, лемех, отвал, полевая доска, ножи измельчающего аппарата кормоуборочных машин, ножи косилок, диски борон, сегментных ножей кукурузных жаток, копачей и подрезающих ножей ботвы свеклоуборочных комбайнов, оборотных лап культиваторов, зубья культиваторов с активными рабочими органами, стрельчатые лапы, лапы глубокорыхлителей и др.) нового поколения. Они характеризуются высокими физико-механическими свойствами и показателями работоспособности. Конкурентоспособность изделий обеспечивается наукоемкими технологиями и соответствующим стальным прокатом. Анализ конструкционных материалов, используемых в последние годы (15 лет) предприятиями Республики Беларусь и другими государствами СНГ, свидетельствует о применении недорогих марок сталей, а также традиционных методов термообработки (закалки и отпуска). Твердость изделий составляет 35,5…48 HRC, прочность не превышает 900…1200 МПа, ударная вязкость находится в пределах 0,2…0,6 МДж/м2 . Применяемые в настоящее время отечественными производителями в качестве материала основы стали марок 35; 45; 40Х; Л53; 65Г; 55С2; 60С2 и др. не удовлетворяют требованиям изделий нового поколения из-за низкого уровня твёрдости и прочности. Такие изделия не могут полноценно конкурировать с изделиями ведущих западноевропейских фирм. За рубежом детали рабочих органов преимущественно получают из более прочных борсодержащих (с добавками молибдена, титана) мало- и среднеуглеродистых сталей. Аналогами их в СНГ являляются стали 30ГР, 40ГР, 30Г2Р и др. Применение таких сталей и специальных способов термической обработки позволило достичь повышенных эксплуатационных свойств. Детали упрочнялись до твердости 48…52 HRC, прочность превышала 1200 МПа. Наряду с этим отдельные западноевропейские фирмы разработали и реализовали наукоемкие технологии «Conit» (Kverneland, Норвегия), «Triplex» и «Dreilagenmaterial» (Huard, Франция), «Rabid» (Rabewerk, Германия), «Plasmabid» (Rabe, Германия), а так же лазерные и плазменные способы упрочнения деталей в

сочетании со специальными процессами термической обработки, новые материалы, например, Permanit© (Vogel und Noot, Австрия). Изделия, полученные с применением технологий «Conit» и «Triplex», обладают высокой конкурентоспособностью и наиболее соответствуют ударно-абразивным условиям эксплуатации. Отличительной особенностью этих изделий является 3-х слойное строение поперечного сечения, так называемое диссипативное (градиентное) структурное строение. Поверхностные слои изделий имеют высокую прочность (1200…1800 МПа) и твердость (до 67 HRC). Сравнительно пластичная сердцевина при этом обеспечивает повышенную ударную вязкость изделий. Названные технологии являются интеллектуальной собственностью разработчиков. Заслуживают внимания для изготовления деталей рабочих органов машин новые перспективные материалы, имеющиеся на рынке СНГ – стали пониженной прокаливаемости (ПП). Они имеют следующие модификации: сталь 58 (55ПП) ГОСТ 1050-88, сталь 60ПП – ТУ завода изготовителя. Эти материалы характеризуются следующим химическим составом: углерод – 0,5...0,65%; марганец – 0,1..0,3%; кремний – 0,1..0,3%; хром, никель и медь – не более 0,25% каждого. При производстве деталей из этих материалов находят применение новые перспективные методы упрочнения. При этом детали из стали ПП имеют диссипативное строение. Твёрдость поверхностного слоя составляет 58…64 HRC при относительно мягкой сердцевине – 28…42 HRC. Они имеют высокий комплекс механических свойств (прочность 2100...2300 МПа, ударная вязкость от 0,6 МДж/м2 до 1,25 МДж/м2). По основным технико-экономическим показателям они превосходят материалы, используемые западноевропейскими производителями. Представленный пример научного поиска решения проблемы свидетельствует о необходимости перехода на использование современных достижений научнотехнического прогресса на всех этапах их изготовления: получение заготовки и её упрочнение. При этом должны широко применяться ресурсо- и энергосберегающие технологии: тепловое и горячее термопластическое деформирование, объёмное термическое модифицирование, высокочастотное объёмное термическое модифицирование, лазерное и упрочнение модифицирование, диффузионное намораживание и др. методы. В основу технологий получения заготовок деталей рабочих органов должны быть положены методы плазменной и лазерной резки, штамповки, ковки, клиновой прокатки. Особое внимание должно быть уделено технологии формообразования режущей части деталей. Обработку резанием при заточке лицевой части изделия должны заменить высокопроизводительные технологии с применением поперечной и продольной клиновой прокатки. В лаборатории поперечной клиновой прокатки ГНУ «ФТИ НАН Беларуси» разработаны технологии термопластической обработки заготовок ножей измельчающего аппарата кормоуборочного комбайна, лемехов плугов, лап культиваторов, ножей свеклоуборочного комбайна, зубьев роторной бороны, ножей роторной косилки. Полученная заготовка после прокатки подвергается объемному термическому или высокочастотному объёмному термическому модифицированию и другим методам упрочнения. Объёмное термическое модифицирование осуществляется термическим воздействием на деталь в твердом состоянии. Воздействие осуществляется как в непрерывном, так в импульсном режимах нагрева. Наибольшее распространение получила поверхностная закалка, обусловленная полиморфными превращениями. При этом в поверхностном слое может происходить существенное изменение параметров 95

кристаллической решётки, а также изменение типа решётки. Процесс состоит из двух стадий: нагрева детали и быстрого её охлаждения. Поверхностную закалку применяют обычно для образования твёрдого износостойкого слоя на определённых участках деталей, изготовленных из средне – и высокоуглеродистых и перлитных сталей, ковкого, серого и высокопрочного чугунов с содержанием 0,6% связанного углерода. При высокочастотном непрерывно-последовательном термическом модифицировании поверхностный слой разогревается индуктором до температуры закалки. Затем нагретая поверхность резко охлаждается водяным душем. Специалистами учреждения образования «Белорусский государственный аграрный технический университет»(БГАТУ), Производственного объединения «Минский тракторный завод» и РУП «Минский завод шестерен» получены положительные результаты по изготовлению деталей для работы в абразивной среде из сталей пониженной прокаливаемости. Технологии упрочнения и данные конструкционные материалы (стали 55ПП, 60ПП и др.) соответствуют специфическим свойствам почв (засоренность камнями и высокая абразивная изнашивающая способность) и являются экологически чистыми. Основными характеристиками экспериментальных деталей являются: мелкозернистая мартенситная структура поверхностного слоя толщиной 2..3 мм; прочность находится в пределах 2100…2300 МПа; твердость поверхности 60 HRC и более; пластичная сердцевина изделия имеет твердость 28…40 HRC, ударная вязкость составляет 1,0…1,25 МДж/м2. Полученные изделия по техническому уровню являются конкурентоспособными с лучшими мировыми аналогами. Разработки защищены патентами. В соответствии с заданием 2.1 ГНТП «Белсельхозмеханизация» в технологическом научно-производственном центре БГАТУ с использованием вышеупомянутых материалов (сталь 60ПП) и технологий их упрочнения были изготовлены и переданы на приемочные испытания опытные образцы лемехов, полевых досок и грудей отвалов корпуса плуга. Анализ микроструктуры опытных образцов деталей показал, что в результате применения цементации для восстановления обезуглероженных слоев (толщиной 0,2...0,4мм) с последующей объемно-поверхностной закалкой и низким отпуском структура грудей отвалов в поперечном сечении состоит из мелкозернистого мартенсита, незначительного количества мелких равномерно распределенных карбонитридов и, возможно, остаточного аустенита, структура сердцевины – троостомартенситная. Структура закаленного слоя лемеха представляет собой мелкозернистый мартенсит, сердцевины – троостосорбит. Структура закаленного слоя полевой доски – мартенсит мелкозернистый, а ее сердцевины – сорбит. Структура закаленного слоя долота – мартенсит среднеигольчатый, сердцевины – троостосорбит с включениями феррита. Такие изделия характеризуются высокой работоспособностью в эксплуатационных условиях. Преимуществами используемых материалов и технологий для производства деталей являются: низкое содержание дорогостоящих легирующих элементов; хорошая закаливаемость; детали обладают достаточной ударной вязкостью; простая и недорогая термообработка; малая чувствительность к появлению закалочных трещин и короблению; возможность закалки сразу после ковки; хорошая комбинация ударной вязкости и прочности. Изготовленные по технологии БГАТУ детали корпуса плуга в 2008г. проходили приемочные испытания на объектах ИЦ ГУ «Белорусская МИС». По результатам испытаний износостойкость опытных образцов лемехов в 1,5 раза, полевых досок в 4,67 раза и грудей отвалов в 1,56 раза выше износостойкости аналогичных деталей

отечественного производства (РУП «Сморгонский агрегатный завод») и сопоставима с износостойкостью деталей импортного производства (фирма «Квернеланд»). На заключительных этапах изготовления деталей рабочих органов могут применяться лазерные технологии. Лазерное упрочнение (закалка) основано на локальном нагреве поверхности до сверхкритичных температур лазерным излучением. После прекращения действия источника излучения этот участок охлаждается в результате теплоотвода энергии во внутренние слои металла. Нагрев осуществляется, как правило, без оплавления поверхности. В большинстве своем лазерная закалка дает стабильный прирост твердости на 3-4 единицы HRC по сравнению с максимальной твердостью, достигаемой на данной марке стали стандартными методами термообработки. Эффективным методом повышения износостойкости деталей является лазерное модифицирование (наплавка) с одновременной закалкой поверхностного слоя. Поверхность, подлежащая обработке, покрывается слоем износостойкого материала, содержащего легирующие элементы. Луч сканируют по поверхности детали. Режим сканирования подбирается таким, чтобы температура в микрообъемах поверхности обеспечивала плавление обмазки. В процессе плавления легирующие элементы внедряются в кристаллическую решетку материала детали. Возникает возможность внедрения в кристаллическую решетку даже такого элемента, с которым вещество детали вообще не может образовать твердого раствора. Такие метастабильные структуры, прочно связанные с основой, обладая сверхвысокой твердостью, обеспечивают резкое повышение износостойкости. Высокая точность наведения лазерного луча к месту наплавки, локальность действия лазерного излучения позволяет упрочнять строго определенные участки деталей и получать тонкие слои покрытий (0,1…0,3 мм). Кратковременность протекания процесса, а также точная дозировка энергии обеспечивают минимальные зоны термического влияния и отсутствие деформаций. Лазерная наплавка позволяет значительно снизить трудоемкость и себестоимость изготовления за счет исключения предварительного подогрева, последующей термообработки, а также значительного уменьшения объема последующей механообработки. В лаборатории лазерной обработки материалов ГНУ «ФТИ НАН Беларуси» обоснованы материалы и оптимальные режимы упрочнения деталей сельскохозяйственных машин, работающих в условиях абразивного изнашивания и ударных нагрузок. Метод лазерного модифицирования был применен к сегментным ножам для уборки кукурузы, ножам кормоуборочных и свеклоуборочных комбайнов, дискам сошников и др. В ходе полевых испытаний, например, рабочие части не упрочненных ножей (свидетелей) дообрезки ботвы свеклоуборочного комбайна КСН-6 износились полностью при наработке 130га. После чего изношенные ножи были заменены на новые. Износ второго комплекта на последующих 40га составил 1/3 от предельного. Износ упрочненных ножей при общей наработке 170га составил не более 1мм. Таким образом, результаты испытаний показывают, что упрочненные ножи могут иметь ресурс в 7-10 раз более высокий, чем не упрочненные. При этом отмечается, что качество обрезки ботвы, также было значительно выше Для модифицирования поверхностей деталей рабочих органов могут также применяться плазменные технологии. Благодаря возможности регулирования в широком диапазоне соотношения между тепловой мощностью дуги и подачей присадочного порошка плазменно-порошковая наплавка, например, обеспечивает

достаточно высокую производительность при минимальном проплавлении основного металла, что позволяет обеспечивать требуемую твердость и заданный химический состав наплавленного металла. Плазменная технология была применена для упрочнения лемехов свеклоуборочного комбайна КСН-6, в результате чего их износостойкость возросла до двух раз. В целом можно заключить, что современные отечественные технологии и материалы, разрабатываемые научными центрами и апробированные в производственных условиях, позволяют обеспечивать деталям нового поколения рабочих органов машин технический уровень, не уступающий лучшим мировым аналогам. ЧИСЛЕННЫЙ АНАЛИЗ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ В СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЯХ ПРИ ЛАЗЕРНОЙ СВАРКЕ С ПОДОГРЕВОМ Бокота А, Пекарска В. (Политехника Ченстоховска, г. Ченстохова, Польша) In the paper a numerical model of the stresses and strain in HAZ transformation in the laser welded with preheating joint is presented. The thermal fields are determined with the use of the unsteady thermal conduct equation with a convection therm. To compute the phase fractions in the solid state and the thermal and structural strains, the model of phase transformations for weldable structural steel was applied. In the determination of stresses, the structural and transformation strains and the relationships between the thermophysical parameters, temperature and the phase fraction were taken into account. Введение. В процессе лазерной сварки. в связи с большой скоростью охлаждения в метале ЗТВ образуются закаленные структуры, что наблюдается даже в хорошо сьариваемых сталях. Для снижения скорости охлаждения металла производится сопутствующий подогрев свариваемых злементов. При лазерной сварке эту проблему можна решить с использованием двойного луча [1], когда один луч (меньшей мощности) выполняет функцию подогрева, а другой (большей мощности) – сварки. В работе представлена модель процесса лазерной сварки с сопутствующим подогревом. Цифровое моделирование выполнено для температурного поля, кинетики фазовых превращений и остаточных напряжений при сварке листа из стали повышенной прочности. Временные и остаточные напряжения от термической нагрузки и фазовых превращений в твёрдом состоянии определяются путём решения уравнения равновесия методом конечных злементов. Для определения уровня пластической деформации используется модель неизотермического пластического течения с условием Губера-Мизеса изотропного упрочнения. [2,5]. При определении временных и остаточных напряжений в зависимости от термической нагрузки и фазовых превращений учитывается связь термофизических параметров с температурой и фазовым составом стали. В модели напряжений учитывается структурная и трансформационная деформация. Температурное поле. Расчёт температурного поля производится по уравнению неустановившегося потока тепла с конвективным членом: Q ∂T (x, t ) (1) + ∇T (x, t ) ⋅ v + V = 0 a∇ 2T (x, t ) − ∂t C

где a - коэффициент выравнивания температуры; C - удельная теплоёмкость; Q V мощность объёмных источников тепла, в которых учитывается тепло от лазерного луча; v - вектор скорости перемещения лазерного луча, x=x(x α ) – вектор положения рассматриваемой точки. Температурное поле образца определяют два источника тепла, один (подогревающий) с гауссовом распределением:  (x')2 + ( y ')2  Q (1 − R) q1 (x' , y ' , z ') = 1 exp − − β z'  (2) 2   r 2πr 2 2   ’ действующий на расстоянии x =d перед главным (свариваемым) линейным (рис. 1), с определённым погружением (h z ):  x′ = 0 1 для − hz ≤ z ′ ≤ hz H ( z ′)  q2 (x ′, y ′, z ′) = Q2 ⋅ для  y ′ = 0 где H ( z ′) =  (3) hz 0 для z ′ > hz − ∞ < z ′ < ∞  где Q 1 i Q 2 – соответсвующие мощности лазерных лучов, β – коэффициент абсорбции, R - коэффициент отражения. Уравнение (1) решено методом суперпозиции функции Грина, предложенным в работе [1].

Рис. 1. Схема образца Структурные деформации и напряжения. Прирост изотропных деформаций в зависимости от температуры и вида фазовых превращений определяется в соответствии с формулой [2,3]:

dε TPh = ∑ ii ==15α iη i dT − sgn (dT )∑ jj ==15ε Ph j dη j

(4)

где: i = А, Б, Ф, М и П, α i = α i (T ) – коэффициенты линейной дилатации соответственно

Ph аустенита, бейнита, феррита, мартенсита и перлита; ε Ph j = ε j (T ) – изотропные

деформации от фазовых превращений соответственно исходных структур в аустенит а также фазовых превращений аустенита в феррит, перлит, бейнит и мартенсит, (sgn( • )) является функцией знака. Значения коэффициентов термической и фазовой дилатации определены експериментально [3].

Напряжения во время лазерной сварки рассчитивали, путем решения уравненй равновесия выраженных в скоростях, принимая во внимание зависимость теплофизических коэффициентов от температуры и фазового состава в очередных приростах нагрузки. Формулы закона Гука выраженные в скоростях, имеют вид:   ε e , ε e = ε − ε p − εTPh − ε tp (5) σ = E  ε e + E e где: Е – тензор постоянных материала, ε – тензор упругой деформации, ε – тензор суммарной деформации, εp – тензор пластической деформации, εTph – тензор термических деформаций и возникающих в результате фазовых превращений (εTPh=εT+εPh), εtp – тензор трансформационных деформаций (transformation plasticity). Модуль Юнга и касательный модуль зависят от температуры, а предел текучести – от температуры и фазового состава: 5

E = E (T ), E t = E t (T ), Yo = ∑ Yi (T )ηi , i =1

(6)

где Y 0 – предел текучести материала, зависимый от температуры и фазового состава. Пластическая деформация определяется с помощью модели неизотермического пластического течения с изотропным упрочнением [2,3,5], а закон пластического течения - с условием пластичности Губера-Мизеса На основе моделей [2,4], принимаем, что эффективная трансформационная деформация равна: tp ε ef = Kσ ef (2 − η M )η M

(7)

где K=5.2×10–5 MPa–1 явлается эмпирической постоянной, б ef – эффективное напряжение. Составные тензора трансформационной деформации равны [4]:

(8) e tp = 3KS(1 − η M )η M где S – девиатор тензора напряжения. Задача, решённая методом конечных элементов, дополняется уравнением равновесия с соответствующими граничными условиями, а также с начальными условиями: (9) σ (x, t0 ) = 0, σ (x, Tcr ) = 0, ε(x, t0 ) = 0, ε(x, Tcr ) = 0

где:T cr – температура, ниже которой возникают напряжения в зоне сплавления. Пример расчётов. Результаты численного исследования температурного поля, фазовых превращений и напряжений представлены для образца с размерами 100×20×5 мм. В расчётах принято два источника тепла с мощностями Q 1 =2.2, Q 2 =4.8 [кВт] и диаметрами лучей 5 и 2 мм, которые перемещаются со скоростью 75 м/час. Термофизические параметры принимаем для стали S355J2G3 [6] (мас. %: 0.19 С; 1.05 Mn; 0.20 Si; 0.08Cr; 0.11 Ni; 0.003V; 0.006 Al), T cr =1700 К, модули Юнга и касательный равны: E(T 0 )=2.0⋅105, E(T cr )=10 MPa, E t (T)=0.1⋅E(T). Пределы текучести для образующихся структур Y 0 (T 0 ,η k ) имеют значения [2,3]: 200, 600, 320, 1200 и 320 MПa соответственно для аустенита, бейнита, феррита, мартенсита и перлита, а для Y 0 (T cr ,,η k )=5 MПa. В интервале температур [T0 , Tcr ] эти параметры апроксимированы параболическими функциями. Распределение температуры [К] на верхней поверхности образца и в его продольной сечении, в плоскости действия источников тепла представлены на рис. 2. 100

Результаты расчета фазого состояния и распределения остаточных напряжений в слоях верхней и нижней поверхности образца (точки 1 и 2, см. рис. 1) рпиведены на рис. 3 и 4. Напряжения σ 11 и σ 22 являются высокими растягивающими, и кроме того, напряжения (σ 22 ) выступают в приповерхностных слоях металла (рис. 4).

Рис. 2. Распределение температуры в плоскости действия источников тепла

Рис. 3. Массовая доля фаз в приповерхностных слоях образца

Рис. 4. Распределение остаточных напряжений в приповерхностных слоях образца

Список литературы: 1. Liu Y., N., Kannatey-Asibu E., Laser beam welding with simultaneous gaussian preheating: Journal of Heat Transfer, 1993, 115, 2, 34с. 2. Bokota A., Piekarska W. Моделирование остаточных напряжений при лазерной сварке: Автомат. Сварка, 6, 2008, 25с. 3. Piekarska W. Numerical analysis of thermomechanical phenomena during laser welding process. The temperature fields, phase transformations and stresses (in Polish). Issued by Wydawnictwo Politechniki Częstochowskiej, Monograph Series, No. 135, 2007, pp. 1-157 4. Denis S., Gutier E., Simon A., Beck G. Stress-phase-transformation interactions – basic principles, modelling and calculation of internal stresses: Material Science and Technology, 1, 1985, 805c. 5. Fletcher A.J. Thermal Stress and Strain Generation in Heat Treatment: Elsevier, London 1989. 6. Brózda J., Pilarczyk J., Zeman M. Spawalnicze wykresy przemian austenitu CTPc-S, wyd. Śląsk, Katowice 1983

101

ЯКІСТЬ СІЛЬСЬКОГОСПОДАРСЬКОЇ ПРОДУКЦІЇ І РЕСУРС СКЛАДНОЇ СІЛЬСЬКОГОСПОДАРСЬКОЇ ТЕХНІКИ Болдар Л.Н. ( ЛНАУ, м. Луганськ, Україна) The new concept of prolongation of life cycle of complex agricultural machinery on the basis of which high efficiency of an agricultural production can be reached is formulated and quality of domestic agricultural production is kept. Суть проблеми. Останнім часом, якість вітчизняної сільськогосподарської техніки, у порівнянні з кращими світовими зразками, суттєво знизилася. Однак, не зважаючи на це, сільськогосподарська продукція ще не втратила конкурентноздатності [1]. Таке співвідношення стало можливим через те, що якість техніки і якість продукції, в значній мірі, залежить від дії протилежних факторів - держави і природних умов. Однак, при розбалансованості сприйняття суті проблеми з боку держави, сьогоднішня порівняно висока якість с/г продукції, може бути швидко втрачена. Наприклад, так сталося в часи світової економічної кризи 70-х років. Тоді, як і зараз, ситуація була пов’язана з не ефективним використанням людських і природних ресурсів, які в непомірній кількості залучалися для одержання продукції. На теренах бувшого СРСР, ця проблема віддзеркалилася лише еврістично - вирішення задач поліпшення якості продукції було зведене до її атестації на відповідність «знаку якості». З одного боку, він символізував устремління суспільства «вгору» - до кращої якості, а з другого боку, показував, що основа якості закладається «внизу». Однак, такий, у цілому правильний підхід, не був реалізованим на практиці. Обґрунтування нової концепції. На думку багатьох дослідників історії розвитку науки і техніки, це сталося тому, що при розробці підходів до розв’язання ключових проблем, за умов переломних або кризових ситуацій, у слов’ян переважає не логістичний, а еврістичний підхід, який швидко оформляється символічно у вигляді досить вдалих визначень, термінів і схем [2,3], але, з ряду відомих причин, не реалізується у житті. Зважаючи на це, ми спробуємо сформулювати задачі для вирішення згаданих вище проблем, як «мовою» геометра і інженера, так і з урахуванням основ логістики. Так, при аналізі системи взаємозв’язків між основними чинниками, які визначають якість і конкурентноздатність продукції, досить часто[4], розглядається трикутник, на вістрі якого розміщується головний чинник - «держава», а в основі головний вsдгук, наприклад, «товар» (рис. 1а).

Рис. 1. Системи взаємозв’язків основних чинників, що визначають конкурентноздатність продукції (а), якість с/г техніки (б) та ефективність с/г виробництва(в)

102

На сьогодні, в нашій країні склалося так, що сільськогосподарська продукція розмістилася не в основі цього трикутника, а на вершині. Через це, а також за відсутністю інших дієвих (конкурентноздатних) форм власності, у схемі державної технічної політики спостерігається значна розбалансованість. Наприклад, замість консолідуючої дії (див. рис. 1б), держава повністю перебрала на себе право виробника розпоряджатися отриманою сільськогосподарською продукцією (до речі, як і продукцією рудної та металургійної промисловості). В результаті, продукція, без суттєвих зобов`язань перед виробниками, викидається державою на світовий ринок (див. рис. 1в) і реалізується там за безцінь. При цьому, державою організовується надходження до України складної і «наукоємної» (лише для нас) закордонної сільськогосподарської техніки. У зв’язку з цим, на Україні не тільки не створюються сучасні комп’ютерні логістичні системи керування якістю продукції, наприклад, подібні до CALS технологій, побудованих на принципах трьох «S» і не розвивається креатика (наука про створення продукту), а навіть розпалася спрощена схема взаємозв’язків (див. рис.1б) між основними чинниками (рис. 2а).

Рис. 2. Схеми забезпечення якості складної с/г техніки: а) діюча; б) за умов нової концепції; ТС - технічний сервіс; ТТВ - триботехнічне відновлення; Д - діагностування і розбирання; В - відновлення; ШЗ - швидкість зношування; К-Д - контроль і дефектація; К - комплектування; ВЕФХД - взаємне елекрофізикохімічне доведення; ВР - відновлювальний ремонт На схемі показано, що між складовими, які забезпечують якість техніки і продукції зовсім немає зв’язку: технічним обслуговуванням і ремонтом, або технічним сервісом техніки не подовжується її ресурс, наука і випробування техніки не впливають на її використання, а навчання взагалі покинуте «на призволяще». На жаль, ця відсутність зв’язків прослідковується і у законодавчих актах [5].

103

На сьогодні, «рівновага» умовних терезів якості у АПК (див. рис. 1в), підтримується не державою, а за рахунок використання значного відсотка закордонної техніки. Разом з тим, техніка, що закуповується на вторинному ринку, на Україні не обслуговується її виробником. Нова техніка, після впровадження її у вітчизняне сільськогосподарське виробництво, обслуговується і ремонтується за кошти користувача лише на протязі 3-х років. У подальшому, користувач залишається «сам на сам» із цією слабко адаптованою до вітчизняних умов і не досить надійною, але складною сільськогосподарською технікою. Досвід її використання показує, що ремонт і обслуговування, після 5 - 7 років експлуатації, потребує значних витрат. Суть концепції. За цих умов, пропонується забезпечувати післягарантійний життєвий цикл закордонної і вітчизняної сільськогосподарської техніки, за рахунок використання технологій триботехнічного відновлення (див. рис. 2б). Необхідність, час і об’єм відновлювальних ремонтів слід визначати за діагностичними ознаками. Зважаючи на те, що більшість складної мобільної сільськогосподарської техніки обладнується двигунами внутрішнього згоряння (ДВЗ), про необхідність реионтів можна вести мову лише після визначення швидкості зношування деталей основних груп ДВЗ. Відгуками зношування слід приймати техніко-економічні показники двигунів, стан картерної оливи, склад вихлопних газів, витрати оливи і палива і т. ін. Під час відновлювальних ремонтів пропонується застосовувати технологію взаємного електрофізикохімічного доведення (ВЕФХД) найбільш швидкозношуваних деталей ЦПГ і КШМ [6]. За цією технологією, після діагностування двигунів, проводиться їх розбирання та визначення залишкового ресурсу деталей і спряжень. Зношені, більш ніж на 50 % деталі, замінюються новими, або відновленими деталями, які комплектуються у групи за визначеними під час контролю і дефектування, ознаками. В залежності від цих ознак початкової якості деталей, призначаються режими ВЕФХД та проводиться скорочена стендова обкатка двигунів. У подальшому, обкатка двигунів перед експлуатацією не передбачається. Виробничі і експлуатаційні випробування відремонтованих таким чином двигунів показали, що ресурс складної вітчизняної сільськогосподарської техніки суттєво подовжується. Список літератури: 1. Шпичак О.М. Економічні проблеми АПК України при входженні в СОТ / Наук. вісник Національного аграрного університету. - К., 2008. Вип. 119. - С. 12-19. 2. Стандартизация. Термины и их определения. Ч.1. / Составитель А.И. Остапчук, 12.11.2005 [Электронный ресурс] http://www.guality.eup.ru STANDART/ tepmin1.htm. 3. Россию называют «Домом интеллектуальной моды мира». 8.12.2008 // Нанотехнологии [Электронный ресурс] www.bfm.ru. 4. Костюченко Е.А., Бичанин В.В. Конкурентные преимущества инновационного производства / Сб. трудов XIV Международн. н-тех. конф. «Машиностроение и техносфера XXI века» в г. Севастополе 15-20 сентября 2008 г. В 4 томах. - Донецк: ДонНТУ, 2008. - Т. 2.- С.131137. 5. Закон України «Про систему інженерно-технічного забезпечення України» // Офіційний вісник України, № 22, 2009 [Електронний ресурс] www.gdo.rsev.ua / fieles / db.php?st=28678drgod=2006. 6. Болдар Л.Н. Механізм електрофізико-хімічного доведення і структурної адаптації матеріалів Д.В.З. / Сб. докл. Харьковской нанотехнологической ассамблеи. Том.1. Нанотехнологии. – Харьков: ННЦ ХФТИ, 2008. – С.173 – 177.

104

ДИНАМИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ОЦЕНКИ НАДЕЖНОСТИ МЕТАЛЛОКОНСТРУКЦИЙ Болдырева О.Н., Звягинцева А.В., Федянин В.И. (ВГТУ, г.Воронеж, Россия) The quantity of refusals of designs increases at increase in duration of their operation. The dynamic model of an estimation of reliability which defines probability of refusals of hitech metal designs is developed. Methods of mathematical modelling do not contradict expected values of probability of refusals for elements of building designs Теоретические исследования динамической оценки надежности конструкции выполнены В.В. Болотиным [1], А.Р. Ржаницыным [2], А. А. Червоным, В.И. Лукьященко, Л.В. Котиным [3], К. Капуром и Л. Ламберсоном [4] Вероятности отказа с учетом времени эксплуатации рассчитаны: по формуле В.В. Болотина

 2   [µ R ( t ) − µ σ ( t )]  ωσ Q( t ) = ∑ ∫ dτ × exp− 2 2 2 2π k =10 ∆2 ( t ) + ∆2 ( t )   σ R  2 ∆ σ (t) − ∆ R (t)  m t

∆ σ (t)

[

]

(1)

где σ(t) — напряжения, действующие на k-й расчетный элемент конструкции; R[t) удельная прочность; μ Λ (t) и D[R(t)]≡∆2 R (t) математическое ожидание и дисперсия удельной прочности; μ 0 (t) и D[σ(t)]≡Δ2 σ (t) – математическое ожидание и дисперсия напряжения; ω α — коэффициент вариации нагрузки; по формуле А. Р. Ржаницына 2 2 2   [ ξ( t ) − 1]2  t B R ( t )ξ ( t ) − B σ ( t )  × Q( t ) = exp , 2 2 2 2 2 2 2 π 2 A R ( t )ξ ( t ) − A σ ( t ) 2 A ( t )ξ ( t ) − A ( t )   σ R 

[

где

BR2 (t ) =

D′′[ R(0)]

µ R2 (t )

Bσ2 (t ) =

D′′[σ (0)]

µσ2 (t )

]

AR2 (t ) =

D[ R(t )]

µ R2 (t )

Aσ2 (t ) =

(2)

D[σ (t )]

µσ2 (t )

-параметры, характеризующие изменчивость процессов R(t) и σ(t) во времени; µ (t ) ξ (t ) = R - коэффициент запаса; µ σ (t ) по формуле А.А.Червоного, В.И.Лукьященко, Л.В.Котина µυ 2   − 2   t ∆υ Q(t ) = 1 − exp− e 2 ∆υ (t ) ,  2π ∆ u (t )   

где ∆ υ – стандарт случайного процесса υ(t); υ (t ) =

u (t + dt ) − u (t ) dt

(3) - скорость изменения

вероятностных характеристик во времени; u(t)=R(t)-σ(t); R(t) – удельная прочность элемента конструкции; σ(t) – напряжения; μ u (t) и ∆ u (t) – математическое ожидание и стандарт u(t); 105

по формуле К.Капура, Л.Ламберсона Q(t)=1-[exp-αt(1-H)]

(4)

где α – среднее число циклов за единицу времени; H – вероятность безотказной работы при одном цикле нагружения. Анализ и сравнение выполнены на примере расчетов конкретного конструктивного элемента с реальными известными из практики функциями распределения удельной прочности[5]. Параметра статистического распределения удельной прочности, приняты по данным исследований механических свойств строительных сталей из работ [5] и приведены в табл. 1. Таблица 1 Источник Математическое Стандарт, информации ожидание,μ R (0), МПа ∆ R (0), МПа Р.Г.Ароне, 274,7 24,5 М.Р.Урицкий [5] А.А.Ойхер[6] 295,9 24,5 В.С.Яковлева[7] 257,1 18,7 С использованием формул (1)-(4) рассчитаны вероятности отказов конструктивного элемента. На рис.1 показано изменение абсолютного значения вероятности отказа Q(t) главной балки от продолжительности эксплуатации для различных динамических моделей с учетом распределения предела текучести стали по данным работы[5].

Рис.1. Изменение абсолютного значения вероятности отказа Q(t) для моделей (а) [1-3] и (б) [4] с учетом статистических данных работы Р.Г.Ароне, М.Р.Урицкого [5] Рассмотрим методику расчета вероятности отказа конструктивного элемента, основанную на статистическом моделировании процесса его нагружения. Использовав генератор случайных чисел, получим две группы по N случайных чисел σ j и R j . Пусть 106

первая группа подчиняется распределению напряжения плотностью φ(σ), а вторая – распределению удельной прочности с плотностью φ(R). Сравнивая попарно σ j и R j , определяем число случаев n н превышения напряжением σ j удельной прочности R j , т.е. число отказов конструктивного элемента. При этом частота отказов Qi =

nН N

(5)

Докажем, что для непрерывных распределений, т.е. при N→∞, выражение (5) аналогично классической формуле расчета вероятности отказов[2]. При j сравнении случайных чисел σ и R вероятность того, что прочность R превышает значение σ, будет равна ∞

P( R j > σ j ) =

∫σ ϕ ( R)dR

(6)

Вероятность того, что прочность R j превышает случайную совокупность напряжений, находящихся в интервале dσ, имеющих плотность распределения φ y (σ), будет равна ∞

∫

Pj = ϕ y (σ )dσ ϕ y ( R)dR

(7)

σj

Надежность конструктивного элемента определяется как сумма вероятностей превышения прочности R j напряжения σ j для совокупности N→∞ N

H =

∑ ϕ (σ 1

∞

0 ) dσ

∞

∫σ ϕ ( R)dR = ∫ ϕ (σ )dσ σ∫ ϕ ( R)dR −∞

(8) а вероятность отказа Q=1-H. Таким образом, аналогичность выражения (5) классической формуле расчета вероятности отказов [2] при N→∞ доказана. Расчет частоты отказов конструктивного элемента методом статистического моделирования. 1. Определение расчетного числа нагружений элемента конструкции за расчетное время эксплуатации N(t). 2. Определение параметров статистического распределения нагрузки σ и прочности R: σ j ~σ(μ σ, ∆ σ ); R j ~ R(μ R , ∆ R ), где μ σ, ∆ σ и μ R , ∆ R – математическое ожидание и стандарт соответственно нагрузки и прочности. 3. Получение по известным параметрам статистического распределения нагрузки и прочности с помощью генератора случайных чисел случайных реализаций соответственно нагрузки (σ 1 ,…,σ j ,…,σ N ); прочности (R 1 ,…,R j ,…,R N ). 4. Попарное сравнение значений случайных реализаций нагрузки и прочности из общего числа испытаний: σ 1 и R 1 ; σ j и R j ; σ N и R N . 5. Определение числа случаев превышения нагрузкой прочности из общего числа испытаний (числа отказов) n j =σ j >R N . 6. Оценка надежности (вероятности отказа) конструктивного элемента за расчетное время эксплуатации по отношению числа отказов к общему числу реализаций:

107

nj ~ ~ ~ ; n j +1 ≥ n j ; Q j +1 (t ) ≥ Q j (t ) Q j (t ) = N (t )

По результатам выполненных расчетов вероятности отказов по формулам (1)-(4) и методу статистического моделирования можно сделать следующие выводы. Формулы, предложенные В.В.Болотиным, А.Р.Ржаницыным, А.А.Червоным, В.И.Лукьященко, Л.В.Котиным, дают результаты, в целом не противоречащие ожидаемым значениям вероятности отказов для элементов строительных конструкций. Однако разброс результатов для одинаковых исходных данных значительный. Интенсивность отказов конструкций возрастает при увеличении продолжительности эксплуатации для математических моделей, рассчитанных по формулам, приведенных в работах [1-3]. Динамическая модель оценки надежности методом статистического моделирования удовлетворительно описывает вероятность отказов высоконадежных конструкций. Список литературы: 1. Болотин В.В. Методы теории вероятностей и теории надежности в расчетах сооружений.- 2-е изд., перераб. и доп.- М.:Стройиздат, 1981.351с. 2. Ржаницин А.Р. Теория расчета строительных конструкций на надежность.М.:Стройиздат, 1978.- 239с. 3. Червонный А.А., Лукьященко В.И., Котин Л.В. Надежность сложных систем. - М.: Машиностроение, 1976.- 288с. 4. Капур К., Ламберсон Л. Надежность и проектирование систем. – М.: Мир, 1980.- 604с. 5. Ароне Р.Г., Урицкий М.Р. Вероятностная оценка обеспеченности нормативных сопротивлений в строительных сталях. – Вильнюс .1968. ПЛАНИРОВАНИЕ ПРОВЕДЕНИЯ ДОРОЖНЫХ РАБОТ ПУТЕМ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧИ О "РАНЦЕ" Броварный Д.П. (Калининградский Государственный Технический Университет, г.Калининград, Россия) Задан определенный объем ресурсов, используемый в ходе задействования средств восстановления дорожной сети. Требуется найти такой состав средств восстановления, который не превысит задействованный объем ресурсов эксплуатирующей организации, при этом суммарная полезность состава дорожной техники должна быть максимальна. Пусть j = 1,2,...,M - номера механизмов восстановления d j , где M – общее количество механизмов восстановления дорожной сети; g j - эффективность механизма восстановления с номером j, j= 1,…,M. Эффективность каждого механизма восстановления определяется через "стоимости" покрываемых уязвимостей дорожной сети. p j - стоимость механизма восстановления с номером j, j= 1,…,M. Стоимость определена в смысле вида используемых на данный механизм ресурсов. Величина P – суммарный объем ресурсов (материальных, временных, людских, выделяемых на решение задачи восстановления). Обозначим через X – M-мерный вектор, элементы которого x j = 1, если механизм восстановления с номером j будет включен в искомый состав средств восстановления дорожной сети и x j = 0, если механизм восстановления с номером j не будет включен в состав средств восстановления. Ограничения математической модели:

108

 M  ∑ p j x j ≤ P,  j =1    x j ∈ {0,1}, j = 1, M M

Критерий оптимальности для задачи о “ранце” имеет вид: F ( X ) = ∑ g j x j → max . j =1

Ограничения связаны с допустимым объемом ресурсов эксплуатирующей организации, выделяемым для обеспечения восстановительных мероприятий. Критерий связан с максимизацией суммарной эффективности выбранных средств восстановления дорожной сети. Определить состав средств восстановления при наличии ограничений, в соответствии с заданным критерием. Если в канонической задаче о "ранце" вместо скалярного стоимостного параметра p j , j= 1,…,M использовать векторный p jk , k=1,…,U, где U – количество видов ресурсов, то ограничения математической модели будут иметь вид: M ∑ p jk x j ≤ P k , k = 1, U ,  j =1    x j ∈ {0,1}, j = 1, M Например: P 1 – ограничение на численность задействованных специалистов, P 2 ограничение на объем материальных затрат, связанных с приобретением и использованием средств восстановления дорожной сети, P 3 – временные ограничения связанные с покрытием расстояний к месту реализации уязвимостей и т.д. В данной постановке задача синтеза оптимального состава механизмов восстановления становится многомерной задачей о "ранце", а P k – вместимость "ранца" по j-й характеристике. Алгоритм синтеза оптимального состава средств восстановления дорожных сетей в аппаратном нейросетевом базисе позволяет избежать комбинаторных "проблем" при планировании задействований единиц техники в масштабах города и области. РЕЖИМЫ РАБОТЫ РОТОРА ТУРБОАГРЕГАТА ПРИ ЕГО ВНЕЗАПНОЙ РАЗБАЛАНСИРОВКИ Булахтин К.В., Самсонов Ю.П. (Московский энергетический институт (Технический университет), г. Москва, Россия) In case a turbine rotor gets suddenly un balanced, it may touch or impact the stator, bearings or components. The article contains the analysis of the following sceneries: rotor motion under an impact, displacement with and without sliding against the stator/ Колебания роторов турбоагрегатов (и других машин) при стационарных режимах изучены всесторонне [1, 2]. В последнее время привлечено внимание к расчету режимов колебаний роторов, связанных с возможными контактами их с элементами статора в подшипниках, уплотнениях и других местах при внезапной разбалансировке ротора. Описано несколько катастроф, связанных с разрушением роторов, всего

109

турбоагрегатов и всего здания. И одной из причин подобных событий является так называемый обкат ротора по элементам статора. Это явление не новое [3,4]. В настоящей работе рассмотрены возможные режимы движения ротора с одним диском: бесконтактное движение, движение с ударами о статорные элементы и отскоками, обкат ротора по статору с проскальзыванием и без проскальзывания. Получены уравнения движения ротора, в которых присутствуют члены, учитывающие наличие дисбаланса допустимого техническими условиями, и члены, приводящие к внезапной разбалансировки ротора в произвольный момент времени. Учтено влияние собственного веса ротора. При ударном соприкосновении статор может рассматриваться как абсолютно жестким и обладающим упругостью. Весь турбоагрегат расположен на амортизирующем подвесе в транспортной конструкции, которая подвергается нестационарным кинематическим воздействиям Получены предварительные результаты расчетов, позволяющие выявить устойчивые или неустойчивые режимы движений ротора при заданных параметрах системы. Например, оценить время, за которое возрастание скорости обращения ротора при обкате достигнет значений , при которых возможное его разрушения. Список литературы: 1. Диментберг Ф.М. Изгибные колебания вращающихся валов.-М., Изд-во АН СССР, 1959. 2. Тондл А. Динамика роторов турбоагрегатов. –Л., Энергия, 1971. 3. Денисов Г.Г., Неймарк Ю.И., Сандалов В.М., Цветков Ю.В. Об обкате ротора по жесткому подшипнику. –М., МТТ, 1973, №6.-с.4-13. 4. Олимпиев В.И. Об обкатке неуравновешенного гибкого ротора по статору. –М., Машиностроение. 1976, № 1.- с.52-56. 5. Самсонов Ю.П., Шатохин И.Ф. Явление обкатки вращающегося вала при контакте с элементами статора. -Материалы 14 международного симпозиума «Динамические и технологические проблемы механики конструкций и сплошных сред». (Ярополец, 18-22.02.08). –М.: Изд-во МАИ, 2008 ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МАРШРУТИЗАЦИИ ИЗДЕЛИЙ ДЛЯ УМЕНЬШЕНИЯ КОНСТРУКТИВНОЙ СЛОЖНОСТИ МНОГОНОМЕНКЛАТУРНЫХ РОТОРНЫХ МАШИН Буленков Е. А., Михайлов А. Н. (ДонНТУ, г. Донецк, Украина) The method of development of rational technological processes of making of wares is described in this article. The ways of diminishing of structural complication of multitop-level rotor machines are described here. Имеющееся в настоящее время на украинских машиностроительных предприятиях оборудование не позволяет конкурировать с ведущими западными предприятиями, ввиду его низкой производительности и низкого уровня автоматизации производственных процессов. Решением данной проблемы может стать внедрение новых высокопроизводительных технических систем, обеспечивающих получение требуемой прибыли в кратчайшие сроки и не требующих для своего изготовления больших материальных затрат. Такими системами могут стать многономенклатурные роторные машины и линии. Целью выполнения данной работы является уменьшение конструктивной сложности многономенклатурных роторных машин за счет разработки рационального технологического процесса изготовления изделий с использованием теории маршрутизации.

110

Рассмотрим обработку в многономенклатурной роторной машине на примере изготовления стержневых крепежных изделий – винтов. Технологический процесс изготовления этих изделий включает в себя операции по отрезке, формированию головки, получению поверхности под резьбу, накатыванию резьбы. При этом очевидно, что винты одного диаметра могут отличаться либо формой головки, либо длиной, т.е. в одной позиции многономенклатурной роторной машины может производиться, например, формообразование головок винтов одного диаметра, но различной длины, или накатывание резьбы одного диаметра на винты с различными головками. Использование этого свойства позволило существенно уменьшить количество инструментов и упростить конструкцию данных машин. В ходе выполнения работы, на основании многомерной алгебры групп [1] были разработаны теоретические положения, позволяющие использовать маршрутизацию изделий в многономенклатурных роторных линиях для разработки рациональных технологических процессов их изготовления. Применение разработанных теоретических положений позволило сгруппировать для обработки в одной рабочей позиции изделия, имеющие общие признаки, - одинаковую форму головки, одинаковый диаметр, одинаковую длину резьбы и т.п., тем самым уменьшив количество необходимых инструментов. Разработанная методика структурного синтеза многономенклатурных роторных машин позволила уменьшить их конструктивную сложность за счет объединения механизмов, выполняющих схожие функции по преобразованию различных изделий, в отдельные преобразующие механизмы, и унификации оставшихся частей машины. Таким образом, разработка рационального технологического процесса изготовления изделий с использованием теории маршрутизации изделий позволила на стадии разработки технологического процесса учесть конструктивные особенности проектируемой линии. Спроектированные на основании таких технологических процессов многономенклатурные роторные линии будут дешевле своих аналогов за счет уменьшения количества требуемого инструмента и унификации конструкций многономенклатурных роторных машин. Список литературы: 1. Михайлов А. Н. Основы синтеза поточнопространственных технологических систем непрерывного действия.- Донецк: ДонНТУ, 2002.- 379. САМОСТОЯТЕЛЬНАЯ РАБОТА СТУДЕНТОВ ВО ВРЕМЯ АУДИТОРНЫХ ЗАНЯТИЙ Буленков Е. А., Михайлов А. Н. (ДонНТУ, г. Донецк, Украина) The method of teaching of computer disciplines for engineers is described in this article. Современные студенты, сформировавшиеся как личности в эпоху бума информационных технологий, оказались невосприимчивы к методам преподавания, которые десятилетиями вырабатывались в высшей школе. Эта невосприимчивость проявляется в том, что объем получаемой студентами во время занятий информации намного меньше того объема, который они привыкли ежедневно и ежесекундно усваивать из окружающей среды. Имеющаяся на сегодняшний день структура образовательного процесса в высшей школе, основанная на групповых занятиях, к сожалению, не позволяет применить индивидуальный подход к каждому студенту. В результате этого снижается мотивация и интерес к учебным занятиям, что негативно сказывается на уровне знаний

111

студентов. Целью выполненной работы было обеспечить требуемый уровень владения студентами компьютерной программой за счет акцентирования учебного процесса на индивидуальной работе студента. В ходе изучения учебной дисциплины «САПР технологических процессов» для студентов 5-го курса предусмотрены лабораторные работы, которые они должны выполнять в компьютерном классе. Лабораторные работы посвящены изучению программы ТехноПРО. Традиционно, занятия строились следующим образом, - студентам в начале каждого занятия объяснялось что они должны сделать в течение этого занятия и рассказывалась методика выполнения работы. Кроме этого, у студентов имелись методические указания, где эта информация была продублирована. Такая методика была рассчитана на полное усвоение всеми студентами данной программы. Однако в последние годы эта методика перестала давать ожидаемый результат: студенты, хорошо владеющее компьютером, выполняли поставленную задачу в течение 15-20 минут, в то время как у их менее подготовленных коллег на решение этой же проблемы уходило все занятие. В результате более грамотные студенты стали прогуливать аудиторные занятия, и уровень их знаний понизился до среднего по группе. Для достижения поставленной цели были предприняты некоторые коррективы. Вместо традиционной «вводной» перед каждым занятием, студентам на самой первой паре в семестре были подробно описаны принципы построения изучаемой САПР, ее особенности, и показаны основные приемы работы с программой на уровне «как создать файл», «как создать новый технологический процесс», «как создать новую операцию». В конце первого занятия студентам были выданы задания на все лабораторные работы, которые нужно выполнить в течение семестра и объявлено, что данную программу они будут изучать самостоятельно, учась при этом не только работать с данной конкретной САПР, но и учиться вообще самостоятельно осваивать различные программы. В течение дальнейших лабораторных работ преподаватель выступал исключительно в роли консультанта, отвечая на вопросы студентов по изучаемой программе. В результате внедрения данной методики группа условно разделилась на 3 части. Первая часть – это студенты, усвоившие программу практически без участия преподавателя за 1-2 недели. Вторая часть – усвоившие программу за 1-2 месяца с помощью преподавателя и третья часть – те, которым на выполнение всех лабораторных работ понадобился целый семестр. При этом, выполнившие все задания имели возможность использовать изученную САПР при выполнении курсовых и лабораторных работ по другим дисциплинам, а преподаватель мог сконцентрировать внимание на отстающих студентах. НАНОТРИБОЛОГИЯ, ЕЕ МЕСТО В НАУКЕ И ТЕХНИКЕ Бутенко В.И. (ТТИ ЮФУ, г. Таганрог, Россия) Свое начало наука о трении и износе – трибология – берет с незапамятных времен [1 – 3]. Известно, что трение, возникающее между двумя соприкасающимися поверхностями деталей, учитывали в своих разработках древнегреческие и древнеримские ученые и мастера, египетские строители и персидские корабелы. С тех пор в трибологии произошел серьезный пересмотр взглядов на процессы изнашивания деталей машин и из прикладной она превратилась в ведущую теоретикоэкспериментальную науку. В последние десятилетия прошедшего и в начале

112

настоящего веков в связи с бурным развитием техники и технологии в машиностроении сформировалось новое и весьма перспективное направление, связанное с созданием наноматериалов и нанотехнологий. Безусловно, это направление не могло не отразиться в трибологии, которая тесно связана с материаловедением, химией, термодинамикой, технологией машиностроения, физикой твердого тела, теорией прочности и другими науками. Возник естественный интерес к углубленному изучению процессов, происходящих в зоне контакта взаимодействующих материалов при трении. В результате было установлено, что взаимодействие твердых тел (металлов, сплавов) при трении выражается совокупностью тесно связанных между собой явлений, протекающих на атомно-молекулярном уровне и связанных как с изменением состояния электронно-дислокационной структуры контактируемых материалов, их фазово-энергетических состояний, так и возникновением новых кластерных наноструктурных образований, играющих определяющую роль в процессах трения и износа [4 – 6]. Развитие современной техники и технологии характеризуется созданием новых материалов с особыми свойствами, резким повышением рабочих параметров машин, механизмов и конструкций, заметным увеличением воздействий внешних сред и факторов, интенсификацией технологических процессов, связанных с ужесточением температурно-силовых режимов обработки деталей. В этих условиях возникает острая потребность в выявлении и практическом использовании закономерностей изменения физико-механических свойств материалов и их поведения под действием различных факторов, особенно при взаимном контактировании деталей. Нанотрибология – базовый раздел трибологии, изучающий физические процессы формирования и поведения кластерных наноструктурных слоев в зоне контакта взаимодействующих материалов при их трении и резании, которые определяют износ деталей трибосистем. На рис. 1 в общем виде приведена схема взаимосвязи современных базовых разделов трибологии и места в ней нанотрибологии. Опираясь на достижения таких фундаментальных наук, как физика твердого тела, теория дислокаций, квантовая механика, термодинамики (рис. 2), нанотрибология должна существенным образом изменить сегодняшние представления о процессах резания материалов, возможностях управления их прочностными характеристиками, построении технологических процессов, создании новых конструкционных материалов и т.д. [4, 7 – 9]. Дальнейшее развитие электронно-дислокационной теории контактного взаимодействия поверхностей твердых тел, расширение областей ее практического применения как в технологических процессах изготовления деталей, так и создания эффективных условий для их эксплуатации является вполне закономерным процессом, обусловленным современной тенденцией непрерывного повышения качества изделий машиностроения. Уже сегодня в машиностроении особенно остро стоит проблема многократного увеличения надежности машин. Решение этой проблемы, как и многих других, станет возможным в результате глубокого изучения и всестороннего использования положений электронно-дислокационной теории контактного взаимодействия материалов поверхностей твердых тел и особенностей формирования и поведения кластерных наноструктур в зонах контакта. Можно с уверенностью констатировать, что новый подход к процессам контактного взаимодействия материалов при трении и резании будет востребован в самое ближайшее время при активном развитии нанотехнологий и широком использовании наноматериалов во всех отраслях машиностроения.

113

Теория внутреннего трения

Теория внешнего трения

Избирательный перенос

Теория граничного трения

ТРИБОЛОГИЯ

НАНОТРИБОЛОГИЯ

Термодинамика

Физика твердого тела

Электрохимия

Кристаллография

Материаловедение

Теория дислокаций

Квантовая механика

Рис. 1. Место нанотрибологии среди основных разделов трибологии

НАНОТРИБОЛОГИЯ

Эксплуатационное

Технологическое

Материаловедческое

Управление процессами Конструктивное

Термическая обработка

Упрочнение

Шлифование

Обработка материалов

Резание

Усталостная прочность

Коррозионная стойкость

Износостойкость

Надежность

Рис. 2. Связь нанотрибологии с научными направлениями Особенно перспективным представляется использование научных результатов нанотрибологии при проектировании, создании и эксплуатации изделий, работающих в экстремальных условиях [9]. Так, благодаря выполненным исследованиям [4, 5, 8], удалось при минимальных затратах технологическими путями решить ряд вопросов, направленных на повышение износостойкости и коррозионной стойкости материалов поверхностного слоя деталей авиационных и газотурбинных судовых двигателей, изготавливаемых из таких жаропрочных и труднообрабатываемых сплавов, как ХН56ВМКЮ, ХН77ТЮР-ВД, ЖС6У-ВИ и других [9]. Для восстановления направляющих станин металлорежущих станков в условиях ремонтного производства разработано и прошло успешные испытания специальное устройство [4], позволяющее

114

обеспечить трибоэнергетическую приспосабливаемость материала обрабатываемой поверхности детали к материалу сопряженной детали в течение установленного периода эксплуатации. Тем не менее, нанотрибология делает лишь первые шаги на пути глобального решения проблемы повышения износостойкости и надежности изделий машиностроения во всех его областях. Не смотря на достаточно большой объем выполненных исследований по контактному взаимодействию материалов при трении и резании, имеется еще немало «белых» пятен в вопросах формирования кластерных наноструктур на поверхностях контактируемых материалов, их связи с основой и между собой, роли дислокаций и свободных электронов в этих процессах, влияния внешних факторов и среды, химического состава, строения и т.д. Для их освещения требуется проведение весьма «тонких» и «чистых» с точки зрения постановки исследований, осуществление которых пока невозможно из-за отсутствия соответствующих приборов высокой чувствительности и оборудования повышенной точности. К сожалению, еще не создан математический аппарат, достоверно описывающий контактные процессы материалов на уровне нанотрибологии. Совершенно очевидно, что уже сегодня существует острая необходимость введения в учебный процесс подготовки специалистов для машиностроения курсов и разделов, связанных с изучением нанотрибологии. Быстрые темпы развития нанотрибологии должны изменить существующие макроскопические представления о контактном взаимодействии материалов и дать мощный творческий импульс к поиску и созданию новый конструкционных материалов с управляемыми эксплуатационными показателями, а также разработке технологических процессов их обработки. Список литературы: 1. Крагельский И.В. Трение и износ. – М.: Машиностроение, 1968. – 480 с.. 2. Боуден Ф.П., Тейбор Д. Трение и смазка твердых тел./ Пер. с англ. – М.: Машиностроение, 1968. – 343 с. 3. Дерягин Б.В. Что такое трение? – М.: Изд-во АН СССР, 1952. – 69 с. 4. Бутенко В.И. Электроннодислокационная теория контактного взаимодействия поверхностей твердых тел. – Таганрог: Изд-во Технологического института ЮФУ, 2007. – 208 с. 5. Бутенко В.И. Контактное взаимодействие материалов при трении и резании. – Таганрог: Изд-во ТТИ ЮФУ, 2009. – 245 с. 6. Бутенко В.И. Износ деталей трибосистем. – Таганрог: Изд-во ТРТУ, 2002. – 236 с. 7. Бутенко В.И. Высокопрочные и сверхпрочные состояния металлов и сплавов. – Таганрог: Изд-во ТРТУ, 2003. – 219 с. 8. Бутенко В.И. Физикотехнологические основы формирования управляемых структур сталей и сплавов. – Таганрог: Изд-во ТРТУ, 2004. – 264 с. 9. Бутенко В.И. Структура и свойства материалов в экстремальных условиях эксплуатации. – Таганрог: Изд-во Технологического института ЮФУ, 2007. – 264 с. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ УДАРНОЙ ОБРАБОТКИ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ КОРРОЗИОННОЙ СТОЙКОСТИ СТАЛИ. Вагапов И.К., Ганиев М.М., Шестаков С.Д. (КГТУ-КАИ, г. Казань, Россия, НПФ «Нартекс», г. Вологда, Россия) Application of shock processing of a corroded steel part surface by impact tool is considered. It is estimated that surface hardening reduces corrosion penetration speed. The

115

results of investigations can bt useful for repair work in general engineering and aircraft engineering. Ультразвуковая ударная обработка (УУО) бойковым инструментом применяется для снижения остаточных напряжений и деформаций сварных соединений в машиностроении, в том числе и в авиастроении [1-3]. Применение свободного цилиндрического бойка, установленного между торцем концентратора ультразвукового вибратора и обрабатываемой поверхностью, на 90-95% снижает остаточные сварочные напряжения и полностью устраняет остаточные деформации при обработке тонколистовой высокопрочной стали [1]. Применение многобойкового виброударного ультразвукового инструмента позволяет значительно повысить производительность процесса обработки [2-4]. При УУО многобойковым инструментом наряду с пластическим деформированием поверхности происходит возбуждение упругих колебаний в обрабатываемой заготовке, приводящее к снижению предела текучести материала [2]. Изучение свойств поверхностного слоя стальных деталей после УУО бойковым инструментом позволило сделать предположение о возможности повышения его коррозионной стойкости. В предлагаемой статье приводятся результаты экспериментальных исследований влияния УУО на коррозионную устойчивость низколегированной стали 17Г1С, применяемой для изготовления труб газопроводов. Одновременно изучались и некоторые механические свойства обработанной поверхности. Образцы для экспериментов размерами 30×30×2 мм обрабатывались фрезерованием и последующим шлифованием со всех сторон. Сравнивались свойства образцов после следующих видов обработки: 1. Ультразвуковая обработка (УО) ингибитором коррозии №1 с последующей УУО; 2. Ультразвуковая обработка ингибитором коррозии №2 с последующей УУО; 3. УУО; 4. Без обработки (контрольные образцы). В качестве ингибиторов коррозии применялись: №1 – 30% водный раствор соды кальцинированной; №2 – ингибитор коррозии М1 ТУ6-02-1132-88. В растворах ингибиторов коррозии образцы обрабатывались при температуре 50-60 градусов, воздействии ультразвуковых колебаний частотой 22 кГц, удельной мощностью 5Вт/см2 через слой раствора толщиной 3 мм в течении 120 с по каждой стороне. После промывки и сушки образцы подвергались ультразвуковой ударной обработке виброинструментом [3,4] с семибойковой насадкой по всей поверхности. Диаметр бойка, изготовленного из стали ШХ-15, составл 4 мм, радиус сферического торца 2,5 мм, усилие прижима 60-80 Н, скорость горизонтального перемещения 10-20 мм/с. При ударе бойка на обрабатываемой поверхности образуется лунка в виде сферического сегмента. Материал из лунки выдавливается по ее краям. При горизонтальном перемещении виброинструмента выдавленный из лунок материал расчеканивается. В результате этого на обрабатываемой поверхности образуется поверхностный слой чешуйчатой структуры с нарушенной сплошностью – деструктурированный слой. По нормали к поверхности этот слой имеет ту же твердость, что и основной металл. При измерении твердости на поперечном шлифе и вдавливании конического индентора деструктурированный металл отслаивается. Наличие деструкции отчетливо определяется визуально, так как чешуйчатый слой имеет резко отличающийся показатель рассеяния света. Эксперименты показали, что

116

глубина деструктурированного слоя зависит от скорости продольного перемещения виброинструмента, усилия его прижима к обрабатываемой поверхности, диаметра бойка и радиуса его сферического конца. Обработанные таким образом образцы подвергались коррозионному испытанию погружением на 96 часов в раствор следующего состава: серная кислота – 5% (по массе), соляная кислота – 8%, сернокислое железо – 3%, хлористый натрий – 2%, вода – 82%. Остаточные продукты коррозии удалялись. Коррозионные потери определялись как разница результатов взвешивания до и после испытаний. Результаты испытаний оценивались по удельным коррозионным потерям массы металла, скорости проникновения коррозии в испытательном растворе, приведенной скорости проникновения коррозии, эффективности пассивации. Некоторые сводные результаты коррозионных испытаний приведены в таблице 1. Таблица 1 № п/п

Тип ингибитора

Вид обработки

1. 2. 3. 4.

Без пассивации Ингибитор №1 Ингибитор №2 Без пассивации

Без УУО УО и УУО УО и УУО УУО

Приведенная скорость проникновения коррозии, мм/год 0,350 0,383 0,244 0,302

Эффективно сть метода, относит. ед. 1,00 0,91 1,42 1,15

Металлографическими и механическими исследованиями образцов установлено наличие упрочнения металла по всей толщине и повышение твердости обработанной поверхности на 40-100 НВ. Испытания показали, что при оптимальном подборе факторов воздействия достигается снижение скорости коррозионных разрушений на 40-60%. Даже без использования химических ингибиторов УУО обеспечивает 15% снижение скорости проникновения коррозии. Таким образом, установлена еще одна область применения ультразвуковой ударной обработки. Упрочнение металла при УУО и образующиеся в поверхностном слое сжимающие напряжения снижают скорость проникновения коррозии. Список литературы: 1.Янченко Ю.А., Сагалевич В.М. Влияние ультразвуковой обработки на снижение остаточных напряжений и деформаций сварных соединений из высокопрочных сталей // Вестник машиностроения. 1978. №11. с. 60-63. 2. Механизм ультразвуковой ударной обработки сварных соединений / В.Г. Бадалян, В.Ф. Казанцев, Е.Ш. Статников, Е.М. Швецов // Вестник машиностроения. 1979. №8. с.56-58. 3.Вагапов И.К., Ганиев М.М., Шинкарев А.С. Исследование влияния ультразвуковой ударной обработки на значение и распределение остаточных напряжений в сварной заготовке // Изв. вузов. Авиационная техника. 2005. №2. с.56-59. 4. Патент на изобретение №2259912 РФ: Ультразвуковой виброударный инструмент / С.Д. Шестаков, М.М. Ганиев. МПК В 25Д9/14, В 06 В1/08. Приоритет от 26.02.04г. – 9с.: ил.

117

300- ЛЕТИЕ СО ДНЯ РОЖДЕНИЯ ЛЕОНАРДА ЭЙЛЕРА И ЕГО ДОСТИЖЕНИЯ В ОБЛАСТИ МЕХАНИКИ Войнаровски Юзеф (Силезский Политехнический Институт г. Гливице, Польша) In the presentation epoch-making achievement’s Leonhard Euler mainly in the range of classic mechanics were presented and were discussed . The biographical note presents the important aspects with academic Euler’s life. Next, it was discussed also certain aspects: mechanics of material point, variacional calculus, mechanics of rigid bodies, statics and mechanics of liquids. Besides this it referred to the historical graph of Euler of seven Królewiec bridges on the river Pregole. Keywords: Biographical note, Euler Publisher the Word, Law of the extremum В 2007 году прошла трехсотая годовщина со дня рождения большого ученого, математика и создателя современной механики Леонарда Эйлера, крупнейшего математика в истории человечества. Эйлер родился 15 апреля 1707 года недалеко от Базеля, в северной Швейцарии, в семье пастора Павла Эйлер и Маргариты Брухнер. Когда ему исполнилось 13 лет он стал студентом Базельского университета, в котором проявил редкие способности в области математики. Учителем Эйлера был Иоганн Бернулли, но непосредственное влияние на Эйлера, особенно в математике и физике, оказали Лейбниц (1642-1727) и Декарт (1596-1650). Однако произведение Ньютона (1642-1727), в котором ученый заложил основы классической механики, применяемые в большинстве физических явлений, наиболее повлияли на творчество Эйлера в области механики. В возрасте 17 лет Эйлер, защитив работу Сравнительный анализ философии природы Декарта и Ньютона, был удостоен учёной степени магистра философии. В 1727 году защитил диссертацию, касающуюся теории звука (Dissertatio Physica De Sono) («Диссертация по физике о звуке»). Это была первая серьезная научная работа Эйлера, имевшая большое значение в исследованиях связанных с акустикой. Когда Эйлеру исполнился 21 год, Даниил Бернулли рекомендовал его в Петербургскую Академию Наук. В 1733 году Эйлер принял после Даниила Бернулли кафедру матеметики. Там он улучшил интегральное исчисление, расширил теорию тригонометрических и логаритмических функиций. В это время он постояноо работал над аналитическим подходом выражений в математике и новым формализмом классической механики. К сожалению, интеллектуальное перенапряжение ученого не прошло бесследно, так как в 1735 году он заболел и потерял зрение на правый глаз. В 1741 году Фридрих Великий пригласил Эйлера в Берлинскую академию. В этом же году он покинул Россию и уехал в Берлин, в котором проживал 25 лет. В это время Эйлер создал значительное число научных работ. Достижения Эйлера в области математики всемирно известны Он изучал элементарyую геометрию, тригонометрические функции. Эйлер доказал, что каждое комплексное число имеет бесконечное число алгоритмов. Он доказал тождество: eiΘ= cos Θ + i sin Θ,

(1)

из которого, после того как подставим Θ = π выводится хорошо известна формула eiπ + 1 =0,

118

(2)

в которой, как легко можно заметить, появляются самые прекрасные числа где: . (3) Являясь создателем современной математики Эйлер ввел в нее обозначения: Σ, e, π , i , f(x), φ (Функция Эйлера),

(4)

которые используются по сегодняшний день. Он ввел запись, представлюящую функцию независимой величины x, а также символ i, представляющий собой комплексное число. Эйлер был первым метематиком, который использовал производную дифференциальную функцию в форме границы частного между двумя независимыми величинами. В 1749 году в Memories de l’Academie des Sciences первый раз мы встречаемся с дифферанциальным уравнением движения материальной точки в дифференциальном следующем виде: и слeдоватeльно: d 2x m 2 = Fx dt

(5) m

d2y = Fy dt 2

d 2z = Fz dt 2

(6)

В 1755 году Эйлер написал «Дифференциальное исчисление» (Differential Calculus), а также «Интегральное исчисление» (Integraf Calculus). Третий, последний том был опубликован в Санкт-Петербурге (1768-1770). Все эти книги в течение многих лет были своего рода путеводителем для многих математиков. Именно поэтому, не будет преувеличением сказать, что все выдающиеся представители метематики конца XVIII и начала XIX веков были учениками Эйлера. В 1766 году Эйлер вернулся в Санкт-Петербург, на двор Екатерины II (17291796). В это время он уже был почти слепой. Несмотря на эту болезнь, Эйлер использовал свою необыкновенную память, много публиковал и все время сохранял высочайший уровень своих работ. В 1766-1783 гг. написал свыше 400 статей, а в течение 40 лет после смерти Эйлера, Российская Академия Наук постоянно печатала его произведения в ежегодных воспоминаниях. Эйлер скончался 18 сентября 1783 года в Санкт-Петербурге. Когда оценивается научные труды Эйлера в областях: математики, механики, механики машин, их важность, богатство формулировок, а также качество этих достижений доказывают поражающий всех результат. Эйлер опубликовал около 50 книг и свыше 800 научных работ. Стоит подчеркнуть, что Эйлер самостоятельно создал основные уравнения, касающиеся материальных точек, твердых, жидких и деформированных тел. Вместе с такими учеными как: Жан Леро́н Д’Аламбе́р, Даниил Бернулли, Иоаганн Бернулли, Алекси Клод Клеро, Кондорсе, Лаплас, Жозе́ф Луи́ Лагра́нж был математиком своей эпохи Просвещения. Пoэтому достижения Эйлера можно анализировать в отношении к механике и математике этого периода. Однако достижения Эйлера в области науки все время считаются фундаментальными. Граф королевских мостов, который Эйлер вычертил в 1736 году, открывает историю графов ныне доминирующую в научных диссертациях разных областей, в том числе, и в механике. Эйлер ввел также нотацию ныне известныую как характеристика

119

графа под названием цикломатическое число, представляющее отношения между числом ребра E, вершин V и стен F V – E + F =2. (7) Необходимо подчеркнуть, что Эйлер в 1782 году описал явление пульсирования крови в артериях и как один из первых занимался механикой машин, посвящая этой области многочисленные работы, в том числе и диссертацию Законы теории механики . Эйлер первый записал второй закон Ньютона в дифференциальной форме, применяя такую же концепцию силы Ньютона, которая описывает уравнения для данных систем. Этот факт, вместе с эффективными применениями этих уравнений во многих разнообразных проблемах, связанных с описанием движения материальных точек, системы материальных точек и твердых тел, имел превосходное значение в развитии механики. Эйлер обобщил механику для материальной точки твердого тела и механику жидкостей. Его математические исследования довели его до развития вариационного исчисления, благодаря которому он решил много неизведанных проблем. Этот новый матемaический инструмент стал основой для аналитических исследований совершенных Лагранжом. Не будет преувеличением сказать, что Эйлеров подход к вопросам механики можно считать своего рода мостом между механикой Д’Аламбе́ра и аналитической механикой Лагранжа. Пусть все помнят, что большой труд Эйлера в развитии механики твердого тела поспособствовал развитию новых концепций, таких как движение центра массы и законов импульса. В этом контексте Эйлеровы уравнения вращательного движения твредого тела являются наиболее компактными и элегантными уровнениями в классической механике. A ⋅ ω 1 = (B − C )ω 2ω 3 + M 1 (8) B ⋅ ω 2 = (C − A)ω3ω1 + M 2 C ⋅ ω 3 = ( A − B )ω1ω 2 + M 3 . Стоит полчеркнуть,что Эйлер являлся одним из первых ученых, занимающихся механикой машин, посвящая многочисленные труды вопросам из этой области. Стоит представить работу Principia theoriae machinarum (Законы теории машин`). Можно утверждать, что Эйлер был также прекрасным инженером, Этот факт подчеркивается на мемориальной доске, посвященной ему по случаю 500-летия Университета в Базеле. На этой доске: Эйлер математик, физик, инженер, философ. Леонард Эйлер скончался в Петербурге 18 сентября 1783 года. Его старший сын Иоаганн Альбрехт (1734-1800) публиковал и развивал труды своего отца из области механики. ДИСПЕРГИРОВАНИЕ СТРУКТУРЫ СИЛУМИНА ДИСПЕРСНЫМИ ЧАСТИЦАМИ И АТОМАРНЫМ АЗОТОМ Волочко А.Т., Изобелло А.Ю., Макарова Ж.Е. (ФТИ, Минск, Беларусь) The paper presents the investigations devoted to production of composite materials on the basis of silumins processed by disperse particles and atomic nitrogen. С целью повышения свойств сплава, за счет комплексного модифицирования структуры и образования новых нанодисперсных фаз, в наших исследованиях

120

предпринята попытка оценить возможность инициирования реакции взаимодействия составляющих алюминиевого сплава с азотом, который образуется за счет термического разложения в расплаве органических соединений (атомарная обработка). В качестве азотосодержащих веществ могут быть представлены (NH 2 ) 2 CO, NH 4 NO 3 , C 7 H 6 (NO 2 ) 2 , и др. Наиболее эффективен – карбамид (NH 2 ) 2 CO, так как он является самым концентрированным азотным наполнителем (около 50 % азота). В качестве композитной матрицы применялся эвтектический силумин АК12М2МгН (АЛ25) (ГОСТ 1583-93). При разработке композиции готовили лигатурные составы с использованием смеси порошков 90 % Al – 10 % (NH 2 ) 2 CO, 90 % Al – 10 % SiO 2 , 90 % Al – 10 % Al 2 O 3 , 90 % Al – 10 % SiC. Установлено, что обработка расплава порошками карбамида, в отличие от лигатуры (90 % Al – 10 % (NH 2 ) 2 CO), не приводит к диспергированию структуры композита и в тоже время обработка лигатурой содержащей порошки алюминия и карбамида способствует диспергированию в 2-3 раза структурных составляющих сплава АК12М2МгН. Можно предположить, что уменьшение размеров и формы зерен связано с образованием нитридных частиц в алюминиевой матрице, а также с интенсивным газовыделением после погружения в расплав лигатуры содержащей карбамид. Выдержка расплава, обработанного лигатурой содержащей карбамид, в течение 10 мин характеризуется ростом зерен α-твердого раствора примерно в 1,5-2 раза и дальнейшая выдержка в течение 30 и 60 мин – в 3 раза, по сравнению со структурой сплава без выдержки. В расплаве, обработанном порошком карбамида и выдержанным в течение 10 и 30 мин размер и форма структурных составляющих практически не изменяются. Важно отметить, что обработка расплава карбамидом может осуществляться одновременно с введением различных дисперсных керамических частиц (оксидов, карбидов, нитридов и др.), способствующих упрочнению композита. Интенсивное газообразование после разложения карбамида, при соприкосновении с расплавом, способствует хорошему перемешиванию частиц и их равномерному распределению в алюминиевой матрице, а также модифицированию структурных составляющих. Полученный композиционный материал имеет микрокристаллический тип структуры с высокоразвитой поверхностью границ зерен, упрочненных дисперсными керамическими частицами. Присутствующие в сплаве термодинамически стабильные частицы AlN имеют глобулярную форму. Установлено, что наноразмерные керамические частицы нитрида алюминия располагаются как внутри, так и по границам зерен композита. Такое распределение частиц способствует упрочнению и диспергированию структурных составляющих, что подтверждено результатами исследований. По результатам замеров микротвердости установлено, что обработка расплава лигатурой содержащей карбамид способствует увеличению микротвердости эвтектики и твердого раствора в 1,2-1,3 раза. Причем микротвердость эвтектики и твердого раствора примерно одинакова, что обусловлено дисперсностью и равномерностью микроструктуры. Установлено, что обработка силумина лигатурой содержащей карбамид сопровождается снижением коэффициента трения на стадии установившегося износа в 1,5 раза, в сравнении с исходным сплавом.

121

УЧИТЬ, НЕВЗИРАЯ НА КРИЗИС Волчкевич Л.И. (МГТУ имени Н.Э. Баумана, г. Москва, Россия) The necessity of wide-range engineering qualification in the period of economical crisis. Possible ways of competitive engineers forming in technical universities. Недавно в газете «Метро» был опубликован прогноз возможностей трудоустройства выпускников московских вузов, согласно которому производство предоставит не более 6% всех вакансий, о науке не упоминается вообще. Заметим, именно молодые технологи, конструкторы, проектанты – выпускники инженерных вузов, есть основа кадрового обеспечения прогресса производства, подъема народного хозяйства. Получается, что ни того, ни другого в ближайшее время не предвидится. Этот ошеломляющий вывод имеет и другие подтверждения. В 2008 г. МГТУ имени Н.Э. Баумана разослал работодателям 200 приглашений на «ярмарку вакансий», приехало 150 представителей. А в 2009 г. На 450 приглашений откликнулись около ста. В ряде вузов такие «ярмарки» вообще не состоялись. Итак, всеобщее кризисное падение спроса на выпускаемую продукцию ударило и по инженерным вузам. Что делать? Рецепт, разумеется, известен. Если конкретная продукция утратила прежний спрос, ее нужно менять, осовременивать, приспосабливать к рыночной конъюнктуре. Применительно к вузовской продукции данный тезис звучит так: если выпускник не может устроиться на работу по прямой специальности, полученной в вузе, он должен быть конкурентен и в других сегментах рынка труда. А там смотришь – и сам захочет и станет заниматься совсем не тем, чему его напрямую учили, да еще и преуспевать на неожиданном поприще. Да простят меня высокие чины из Минобрнауки – но в содержании и методологии инженерной подготовки мы продолжаем по инерции «катиться по советским рельсам». Но тогда, в условиях плановой экономики, персональное целевое распределение молодых специалистов оправдывало узкую специализацию, ограниченность квалификационного диапазона. Например, все выпускники специальности «металлорежущие станки» направлялись в станкостроение, поэтому и учили их профессионально только расчету и конструированию металлорежущих станков. Сегодня вузы выпускают специалистов «в никуда». Станкостроение как отрасль умерло. Но множество станкостроительных кафедр продолжают учить своих студентов тому же – как конструировать станки. Конечно, выпускники куда-то трудоустраиваются. Молодых инженеров охотно берут во множество структур: в торгово-промышленные фирмы, экспертные и аудиторские организации, в банковские подразделения, весьма и весьма охотно – в административные органы. Потому что инженеры «знают землю», умеют видеть глубинные причины успехов и неудач, причинно-следственные связи во взаимодействиях нематериального и материального. Множество примеров, когда обладатели инженерных дипломов становились выдающимися менеджерами, авторитетными экономистами, руководителями не только в науке, но даже на дипломатическом поприще. А вот обратных примеров, чтобы менеджеры или экономисты сконструировали что-нибудь путное, - я что-то не знаю. Беда множества узкоспециализированных инженеров в том, что значительная часть профессиональной конкретики им оказывается ненужной, а все иное необходимое приходится постигать самим. Следовательно, вузам необходимо энергичнее переходить на подготовку инженеров широкого профиля, способных быстрее и грамотнее адаптироваться к широкому кругу задач, которым напрямую в студенческие годы не учили.

122

Первейшее условие для этого – высокая экономическая грамотность, чего сейчас нет и в помине. Поскольку экономические дисциплины начинают изучать на старших курсах, когда мышление стойко сформировалось в рамках «техницизма». Да и учат все более «глобальным» аспектам: что такое мировая экономика, «за» и «против» вступления в ВТО и т.п. Инженер с прочным экономическим мышлением возможен лишь тогда, когда экономика станет одним из «краеугольных основ» процесса обучения, в одном ряду с математикой и физикой. Преподавать экономику нужно начинать не позднее первого курса, так, чтобы последующие общеинженерные и специальные дисциплины были «насквозь пропитаны» конкретной экономикой, экономикой производства и науки. Безусловно, данное нововведение радикально изменило бы всю структуру, методологию и даже философию инженерной подготовки. Вместе с тем, приходится признать, что для Министерства подобная задача не проще, нежели глобальное насаждение «Болоньи», чем оно приоритетно занимается уже много лет. Но решать нужно. Во времена безраздельного господства рыночной экономики и товарно-денежных отношений продолжать выпуск экономически безграмотных инженеров – это нонсенс. Второе «родимое пятно», оставшееся от советских времен, - это преобладание поточных, групповых форм коллективного обучения над индивидуальными. Тем самым не раскрываются личности будущих специалистов, их склонности и способности к конкретным видам профессиональной деятельности. Нужна целостная система индивидуальной работы со студентами старших курсов, перенесение сюда основных канонов работы с аспирантами: индивидуальная тематика, персональное научное руководство, отчетность и ответственность и т.д. Внешне это похоже на насаждаемую «магистратуру» для узкого круга избранных. Но только внешне. В каждом вузе Вам назовут множество имен выдающихся выпускников, которые на студенческой скамье ничем не выделялись и учились сплошь и рядом на «тройки». Вся соль в том, что наличие профессионального таланта, иногда далеко в стороне от узкой специальности, проявляется по-настоящему только на последнем году учебы, в преддипломные и дипломные времена. А разделение на бакалавров и магистров производится за 2-2,5 года до окончания института, в основном по результатам экзаменационных оценок. Между тем, талант сдавать экзамены и талант творческой отдачи – это совершенно разные категории. Истинные задатки к инженерной, научной, организационной и т.д. деятельности можно выявить и оценивать лишь путем реальной профессиональной отдачи еще на студенческой скамье через проведение круглогодичной научной или производственной стажировки в течение 2,5-3 лет на старших курсах, включая диплом. С принципом раннего разделения на «чистых» и «нечистых» (то есть на бакалавров и магистров) это не сочетается никак. На профессиональную пригодность и индивидуальность необходимо проверять всех без исключения студентов старших курсов, уцелевших после «чистилища» на младших курсах, доказавших свою работоспособность, самодисциплину, интерес к избранной профессии. Итак, названы две проблемы перестройки инженерного образования, которые автору представляются наиболее актуальными и неотложными. Первая – «перевод системы инженерного образования на экономические рельсы», может и должна решаться на уровне Министерства в ранге стратегической линии. Вторая – индивидуализация процесса обучения, раннее выявление способностей и наклонностей к конкретным видам профессиональной деятельности, может решаться

123

в рамках самих вузов, тем более, что опыт накоплен немалый, к сожалению, не обобщенный. Но есть и третья проблема, едва ли не самая трудная, которая должна решаться на уровне конкретных профилирующих кафедр. Пора перестать принуждать студентов заучивать конкретные формулы и графики (что, правда, очень удобно преподавателям на экзаменах). Учить на старших курсах нужно аналитическому мышлению, вариантности технических и организационных решений: их генерированию, многокритериальному сравнению, разумному отбору, отстаиванию своего мнения в неоднозначных ситуациях. Только те учебные методы, которые имеют не утилитарную, а расширительную значимость, смогут воспитать тот профессиональный уровень, который будет востребован в любых кризисных ситуациях. ПРОЕКТИРОВАНИЕ АВТОМАТИЧЕСКОГО УСТРОЙСТВА ДЛЯ ВЫРЕЗЫВАНИЯ РЕЗЬБЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ КОНТАКТОВ Микулаш Гайдук, Ян Сэмйон, Владимир Балаж, Марек Вагаш Введение: В условиях нынешней промышлености нужно держать шаг с конкуренцией. В многих случаях требуется производить очень быстро, качественно, дешево и в случае надобности упруго изменить производимый сортимент. Без применения автоматических устройств это тяжело реализовать. Ручное производство больших серий неэфективно. В этой статье указано проектирование устройства для автоматического вырезывания резьбы. Вырезывание резьбы решалось для пары электрических контактов, способ ориентации и их транспорт к позициям для вырезки резьбы. Проект был выполнен в CAD системе, которая позволяет проверить случайные колизии. Контакты электрических устройств рис.1 изготовляются прессованием с дыркой для провода в которой нужно сделать резьбу. Величина резьбы М4. Левый и правый контакт между собою зеркальны. Проект автоматического устройства Основой устройства является передвижная секция оконченая метчиками. Передвижная секция состоит из мотора с налаженой подачей (1). После запуска мотора кроме вращения метчиков происходит их передвигание. Редуктор обезпечивает правильный шаг резьбы, рис.1. В том числе запускается насос для охлаждения метчика и резьбы водой. Для левой и правой детали спроектировались вибрационные ресиверы (2), которые ориентируют детали в правильном направлении.

Рис.1. Резьбa детали На выходе из ресиверов (1,2) чепез проводные пути (3) и механизм подачи (4) детали передвигаются в гнезда карусели (5). Для обезпечения лимита времени одного

124

цикла на карусели находятся 4 гнезда. При резке резьбы наступает давление метных головок на гнезда и карусель (6). Для фиксации позиций деталей во время метки используется страховочный цилиндр (7), который обеспечивает остановку карусели в нужном положении. Пневматический цилиндр (8) в гнездах метки обеспечивает стабильность контактов при резке для перпендикулярности резьбы. На следующей позиции находится перепад (9), который освобождает детали из гнезд и посылает их в корзину для готовых контактов (11,12), которые находятся под вибрациоными ресиверами через выпускные трубки (10). Перепад реализован специально сформированой дорожкой, которая ведет штифты прижимающие контакты в гнезде до позиции в которой детали выпадают. Регулировка ресиверов реализованна регуляторами (13) а продвижерие рабочего цикла управляется системой управления (14). Режущее устройство оснащено парой метчиков М4 (15). 3Д модель целого устройства на рис.2. 3 4 8 6 5 7 2

1 14

13 12

Рис.2. 3Д модель устройства. 1- левый вибрационый ресивер; 2- правый вибрационый ресивер; 3 - проводные пути; 4 - пневматический механизм подачи; 5 - входная позиция гнезд карусели; 6 позиция гнезд при резке; 7 - страховочный цилиндр;8 - пневматический цилиндр стабилизации деталей; 5- перепад; 6- выпускные трубки; 7- правая корзина для готовых контактов; 8- левая корзина для готовых контактов; 9- регулировка ресиверов; 9 система управления; 10 - режущее устройство. Проект манипуляционого цикла

125

Цикл начинается нажатием кнопки старт. Из за того, что система может остановится в любой позиции нужно чтобы в первую очепедь отодвинулись назад метные головки. Без этого может случится повреждение метчиков. Если головка метчиков будет в исходной позиции это зарегестрирует сенсор после чего опустится страховочный цилиндр, карусель подвижна, система управления даст сигнал мотору карусели. Карусель вращается в направлении часовых стрелок до тех пор пока оптический сенсор даст сигнал для остановки. В момент остановки выдвигается страховочный цилиндр блокируя карусель. Вибрационые ресиверы запускаются в ручную за предположения что при старте успеют подготовить детали для резки. Путь передвижения деталей оснащон пневматическим механизмом подачи. Если на обеих дорожках приготовлены детали механизм их пустит из зажимов и по вертикальному пути детали направлены (падают) в гнезда на карусели. Одновременно запускается метная головка. Для того чтобы непроисходило вращение деталей при резке пневматический цилиндр их прижимает к лобовой стене гнезда. Этим обеспечена перпендикулярная резка резьбы. Если головка цилиндра будет в верхней позиции пойманой сенсором головка метчика возвращается в исходную позицию и целый цикл повторяется, смотри рис.3.

Рис.3 Манипуляционый цикл 1 - Движение режущей головки; 2- Вращение карусели; 3 - Страховка позиции; 4 Передвижение деталей в гнезда; 5 - Стабилизационый цилиндр; 6 - Нарезывание резьбы; 5 – Двигатель; 6- Левый вибрационый ресивер; 7 - Правый вибрационый ресивер. Проект системы управления Управление устройством реализовано интелигентным реле Лого24, которое розширено модулем ДМ16. Система оснащена кроме кнопок запуска и остановки сенсорами позиций цилиндров и оптическим сенсором позиции карусели. Исходная и конечная позиции головки метчика оснащены индукторными сенсорами и механическими упорами. На рис.4 реализованое устройство для резки резьбы.

126

Рис.4. Устройство для резки резьбы Насос для охлаждения метчиков запускается кнопкой старт и находится в включоном состоянии постоянно. Панель управления оснащена лампами сигнализации ошыбок в системе. Метчики для вырезки резьбы в контактах имеют определеный срок службы уменьшающийся с числом циклов. Система управления наблюдает число вырезаных резьб и если нащитает заданое число, сигнализирует потребность поменять метчики, при этом счетчик нужно сбросить на ноль. Кроме счетчика для метчиков система содержит счетчик числа деталей после метки. Это число можно тоже сбросить на ноль кнопкой RESET. В отличии от предыдущего счетчика на этом стоит дисплей. Заключение: Для достижения нужного времени одного цикла будет на карусели установлено 4 гнезда, вместе с этим минимализованы движения головки метчиков и наставлены обороты мотора. Вибрационые ресивера должны быть постояно запущены для того чтобы обеспечить плавную подачу деталей. В случае проблемы устройство обеспечено сигнализацией. Список литературы: 1. Hajduk M.,: Pružné výrobné bunky. Košice: Vienala Košice, 1998, 150 s. 2. Szabajkowicz W.: Perspektyvy rozwoju sytemów montazowych, zborník Technika i technologia montažu maszyn, 2004 str.9-13. 3. Taranenko W., Swić A.: Urzadzenia sterujace dokladnościa obróbki cześci maszyn o malej sztywności, Lublin 2006, str. 186 УЛУЧШЕНИЕ СОСТОЯНИЯ ВОЗДУХА РАБОЧЕЙ ЗОНЫ ГАЛЬВАНИЧЕСКИХ ЦЕХОВ ПУТЕМ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ МЕСТНОЙ ВЫТЯЖНОЙ ВЕНТИЛЯЦИИ Гадаборшева Т.Б., Кораблина Ю.В. (ООО «ПТБ ПСО Волгоградгражданстрой», г.Волгоград, Россия) Using mathematical modeling calculation of full containment with slot-hole tinnesses is carried out. By calculation speed, pressure and productivity of local exhaust of existing construction is defined that the exit of harmful allocation is more probable in the area close to the corner, where speed of soaking up and accordingly depression is not enough. Two ways

127

of upgrading of containment`s construction are suggested, which afford to reduce the productivity of local exhaust: to make the containments with more perfect aerodynamic shapes or to reduce the slot-hole tinnesses in the area close to the corner. Гальванические цеха-помещения с интенсивным выделением тепла и вредных веществ в воздух рабочей зоны помещения, которые отрицательно влияют на состояние здоровья рабочих. Для создания нормируемых метеорологических условий в цехах данной категории в соответствии с требованиями [1] температуру воздуха и скорость его выпуска из воздухораспределителей систем вентиляции следует определять расчетом таким образом, чтобы требуемые условия обеспечивались при наименьших объемах притока и наименьшим числе воздухораспределителей. Для этого согласно[2] рекомендуется подача приточного воздуха непосредственно в рабочую зону или наклонными струями в направлении рабочей зоны с высоты не более 4 м через воздухораспределители типа НРВ, ВПРВ. Подача воздуха непосредственно в рабочую зону позволяет обеспечить наиболее эффективное использование приточного воздуха (т.е. коэффициент воздухообмена k L достигает наибольшего значения), особенно при размещении значительной части источников тепло - и газовыделений выше рабочей зоны. Вместе с тем непосредственное поступление приточных струй в рабочую зону может способствовать созданию большей неравномерности распределения метеорологических параметров по площади помещения по сравнению с другими способами раздачи. При способе подачи приточного воздуха наклонными струями воздух движется вдоль рабочей зоны, вентилируя ее. Для подачи воздуха наклонными струями с высоты до 4 м от пола применяют двух - и четырехструйные приклонные воздухораспределители. При наклонной подаче и удалении воздуха из верхней зоны, как правило, коэффициент воздухообмена k L >1. Для снижения вредного воздействия веществ на организм человека, используемых в производственном процессе, кроме вышеперечисленных способов воздухораспределения, применяются так же системы местной вытяжной вентиляции. Локализация вредных выделений достигается устройством эффективными местными отсосами при минимальном объеме отсасываемого воздуха. При герметичном укрытии процесса необходимость в устройстве отсоса вообще отпадает. Поэтому радикальным решением, позволяющим значительно улучшить состояние воздушной среды в производственных помещениях, является выпуск технологического оборудования, снабженного встроенными укрытиями, максимально изолирующими источники вредных выделений. Однако, не всегда укрытие можно сделать герметичным. В его ограждениях обычно имеются рабочие проемы и неплотности, размеры и расположение которых определяются конструкцией и технологическим режимом работы укрываемого оборудования. Расчет отсосов от полных укрытий распадается на две самостоятельные задачи: определение скоростей и давления, создаваемых в проемах и неплотностях за счет действия отсоса и за счет разности плотностей воздуха в укрытии и вне него. С помощью математического моделирования был проведен расчет полного укрытия с щелевыми неплотностями (рамностворчатое укрытие). Были определены скорости и давления в местном отсосе существующей конструкции. Таким образом, определена производительность отсоса по усовершенствованной формуле [3]

128

ρ −ρ 0,87 a 2  . nhg  B x1  ρ  По результатам расчета определено, что выход вредных выделений наиболее вероятен в области, близкой к углу, где скорость всасывания и соответственно разрежение весьма малы. Исходя из этого, были предложены два пути совершенствования конструкции укрытия, позволяющие снизить производительность отсоса. Первый путь состоит в создании укрытий более совершенных аэродинамических форм, на боковой поверхности которых отсутствовали бы изломы, т.е. производительность отсоса составит L=

η = L отс / 1 + L отс .

Второй путь заключается в уменьшении щелеватости укрытий в области, близкой к углу, что позволяет уменьшить L х Lотс = Lx 3 η (1 − η ) . Заметим, что полная ликвидация щелей не нужна, так как это может привести к нежелательному повышению температуры под укрытием и нарушению технологического режима ванны. Важно снижать щелеватость именно в тех местах, где возможен выход газов. Произведенный расчет вредностей в воздухе рабочей зоны и определение количества загрязняющих веществ при гальванической обработке, отходящее от единицы оборудования с учетом рассмотренных предложений по улучшению конструкций местных отсосов на предприятии ОАО «Северсталь-метиз» г. Волгоград выявил, что концентрация вредных веществ в воздухе рабочей зоны цеха существенно снизилась и удовлетворяет требованиям нормативов ПДК. Список литературы: 1. СанПиН 2.2.4.548-96. Гигиенические требования к микроклимату производственных помещений [Текст].-М.; 2. Вентиляция и отопление цехов судостроительных заводов. М.И. Гримитлин, О.Н. Тимофеева, В.М. Эльтерман и др. М.: Машиностроение, 1978.-272 с.; 3. Расчет местных отсосов от тепло- и газовыделяющего оборудования. Посохин В.Н.-М.: Машиностроение, 1984.—160 с. РЕШЕНИЕ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ПРОБЛЕМ ТЕХНОСФЕРЫ ПРИ СОЗДАНИИ НЕТРАДИЦИОННОЙ ТЕХНОЛОГИИ ПЕРЕРАБОТКИ ИЗДЕЛИЙ ИЗ ВЫСОКОПОЛИМЕРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ Гарост А.И., Романова Н.В. (Белорусский государственный технологический университет, ОАО «Бобруйский машиностроительный завод», г. Минск, г. Бобруйск, Беларусь) The results of investigations on improvement of composition, structure and mechanical characteristics of cast iron at realization of resource-saving technology of melting and graphitizing modification of melts using non-traditional approaches at finishing of metals, coinciding possibilities of high-polymeric combinations to receive high reactivity at their high-temperature utilization and to provide the effect of modification and microalloying, are given.

129

Введение. Целью данной работы является создание ресурсосберегающей технологии выплавки высококачественных сплавов путем использования нетрадиционных подходов при доводке металлов, совмещающих возможности высокополимерных соединений получать высокую реакционную способность при их высокотемпературной утилизации и обеспечивать эффект модифицирования и микролегирования. Изношенные резинотехнические изделия можно рассматривать как вторичное сырье. При их переработке появляется возможность сэкономить большое количество дорогих и дефицитных материалов, что имеет важное народнохозяйственное значение. Основным и наиболее важным направлением переработки старых резинотехнических изделий, и в первую очередь массивных и резиноемких (пневматических шин), является получение регенерата. Регенерат представляет собой пластичный материал, способный подвергаться технологической обработке, вулканизоваться при введении в него вулканизующих веществ. Регенерат применяют для частичной замены каучука при производстве резинотехнических изделий. В производстве резинотехнических изделий ответственного назначения регенерат применяют в ограниченном количестве, так как он ухудшает физикомеханические показатели материалов, понижает предел прочности при растяжении и сопротивление к действию многократных деформаций. В современном производстве шин потребление регенерата по отношению к каучуку составляет 8-10%. Таким образом, значительные объемы отработанной резины не перерабатываются и попадают на свалки, что приводит к огромным экологическим проблемам. На свалках в Республике Беларусь в 2008 году находилось около 600 тыс. тон автомобильных шин, причем ежегодное прибавление составляет около 60 тыс. тон. Совсем не пригодны для изготовления регенерата резинотехнические изделия, подвергавшиеся сильному старению, особенно под действием солнечных лучей и атмосферных условий, т. е. затвердевшие, хрупкие. Нерационально подвергать регенерации также резинотехнические изделия, содержащие много текстиля и мало резины. Каждая покрышка - это 26 процентов карбона, 12,5 процента металла и свыше 50 процентов резины В тоже время по своему химическому составу резина может стать перспективной добавкой при выплавке черных металлов (сталей и чугунов) и явиться эффективным заменителем дорогостоящих легирующих и шлакообразующих добавок. Введение в расплав таких соединений, обеспечивает модифицирующий эффект по двум направлениям. На первом этапе в процессе пиролиза каучуков углерод, который находился в химически связанном состоянии, мгновенно получает высокую реакционную способность и, образуя ионы C4+ , обеспечивает графитизацию. На втором этапе по мере активации структурно свободного углерода, находящегося в виде сажи, и других элементов присадки (Cu, Ti, Al, Co, Pb) усиливается эффективность графитизирующего модифицирования, при этом одновременно присутствует и легирующий эффект. Раскрытие механизма массообменных процессов при термическом разложении (пиролизе) высокополимерных соединений в металлических расплавах послужит теоретической основой для оптимизации существующих методов плавки на стадиях доводки металла (таких как, модифицирование, науглероживание, раскисление) и одновременно позволит решить важнейшую народнохозяйственную проблему по утилизации отходов высокополимерных соединений [1]. Материалы и методы исследований. Исследование модифицирующего воздействия добавок резинотехнических изделий на характеристики черных сплавов

130

(сталей и чугунов), а также создание технологии ввода отходов высокополимерных соединений в металлические расплавы проводились с использованием шин для грузовых автомобилей. Изучение рецептуры и химического состава каждого из компонентов шин показало, что в резиновой составляющей содержится около 35,7 % химически связанного углерода, 30,7 % структурно свободного углерода в виде сажи, 17,2 % водорода, 1,5 % серы, 1,6 % цинка, а также включения меди, титана, алюминия, кобальта, свинца, железа и других металлов. В Белорусском государственном технологическом университете разработан способ выплавки чугуна и способ выплавки стали [2], при котором в качестве присадок в расплав вводят в изолированном от окружающего воздуха скрепленные в брикеты биологически поврежденные или подвергнутые старению материалы из пластических масс, или эластомеров. Результаты экспериментов. Плавки проводились в высокочастотной индукционной печи на кислой футеровке (емкость тигля 50 кг). Изменение химического состава сплава и особенности поведения конкретных элементов модифицируюшей добавки приведены в табл. 1. Исходная масса загрузки составляла 31,25кг, конечная несколько колебалась в зависимости от способа ввода модификатора. Для исключения влияния непостоянства состава исходного чугуна применялась порционная заливка образцов и соответствующее увеличение количества введенной присадки. Таблица 1. Результаты исследований по вводу резиносодержащих отходов в серый чугун № Исходный Масса Масса введенных Химический состав пл химический ввеэлементов, г чугуна после ввода ав- состав чугуна до денной добавок ки ввода добавок до-бавки высокополимерных высокоповысосоединений, масс.% лимерных кополиме соединений, р-ного масс.% соединения, г 2 C – 1,88; Si – 920 C (в химич. связ. C – 2,10; Si – 1,67; 1,99; сост.)– 328,44; C (в Mn – 0,447; P – 0,123; Mn – 0,42; P – виде сажи)– 283,09; C S – 0,183; Cr – 0,0588; 0,079; (суммарный ввод)– Cu – 0,115; Ti – 0,0204 611,53; H 2 – 158,01; S – 0,190; Cr – 0,0386; Cu – S – 13,80; Zn – 14,62; 0,0851; Cu, Ti, Al, Co, Fe, Pb – Ti – 0,0148 остальное. 4

C – 1,98; Si – 1,67; Mn – 0,447; P – 0,123; S – 0,182; Cr – 0,0588; Cu – 0,115; Ti – 0,0204

740

C (в химич. связ. сост.)– 264,18; C (в виде сажи)– 227,70; C (суммарный ввод)– 491,88; H 2 – 127,10; S – 11,10; Zn – 11,76; Cu,Ti, Al, Co, Fe, Pb – остальное.

131

C – 2,00; Si – 1,61; Mn – 0,473; P – 0,111; S – 0,248; Cr – 0,0700; Cu – 0,114; Ti – 0,0140

Результаты металлографического анализа (рис. 1, табл. 2) показывают, что отходы высокополимерных соединений являются эффективным модификатором чугуна. Так, форма включений графита изменяется от пластинчатой прямолинейной ПГф1 (исходный чугун) до пластинчатой завихренной (плавка 4), длина графитных включений

а ×100

б ×100

в ×500

г ×500

д ×3000 е ×3000 Рис. 1. Структура исходных чугунов (а, в, д) и чугуна после ввода 1660 г (плавка 4) модификатора (б, г, е): металлографические исследования (а, б, в, г); исследования методом сканирующей электронной микроскопии (д, е); а, б – образцы не травлены; б, в, г, д – травленые

132

уменьшается от ПГд180 (исходный чугун) до ПГд90 - ПГд45 (плавка 2) и при вводе больших количеств отходов резины до ПГд45 (плавка 4), характер распределения включений графита изменяется от ПГр1 (исходная плавка) до ПГр3 (плавка 2), количество включений графита в структуре чугуна уменьшается с 10% (исходная плавка) до 4-6% (плавки 2-4), т.е. от ПГ10 до ПГ4, тип структуры металлической основы в рассматриваемых чугунах феррито - перлитный (Ф, Пт1), дисперсность перлита в структуре чугуна увеличивается с Пд1,0 – Пд0,5 (исходная плавка) до Пд0,5 – Пд0,3 (плавки 2-4), количество перлита в феррито – перлитной металлической основе рассматриваемых серых чугунов увеличивается с 70% (исходная плавка) до 85% (плавки 2, 4) после ввода отходов высокополимерных соединений, т.е с П70 (Фе30) до П85 (Фе15). Таблица 2. Результаты исследований структуры чугуна, который модифицировался отходами резинотехнических изделий № плавки Форма Длина РаспреКолиТип ДисКоливключе- включе- деление чество струкперсчество ний ний включе- включетуры ность перлита графита графита ний ний металли- пери ческой лита феррита графита графита основы исходный пласт. ПГд180 ПГр1 ПГ10 Пт1 Пд0.5 П70 состав прямо(есть Ф Пд1.0 (Фе30) линейместа ная ПГд45) ПГф1 2

ближе к пласт завихр. ПГф2

ПГд90 ПГд45

ПГр3

ПГ6

Пт1 Ф

Пд0.5 Пд0,3

П85 (Фе15)

пласт. завихр. ПГф2

ПГд45

ПГр2 Пгр3

ПГ4 ПГ6

Пт1 Ф

Пд0.5 Пд0,3

П85 (Фе15)

При обычных увеличениях пластинчатая структура перлита металлической основы четко не дифференцируется, для этого потребовалось проведение исследований методом сканирующей электронной микроскопии на микроскопе ISM–5610LV (фирма IEOL, Япония) с системой электронно–зондового энергодисперсионного рентгеновского анализа (рис. 1). Структуру сплавов фиксировали с использованием детектора вторичных электронов. Созданная технология позволяет также перерабатывать оксиды металлов и вводить в расплавы дефицитные металлические элементы, восстанавливая их из оксидов. Плавки проводились в высокочастотной индукционной печи на кислой футеровке (емкость тигля 50 кг). В результате (табл. 3) обеспечивается эффективная десульфурация чугуна магнием, восстановленным из магнезита.

133

№ плавки

Таблица 3. Результаты исследований по вводу магнезита и резиносодержащих отходов в серый чугун (масса расплавленного чугуна 40,0 кг) Исходный химический Масса добавки Химический состав состав чугуна, магне-зита и чугуна после ввода масс. % высокополи-мерного добавок, масс. % соединения (ВПС), кг 1 C – 1,80; Si – 2,12; Mn – 1,6 кг MgO, C – 2,20; Si – 2,20; Mn – 0,347; 0,25 кг ВПС 0,339; P – 0,128; S – P – 0,123; S – 0,107; Cr – 0,088; 0,115. Cr – 0,128. 2 C – 2,20; Si – 2,20; Mn – 1,6 кг MgO, C – 2,27; Si – 2,15; Mn – 0,339; 0,20 кг ВПС 0,349; P – 0,132; S – P – 0,128; S – 0,088; Cr – 0,073; 0,128. Cr – 0,137. Выводы. Созданный способ выплавки чугуна и выплавки стали позволяет утилизировать изделия из углеродсодержащих органических высокомолекулярных полимерных материалов синтетического происхождения, в том числе биологически поврежденные и подвергнутые старению и непригодные для переработки материалы из пластических масс, а также непригодные к регенерации эластомеры. Разработаны дешевые модификаторы для чугуна, введение которых значительно улучшает структуру и повышает механические характеристики сплавов. Реализация способа позволяет эффективно насыщать сталь углеродом взамен традиционного способа разбавления, получать из отходов высокополимерных соединений технический углерод высокого качества, извлекать дорогие и дефицитные металлы из оксидов и эффективно легировать ими расплавы; перерабатывать промышленную окалину и шлифовочные отходы; получать черные металлы с низкой концентрацией серы; получать высокопрочный чугун. Список литературы: 1. Гарост А.И. Разработка технологии получения высококачественных серых чугунов путем графитизирующего модифицирования отходами высокополимерных соединений. - Литье и металлургия.-№2, ч. 1, 2005.- с. 93 – 38. 2. Гарост А.И. Способ выплавки чугуна и способ выплавки стали. Патент Республики Беларусь на изобретение №11641 от 26.11.2008 г. по заявке а20050280 от 24.03.2005 г. (МПК(2006) C21C1⁄00, C21C5⁄00, F23G5⁄027). КОЛЕБАНИЕ ЭЛЕКТРОПРОВОДЯЩЕЙ ПЛАСТИНЫ В МАГНИТНОМ ПОЛЕ Геча В. Я., Голубева Т. Н. Хроматов В. Е. (Московский Энергетический Институт(ТУ), г. Москва, Россия) All designing electric machines, devices using contact cores there is a necessity of research of influence of magnetic fields on natural oscillation frequencies spectrums of thinwalled elements. Research of influence of a transverse and longitudinal magnetic field on natural oscillation frequencies spectrums thin-walled perfectly conducting plates and plates made of material with finite conductivity are received.

134

Рассмотрим колебания изотропной пластины постоянной толщины 2h.Пластина отнесена к декартовой системе координат Ox1 x 2 x3 так, что срединная плоскость недеформированной пластины совпадает с координатной плоскостью Ox1 x 2 . Пластина изготовлена из материала с конечной электропроводностью σ и не обладает свойством самопроизвольной поляризации и намагничиваемости. Пластина колеблется во внешнем постоянном поперечном магнитном поле с заданным вектором магнитной  индукции B(0;0; B3 ) . Упругие и электромагнитные свойства материала пластины характеризуются модулем упругости E, коэффициентом Пуассонаν , плотностью ρ , магнитной проницаемостью µ , диэлектрической проницаемостью ε , коэффициент электропроводности пластины σ . Считается, что все выше приведенные величины не зависят от координат, времени и электромагнитного поля. Примем следующие предположения: гипотеза Кирхгофа о недеформируемых нормалях; магнитные и диэлектрические проницаемости окружающей пластину непроводящей среды считаются равными единице; влияние токов смещения на характеристики магнитоупругих колебаний не учитываются. В силу принятых предположений имеем следующее уравнение колебаний пластины в поперечном магнитном поле [1]:

D∆∆w + 2 ρh

∂ 2 w 2h( µ − 1) 2 2σh 3 2 ∂∆w + B ∆ w − B3 =0 3 ∂t 4πµ ∂t 2 3c 2

(1)

Где B3 - нормальная составляющая вектора магнитной индукции в вакууме, в системе единиц СГС численно равная напряженности магнитного поля B3 = H , ∆ оператор Лапласа на срединной поверхности, w – функция нормального прогиба, D – цилиндрическая жесткость, с – электродинамическая постоянная численно равная скорости света в пустоте ( с = 3 ⋅ 1010 см / с ). Для шарнирно опертой пластины соотношение для собственных частот колебаний в поперечном магнитном поле имеют вид: ω=−

2 2 D(k1 + k 2 ) 2 ( µ − 1) 2 2 σh 3 σ 2h4 2 2 2 4 2 2 2 2 ( ) ( ) ( B i k + k + − B k + k + − B3 (k1 + k 2 )) (2) 3 1 2 3 1 2 2 ρh 4πµρ 3c 2 2 ρh 36c 4 ρ 2

Действительная часть выражения (2) – это собственная частота упругих колебаний, мнимая часть выражения (2) – коэффициент затухания упругих колебаний: Для идеально проводящей пластины ( σ → ∞ ) затухающее влияние магнитного поля исчезает, и частота упругих колебаний пластинки определяется по формуле: D(k1 + k 2 ) 2 ( µ − 1) 2 2 2 − B3 (k 1 + k 2 ) 2 ρh 4πµρ 2

ω=

(3)

При колебаниях пластины по цилиндрической поверхности (стержневая модель) в поперечном магнитном поле уравнение колебаний примет вид: D

∂4w ∂x1

+ 2 ρh

∂ 2 w 2h( µ − 1) 2 ∂ 2 w 2σh 3 2 ∂ 3 w B3 B3 + − =0 2 2 4πµ ∂t 2 3c 2 ∂x1 ∂x1 ∂t 135

(4)

Выражение для собственных частот колебаний пластины по цилиндрической поверхности в поперечном магнитном поле примет вид:

Dk ( µ − 1) 2 2 σh 3 σ 2h4 2 2 4 4 ω=− 2 B3 ik1 + − B3 k 1 + ( 1 − B3 k 1 ) 4 2 2 ρh 4πµρ 3c 2 ρh 36c ρ 4

(5)

Для идеально проводящей пластины ( σ → ∞ ) частота упругих колебаний стержня определяется по формуле: Dk1 ( µ − 1) 2 2 − B3 k 1 2 ρh 4πµρ 4

ω=

(6)

Рассмотрим колебания пластин с параметрами a1 = 20см , a 2 = 5см , h = 0,025см Изготовленных из алюминия с модулем упругости E = 70 ⋅ 1010 дина / см 2 , и плотностью ρ = 2,7 г / см 3 , магнитной проницаемостью µ = 1 + 2,1 ⋅ 10 −5 ν = 0,3 , коэффициентом Пуассона электропроводностью 17 9 2 −1 σ = 3,2 ⋅ 10 ⋅ (10 / c )См ⋅ cм и меди с модулем упругости E = 110 ⋅ 1010 дина / см 2 , плотностью магнитной проницаемостью и ρ = 8,89г / см 3 , µ = 1 − 3 ⋅ 10 −6 коэффициентом Пуассона ν = 0,3 , электропроводностью σ = 5,3 ⋅ 1017 (10 9 / c 2 )См ⋅ cм −1 .

На рисунках 1 и 2 представлены графики зависимости частоты колебаний алюминиевой и медной пластин при цилиндрическом изгибе соответственно в зависимости от нормальной составляющей вектора магнитной индукции B3 поперечного магнитного поля. Кривая (1) соответствует колебаниям пластины с конечной электропроводностью, собственные частоты которой найдены из уравнения (5), кривая (2) – идеально проводящей пластины, посчитанные по формуле (6).

Рис. 1. График зависимости частоты колебаний алюминиевой пластинки в поперечном магнитном поле

Рис. 2. График зависимости частоты колебаний медной пластинки в поперечном магнитном поле

136

Как видно из графиков для пластин изготовленных из алюминия (парамагнетика) при увеличении индукции магнитного поля собственные частоты колебаний уменьшаются. При этом для идеально и неидеально проводящих пластин собственные частоты мало различаются. Для пластин изготовленных из меди (диамагнетика) собственные частоты колебаний сначала возрастают, а потом снова уменьшаются и при определенном значении индукции магнитного поля становятся равными нулю. При этом для идеально проводящей пластины, изготовленной из диамагнетика собственные частоты только возрастают. Различие между собственными частотами колебаний пластин, изготовленными из идеального и неидеального диамагнетика, тем выше, чем больше напряженность магнитного поля. Рассмотрим колебания пластины, находящейся в продольном магнитном поле с  заданным вектором магнитной индукции B( B1 ;0;0) . Уравнения колебания пластины в продольном магнитном поле приведены в [1]. Собственные частоты колебаний шарнирно опертой пластины находятся из уравнения третей степени, приведенного в [1]. . В результате получаем комплексные значения, действительная часть которых – собственные частоты колебаний пластин, мнимая часть –коэффициент затухания. При колебаниях по цилиндрической поверхности (стержневая модель) в продольном магнитном поле уравнение для нахождения собственной частоты колебаний пластины с конечной электропроводностью имеет вид:  ( µ + kh)c 2 k  Dk 4 iω + ω   − iω 2 ρh  µh4σπ  3

 (1 + kh) B1 2 k  ( µ + kh)k1c 2 Dk 4 1 + − µh 2 4σπ 2 ρ Dk 4 2πµ 2  

 ( µ − 1)(1 + kh) B1 2 h  1 −  (7) 2( µ + kh) 2πµ 2 D  

Для идеально проводящей пластины затухающее влияние магнитного поля исчезает ( σ → ∞ , µ → 1 ) и уравнение имеет вид [2]:

D∆∆w + ρh

2 ∂2w 1 1 2 ∂ w h B − + =0 ( ) 1 2 2 2 ∂t 2 2π x ∂ k1 + k 2 1

(8)

Выражение для собственной частоты колебаний шарнирно опертой идеально проводящей пластины в зависимости от индукции продольного магнитного поля[3]:

ω 2 = ((k1 2 + k 2 2 ) +

1 1 D 2 2 (h + ) B1 k1 ) 2 2 2π ρh k1 + k 2

(9)

Для идеально проводящей пластины ( σ → ∞ ) частота упругих колебаний пластины по цилиндрической поверхности определяется по формуле: (hk1 + 1) B1 k1 D ω = ( k1 + ) 2π 2 ρh 2

137

(10)

На рисунках 3 и 4 представлены графики зависимости собственных частот колебаний алюминиевой и медной пластинки (с параметрами a1 = 20см , a 2 = 5см , h = 0,025см ) в продольном магнитном поле. Кривая (1) соответствует колебаниям пластины с конечной электропроводностью, частоты которой найдены из уравнения (7). Кривая (2) соответствует колебаниям идеально проводящей пластины, частоты которой найдены по формуле (10).

Рис. 3. График зависимости частоты Рис. 4. График зависимости частоты колебаний алюминиевой пластинки в колебаний медной пластинки в продольном магнитном поле продольном магнитном поле Как видно из графиков при увеличении напряженности магнитного поля собственные частоты колебаний пластин возрастают. Для конечно проводящей пластины (кривая 1) продольное магнитное поле оказывает затухающее влияние. Для идеально проводящей пластины (кривая 2) затухающее влияние магнитного поля исчезает и наличие продольного магнитного поля приводит к увеличению собственных частот колебаний. При этом собственные частоты для неидеально проводящих пластин меньше, чем для идеально проводящих. При небольших значениях индукции (до 4000 Гс) магнитное поле не влияет на частоты колебаний пластины с конечной электропроводностью. Список литературы: 1. Амбарцумян С. А., Багдасарян Г. Е., Белубекян М. В. Магнитоупругость тонких оболочек и пластин. М.: Наука. 1977. 272 с. 2. Багдасарян Г. Е. Применение асимптотического метода В. В. Болотина для исследования магнитоупругих колебаний идеально проводящих прямоугольных пластин. Пролемы машиностроения. 1986, № 25. с.63-68. 3. Коробков Ю. С., Красова Н.С., Хроматов В. Е. Влияние магнитного поля на спектры частот колебаний прямоугольных пластин // Электротехника. 2007.№4. с.30-34.

138

ОЦЕНКА КАЧЕСТВА ПОДГОТОВКИ МАГИСТРАНТОВ Гинявичюс Р., Гинявичене В.-Б. (ВТУ им. Гедиминаса, г. Вильнюс, Литва) The improvement of the quality of second cycle education depends greatly on the evaluation of the achieved level. The quality of second cycle education as a complex phenomenon depends on a set of different variables. The multi criteria methods allow to combine the indicators which reflect these various aspects and variables into one measure. Using these methods the relevance of second cycle studies for the following six areas of economy - biomedical, physical, social, technological, humanitarian sciences and arts, may be defined quantitatively. Согласно Болонскому процессу в Литве утвердилась трёхзвеньевая система высшего образования: бакалавр – магистр – доктор (кандидат наук). В этой системе особая роль отводится магистратуре по двум причинам. Во-первых, она направлена на повышение личной профессиональной квалификации и таким образом решает проблему обеспечения рынка труда высококвалифицированными специалистами. Вовторых, магистратура способствует повышению общих и научных компетенций личности, т. е. она не обязательно должна удовлетворять лишь потребность рынка труда. Иначе говоря, она может быть ориентирована на научную деятельность, т. е. подготовку студентов как учёных, исследователей, педагогов, занимающихся аналитической прикладной деятельностью. Процесс становления магистратуры в Литве был неоднозначен – он развивался стихийно, без тесной связи с содержанием основных студий, без четкой ориентации (академической или профессиональной). Появились программы, которые либо дублировали друг друга, либо были различны по уровню своего содержания и т. п. Поэтому возникла необходимость исследовать соответствие магистратуры потребностям хозяйства. Одной из целей проведенного исследования было определение степени интеграции магистров в рабочий рынок. Исследования осуществлялись по шести направлениям обучения – биомедицина, физические, социальные, технологические, гуманитарные науки и искусство. Получены неоднозначные результаты – значения одних показателей лучше не для одних и тех же областей обучения. Таким образом, невозможно сделать обобщенный вывод, качество обучения каких областей лучше, каких – хуже. Интегральный ответ можно получить лишь объединив все показатели в одну обобщающую величину. Для решения таких задач успешно можно применять методы многокритериальных оценок [1–3]. Показатели соответствия магистратуры потребностям хозяйства страны Исследуемый феномен, соответствие магистратуры потребностям хозяйства страны, является сложным, комплексным явлением, который себя проявляет различными аспектами. Формализированные выражения этих аспектов можно рассматривать как показатели. Совокупность таких показателей образует систему, при помощи которой можно количественно оценить изучаемое явление. Проведенные исследования [4] позволили выявить десять таких показателей: работа по специальности (проц.), работа согласна ISCO 88 (проц.), соответствие типа рабочего места программы магистратуры (проц.), приобретенная компетенция (ед.), подготовленность к профессиональной деятельности (проц.), функциональность магистранских студий с точки зрения профессиональной деятельности (проц.), соответствие зарплаты приобретенной профессиональной компетенции (проц.), мотивы поступления в магистрантуру (проц.), сравнение приобретенной квалификации с работающими в той-же области (проц.).

139

Числовые значения по всем девяти вышеуказанным показателям получены на основе опроса более чем полторы тысячи абсольвентов (1 таблица) [4]. Из 1 табл. видно, что одни области обучения лучше по одним показателям, другие – по другим. Для того, чтобы получить обобщающую картину, их надо объединить в одну комплексную величину. Такое объединение можно произвести при помощи многокритериальных методов оценок [5, 6]. Многокритериальная оценка соответствия магистратуры потребностям хозяйства Литвы Основу многокритериальных методов составляют две матрицы. Первая отражает значения показателей, характеризирующих сравниваемые варианты. Иначе говоря, это матрица статических данных экспертных оценок R = rij . Вторая матрица – это вектор значимостей (весов) показателей Ω = ωi ( i = 1,…, m ); ( j = 1,…, n )

где m – количество показателей; n – количество сравниваемых вариантов (областей обучения магистратуры). Цель многокритериальной оценки – ранжирование сравниваемых вариантов по их качеству. Самый распространенный метод многокритериальных оценок – так называемый метод SAW (Simple Additive Weighting). Критерий Sj по методу SAW определяется по формуле [7]: m

S j = ∑ ωi ~ rij i =1

, (1) где rij – нормализированное значение i-ого показателя j-ого сравниваемого варианта. Метод SAW предполагает „классическую“ нормализацию данных: n rij ~ rij = n , (i = 1,… , m; j = 1,… , n; ∑ rij = 1 ) i =1 ∑ rij i =1

(2)

Лучшим является самое большое значение Sj. Нормализированные значения показателей соответствия магистрантуры потребностям хозяйства Литвы даны в 2 таблице. [8]. Весы показателей ω i определяются на основе экспертных оценок, поэтому необходимо установить согласованность их мнений. Это производится при помощи коэффициента конкорданции W и критерия χ 2 [9]. Расчетные значения указанных величин соответственно равны 0,33 и 23,73. Значение для χ 2 (23,73) больше критического (15,51) что свидетельствует о том, что мнения экспертов согласованы. На основе согласованных мнений экспертов определены следующие значимости (весы) показателей соответствия магистратуры потребностям хозяйства Литвы (3 таблица).

140

Таблица 1. Результаты опроса магистров № п Область . обучения п

1. 2. 3. 4. 5. 6.

Показатели

Биомедицина Искусство Технологические науки Социальные науки Физические науки Гуманитарные науки

Работа по специальности, %

82,3 78,5 71,1 70,6 70,3 64,8

Работа Соответствие Приобретенная Подготовленсогласно типа рабочего компетенция ность к проISCO 88, места программе фессио% магистрантуры, нальной % деятельности

83,0 73,8 82,0 80,6 83,5 79,0

95,2 95,5 95,6 94,0 90,7 93,3

0,711 0,726 0,674 0,703 0,616 0,724

Функциональность магистранских студий с точки зрения профессиональной деятельности

Соответствие зарплаты приобретенной профессиональной компетенции

Мотивы поступления в магистрантуру

Сравнение приобретенной квалификации с работающими в той-же области

63,4 64,6 47,1 52,7 44,0 55,3

31,1 33,8 49,0 44,5 44,0 29,5

28,5 61,5 47,4 42,4 46,2 47,6

12,1 16,9 13,3 11,1 13,2 12,4

82,3 80,0 76,7 68,2 60,5 68,6

Таблица 2. Нормализированные значения показателей соответствия магистранты потребностям хозяйство Литвы 141

Показатели

Работа по специальности,

Работа согласно ISCO 88,

Биомедицина Искусство Технологические науки Социальные науки Физические науки Гуманитарные науки

0,198 0,180 0,162 0,161 0,161 0,148

0,172 0,153 0,170 0,167 0,173 0,163

№ п . п Область обучения

7. 1. 2. 3. 4. 8.

Соответствие Приобретенная Подготовлентипа рабочего компетенция ность к проместа программе фессиомагистрантуры, нальной % деятельности

0,169 0,169 0,169 0,167 0,161 0,165

0,171 0,175 0,169 0,169 0,149 0,174

Функциональность магистранских студий с точки зрения профессиональной деятельности

Соответствие зарплаты приобретенной профессиональной компетенции

Мотивы поступления в магистрантуру

Сравнение приобретенной квалификации с работающими в той-же области

0,194 0,197 0,144 0,161 0,135 0,169

0,134 0,146 0,211 0,192 0,190 0,127

0,104 0,225 0,173 0,155 0,169 0,174

0,153 0,214 0,168 0,141 0,167 0,157

0,189 0,183 0,176 0,156 0,139 0,157

Таблица 3. Значимости (весы) показателей соответствия магистратуры потребностям хозяйства Литвы

Наименование показатели

Значимость показателя

Работа по специальности

0,104

Работа Соответствие согласна типа рабочего ISCO 88 места программе магистрантуры

0,137

0,088

Приобретенная компетенция

0,163

Подготовленность к профессиональ-ной деятельности

0,132

Функциональность магистранских студий с точки зрения профессиональной деятельности

Соответствие зарплаты приобретенной профессиональной компетенции

0,108

0,119

Мотивы поступления в магистрантуру

0,102

Сравнение приобретенной квалификации с работающими в той-же области

Всего

0,047

1,0

142

На основе 2 и 3 таблиц и (1) формулы произведена многокритериальная оценка соответствия магистратуры потребностям хозяйства Литвы (4 таблица). Таблица 4. Результаты многокритериальной оценки соответствия магистратуры потребностям хозяйства Литвы Наименование Биомеди- Искусство Технологи- Социаль- ФизиГуманимагистратуры цина ческие ные ческие тарные Сумма мест 3 1 2 5 6 4 Место по 3 1 2 4 6 5 методу SAW Общee место 3 1 2 4–5 6 4–5 Из 4 табл. видно, что потребностям хозяйства Литвы лучше всего соответствуют искусство хуже всего – физические науки. Результаты расчетов можно использовать при планирований развития магистратуры. Выводы Применение многокритериальных методов оценок можно комплексно оценить соответствие магистратуры потребностям хозяйства страны. Такая возможность появляется в связи с тем, что эти методы разрешают объединить в одну обобщающую величину разнодименсионные показатели с учетом их значимости. Расчеты показывают, что в Литве потребностям хозяйства более всего соответствуют науки искусства. Далее следуют технологические, биомедицинские, социальные, гуманитарные и физические науки. Список литературы: 1. Brauers W.K.M., Ginevicius R., Zavadskas E.K., Antucheviciene, J. The European Union in a transition economy. Transformations in Business and Economy, 2007, Vol 6, No 2, p. 21-37. 2. Ginevičius R., Butkevicius A., Podvezko R. Complex evaluation of economic development of the Baltic States and Poland. Economicky Casopis, 2006, Vol 54, No 9, p. 918-930. 3. Viteikiene M., Zavadskas E.K. Evaluating the sustainability of Vilnius city residential areas. Journal of Civil Engineering and Management, 2007, Vol 13, No 2, p. 149-155. 4. Соответствие магистратуры потребностям хозяйства Литвы, 2006. 5. Noorul Haq A., Kannan G. A hybrid normalized multi criteria decision making for the vendor selection in a supply chain model. International Journal of Management and Decision Making, 2007, Vol 8, No 5/6, p. 601-622. 6. Ginevičius R. Multicriteria evaluation of the criteria weights based on their interrelationship. Business: Theory and Practice, 2006, Vol 7, No 1, p. 3-13. 7. Hwang C.L., Yoon K. Multiple Attribute Decision Making-Methods and Applications. A State of the Art Surwey. Springer Verlag, Berlin, Heidelberg, New York, 1981. 8. Ginevičius R., Ginevičienė V. B. The compliance of master’s degree studies with the economic needs of the country. Technological and Economic Development of Economy, 2009, Vol 15, No 1, p. 136-153. 9. Podvezko V. Determining the level of agreement of expert estimates. International Journal of Management and Decision Making, 2007, Vol 8, No 5/6, p. 586-600

142

НАДЕЖНОСТЬ МЕТАЛЛА. ДЕТЕРМИНИРОВАННЫЙ ПОДХОД Горбатых В. П., Иванов С.О. , Банник Ю.А. (ГОУ ВПО МЭИ (ТУ), г. Москва, Россия) The task of securing of the maximal possible prefailure life may be resolved by combining probabilistic and nonprobabilistic phenomenological mathematical models of the processes of metal deterioration of elements, systems and subsystems of a disintegrated system-formed object. The qualitative reliability analysis of each specific object is proposed to be performed using a new approach. According to this approach, it is necessary to colligate domains of different sciences studying the processes of negative combined effect of external physical and chemical fields on metal from the point of view of a relatively new notion, the metal «gerontology», or CORROSIOLOGY. Development of corrosiology will also benefit to prevention of technogenic accidents and disasters. Рассмотрение эквивалентной структурной схемы технического устройства (рис. 1) при-водит к выводу, что отказ технического устройства (объекта) в целом есть следствие отка-за одной из систем (С 1 или С2). Отказ системы – это результат отказа какой-либо подси-стемы (ПС 1 ÷ ПС 6 ). Отказ какой-либо подсистемы своим происхождением обязан отказу металла одного недублированного элемента (или всех дублированных). Однако в основе любого из этих отказов лежит отказ именно конструкционного металла (КМ) элементов вследствие протекания одного или одновременно нескольких частных процессов повреж-дения ЧЭПП.

Рис.1. Дезинтегрирован-ная структурная схема объекта С 1 , С 2 – объекто-образующие системы; ПС 1 , ПС 2 , ПС 3 , ПС 4 , ПС 5 , ПС 6 – системо– образую-щие подсистемы; Э 1 –Э 14 – ме-талл подсистемообразующих элементов; ЧПП 1 ÷ ЧПП 4 – частные элементоповреждаю-щие про-цессы; (Ф I 1 ÷ Ф I 4 ) ÷ (Ф IV 1 ÷ Ф IV 4 ) – значимые фактор-аргументы в детер-минированных феномено-ло-гических уравнениях кинети-ки роста меры повреждения КМ подсистемо–образую-щего элемента от ЧЭПП.

143

ЧЭПП, наряду с полем технологической наследственности (ПТН) КМ элементов (ге-терофазность, гетерогенность, плотность дислокаций) и сопутствующими процессами, усилиивающими негативное воздействие ЧЭПП, необходимо исследовать на предмет пе-речня значимых факторов, входящих в их математические модели повреждения металла.. Основные ЧЭПП – это усталость (У), ползучесть (Пл), водородное охрупчивание (ВО), хлоридо-кислородное растрескивание (ХКР), образование питтингов (Пт), фреттинг-коррозия (ФК). Каждый из основных ЧЭПП сопровождается инструментальной регистра-цией признака повреждения (ПрП). Например, нейтронная хрупкость – ростом темпера-туры хрупко-вязкого перехода (ХВП). Кинетика роста ПрП описывается детерминиро-ванными уравнениями. При достижении ПрП ЧЭПП некоторого числового значения КМ повреждается – критерий предельного состояния (КПС). Относительная мера повреж-дения (МП) ЧЭПП – это отношение текущего числового значения ПрП к числовому зна-чению КПС по этому же ЧЭПП: МП=ПрП/КПС. Физический смысл предельного сост-ояния КМ можно представить следующим образом. Примем некоторые положения в каче-стве исходных: а) КМ сохраняет сплошность до тех пор, пока сохраняется динамическое равновесие между скоростью разрыва термическими флуктуациями межузловых связей кристаллической решетки и скоростью восстановления разорванных связей; б) каждый ЧЭПП необратимо деформирует межузловые связи; в) результирующая деформация все-гда больше деформации только от одного ЧЭПП. Разрыв и восстановление связей – термоактивируемые процессы. Динамическое рав-новесие из-за необратимого накопления деформации связей смещается в сторону роста скорости накопления разрывов вплоть до превышения ее над скоростью восстановления связей кристаллической решетки. После чего идет необратимое накопление разрывов свя-зей и возникает зародыш трещины. Это и есть предельное состояние КМ. Безразмерная величина МП лежит в интервале: 0 ≤ МП ≤ 1,0. Общая мера повреждения (ОМП), величина абстрактная, но физически объяснимая – это относительная деформация растяжения межузловых связей кристаллической решетки КМ всеми ЧЭПП. Вычисляется по уравнению особой структуры. Для парогенераторов (ПГ) АЭС в перечень сопутствующих процессов (СПр) входят: 1) Наличие примесей в воде II контура ПГ и образование: а) на теплопередающих поверх-ностях (ТПП); б) шлама – в зонах с низкими скоростями циркуляции (днище ПГ и др.); 2) Кипение и концентрирование примесей (Cl-) в пористых отложениях на ТПП; 3) Переход гидрооксида железа в шламе из двухвалентной формы в трехвалентную посредством гидролиза и, как следствие, понижение водородного показателя рН, 4) Формирование в водо-заполненных порах шлама объемного заряда; электростатическое взаимодействие этого заряда с отрицательно заряженными ионами и увеличенная адсорб-ция, в частности – хлорид-иона, на железооксидном шламе; 4) Переход с одного уровня мощности на другой с изменением расхода питательной воды и, как следствие, перехода части шлама с днища во взвесь (эффект «hide-out»); 5) Снижение водородного показателя рН в «карманах» коллекторов ПГ из-за гидролиза; 6) ВО КС СШ №111 из стали марки 10ГН2МФА зоны термического влияния;

144

7) Химические отмывки (ХО) ТПП от отложений моющими композициями с пониженым числовым значением водородного показателя рН и, как следствие, ВО аустенитной стали марки 08Х18Н10Т (КМ ТПП) и стали марки 10ГН2МФА (КМ коллектора и корпуса ПГ, включая зону шва №111 и зону термического влияния сварного шва №111); 8) Падение уровня воды в ПГ в переходных режимах; 9) Коррекционная обработка питательной воды аммиаком и наличие КМ на основе меди в конденсатном тракте приводит к образованию аммиачно-медных комплексов с последую-щим их термическим разложением и осаждением металлической меди на ТПП и поверх-ностях коллекторов, образованием питтингов и возникновением трещин, из питтингов; 10) Несимметричность теплового потока на поверхностях ТПП приводит к несимметрич-ности генерации пара, что вместе с системой раздачи питательной воды способствует фор-мированию неравномерности распределения примесей в воде II контура ПГ; 11) Температурные воздействия на штуцера продувки ПГ из-за возникновения обратного тока при переходных и пусковых режимах. Кинетика роста во времени признаков протекания СПр также описывается своими детерминированными феноменологическими уравнениями суть функциями влияния на ско-рость роста ПрП индивидуального ЧЭПП. алгоритм расчета общей МП n n n n МП(  (1) i ) = ЧМП L (  i ) /{1- ЧМП L+1 (  i ) /{1- ЧМП L+2 (  i ) /[1-…- ЧМП L+ s (  i ) ]} где – L+s – полное число процессов, участвующих в повреждении металла; L=1; – ЧМП L (  i ) >ЧМП L+1 (  i )>ЧМП L+2 (  i )>…>ЧМП L+s (  i ) – частные МП от ЧЭПП при наработке (  ), распо-ложенные в порядке убывания их числового значения; – i ЧМП L (  i ) – МП по лидирующему ЧЭПП при наработке (  i ) – т.е., с максимальной величиной МП из всех участвующих в повреждении ЧЭПП – 1 ранг; – n – показатель степени при экспозиции; n ≠ 1 (кроме У). Именно последнее соотношение и обусловливает необходимость ранжирования Уравнение (1) соответствует как концепции «безопасность через безотказность», так и факту: кррозионная усталость (КУ) не имеет предела выносливости. При подстановке в (1) вместо ЧМП S (  i ) соответствующих феноменологических урав-нений кинетики их роста и, оценив числовое значение погрешности методики расчета , можноме т одо мит е ра цийполу чит ьос т а т очныйр есурс τ ОСТ , решая (2): ост 1- = ЧМПL (  ,

n ост  i ) /{1–ЧМП L+1 ( ,

n ост  i ) / {1– ЧМП L+2 ( , n ЧМП L+s ( ост ,  i ) ]}

n  i ) /[1–

(2)

В программном средстве (коде) должны быть предусмотрены: а) Учет стохастичности поведения некоторых фактор-аргументов, числовые характеристи-ки которых входят в детерминированные феноменологические уравнения роста ЧМП S ; б) База данных всех фактор-аргументов, числовые характеристики которых входят в уравне-ния кинетики ЧМП S ; в) Вычисление даты очередной перемены ранга ЧПП. Для учета начального признака повреждения КМ, стохастичности фактораргумента, и нелинейности от экспозиции ПрП предлагается следующий прием. В неявном виде фор-мула расчета МП j ЧЭПП: МП j i = f j [k j ; g ji ;τ n ] , где: индекс j относит все параметры к j-тому ЧЭПП j . 145

Вводится понятие вспомогательного параметра τ j i

с размерностью экспозиции.

help

Физи-ческий смысл τ j i

help

состоит в том, что этот параметр имеет числовое значение

времени, необходимого для накопления меры повреждения МП jig-1 , но при значении help фактор-ар-гумента g li . τ j i рассчитывается после подстановки в (3) числовых значений МП ji-1 и g ji а также замены экспозиции τ n на τ j i

help

МП j i −1 = f j [k j ; g ji ; (τ ihelp ) n ] Так, как функция (1) на интервале времени ( τ j i

help

+ ∆τ i ) уже не будет иметь

перелома из-за того, что показатель степени при экспозиции n<1, то меру повреждения МП ji рекомендуется рассчитывать, используя формулу: МП j i = f j [k j ; g ji ; (τ ihelp + ∆τ i ) n ] . Далее цикл вычислений повторяется. Поток отказов комплекса однотипных элементов, эксплуатируемых в идентичных ус-ловиях, согласно следствию №1 из Центральной предельной теоремы можно описать нор-мальным законом распределения. Это – дополнительная информация. Практически любой объект можно представить как состоящий из отдельных независи-мых систем (рис. 1). Независимость подразумевает, что процессы повреждения в пределах одной системы любого уровня протекают при отсутствии какого-либо влияния со стороны другой системы. Однако повреждение одной системы может инициировать повреждение другой (каскад повреждений). МП отдельной системы (подсистемы – как простого объекта) в этом случае вычисляется в соответствии с (1). Разность между предельной относительной мерой повреждения, равной единице за вычетом относительной погрешности, и МП объекта наблюдения можно определить как меру живучести: Ж = (1– ) – МП. В этом случае с позиций коррозиологии отказ объекта наблюдения, состоящего из q независимых систем, наступает при обращении в ноль произведения q запасов живучести всех объектообразующих систем: 0

ОСТ ОСТ ОСТ –= `[1 – МП`(  )][1– `` – МП``(  )][1– ``` – МП```(  )]… [1 – i, τ i, τ i, τ ОСТ – q – МП q (i , τ )] (3)

Подставляя в (6) детерминированные феноменологические уравнения кинетики роста меры повреждения каждой из систем и решая полученное уравнение методом итераций относительно τ ОСТ определяются: а) наработка до перехода объекта в неисправное состояние (состояние отказа); б) критическая система, скорость роста МП которой наибольшая. Числовое значение погрешности  методики расчета МП, можно оценить по (4) = L /{1–L+1 / [1– L+2 /(1–…– L+s ) ]}

(4)

Эта формула имеет такую же структуру, как и для расчета МП, ибо основным моментом здесь становится не собственно числовое значение погрешности, характерное для вычисле-ния частной меры повреждения, а вклад именно этого ЧЭПП k в общую МП. Располагая набором развернутых детерминированных феноменологических уравнений индивидуально по каждому отдельному ЧПП, а также известными числовыми

146

значениями КПС индивидуально по каждому отдельному ЧПП, и подставив их в уравнения типа (5а) и (5б), а также нормировав ЧМП на единицу без , можно получить инструмент прогноза на-работки до отказа единичной системы, составив и решая (6) методом итераций относи-тельно rlt Анализируя (9) на критичность, можно вычислить, а затем и обосновать эксперимен-тально новые числовые значения характеристик режимов эксплуатации и собственно ПТН металла для обеспечения если не необходимой, то по крайней мере максимальной наработки до отказа объекта. Разумеется, чем меньше наработка и чем больше мера живучести (на дату прогноза), то тем большего приращения остаточного ресурса можно ожидать. МП I (τ Ot ) =

(ЧМПkI )     (ЧМПkI +1 )   1 −  I  1 − (ЧМПk + 2 )     1 − ...(ЧМП I )   k +Q    

(5а) МП II (τ Ot ) =

При подстановке вместо ЧМП определить критическую систему (из наработку до отказа этой системы, а комбинации сумм МП и произведений подсистем, систем и объектов). 0 = (1 − 1−

ЧМП KI ЧМП kI +1 ЧМП k + 2 1− 1 − ...ЧМП kI + u

) + (1 − 1−

(ЧМПkII )     (ЧМПkII+1 )   1 −   II  1 − (ЧМПk + 2 )     1 − ...(ЧМП II )   k +Q    

(5б)

детерминированные уравнения можно числа параллельных) и прогнозируемую следовательно – объекта в целом путем живучести (для дублированных элементов, ЧМП KII ЧМП kII+1

ЧМП kI + 2 1− 1 − ....ЧМП kII+ u

) + ... + (1 − 1−

ЧМП KR ЧМП kR+1

) (6)

ЧМП kR+ 2 1− 1 − ...ЧМП kR+ u

Таким образом, термин коррозиология означает обобщенную взаимно дополняющую совокупность отделов различных наук, объединяемых изучением сложных процессов сов-местного действия физических и химических внешних полей, сопровождающееся измене-нием объемных и локальных (вплоть до разрушения) механических свойств КМ, обладаю-щих собственным полем технологической наследственности, при обязательным участии коррозионно-агрессивной среды. Предмет коррозиологии это: познание и построение механизмов, логических и матема-тических моделей совокупного влияния характеристик внешних и внутренних полей, на долговечность КМ. Под долговечностью здесь предлагается понимать наработку до поте-ри сплошности – образования дефекта типа трещины. Методом коррозиологии является математический аппарата, объединяющий частные аппроксимирующие и феноменологические детерминированные методики повреждаю-щих процессов в единый функционал взаимного влияния всех таких процессов без искл-ючения (или их противопоставления друг другу) так, как управление долговечностью есть не что иное, как: 1. Наличие феноменологического детерминированного описания каждого частного процесса повреждения (ЧПП) КМ. 2. Выявление физически измеряемого признака повреждения по каждому ЧЭПП КМ. 147

3. Выявление физически измеряемого числового значения критерия предельного состояния (КПС) КМ перед разрушением по каждому ЧПП. 4. Наличие детерминированной математической модели кинетики роста относительной меры повреждения (МП) как отношения текущего значения физически измеряемого признака повреждения по отдельному ЧЭПП к числовому значению КПС по этому же ЧПП. 5. Наличие алгоритма вычисления общей МП КМ, объединяющего уравнения кинетики роста МП по ЧЭПП (частная мера повреждения –ЧМП). 6. Факторный анализ и обоснование критерия «отбраковки» – логического и количественного обоснования, согласно которому какой либо ЧПП может быть исключен из рассмотрения с сохранением погрешности методики и точности расчетов. 7. Определение новых числовых характеристик конструкции, а также характеристик технологических режимов изготовления и эксплуатации для компенсации негативного воздействия на наработку до отказа отдельных факторов по критерию приращения срока безотказной эксплуатации. 8. Обоснование компенсирующих мероприятий, их технической осуществимости и экономической целесообразности их реализации. 9. Реализация конструкторских, технологических и технических мероприятий с целью обоснования: – полного срока безотказной эксплуатации металла объекта; – остаточного срока безотказной эксплуатации отдельного узла конструкции (наработка до отказа после эксплуатации в течении некоторого времени – ∆τ сот ); – остаточного срока безототказной эксплуатации отдельного узла конструкции в целом τ ост ; – продолжительности безотказной эксплуатации КМ отдельного узла сверх назначенного ресурса; – технических мероприятий для продления безотказной эксплуатации КМ объекта в целом сверх назначенного ресурса. Список литературы: 1. Несущая способность парогенераторов водо-водяных реакторов/ Н.А. Махутов, Ю.Г. Драгунов, К.В. Фролов, … В.П. Горбатых, и др./под общей ред. чл.-корр. РАН Н.А. Махутова/М., «НАУКА», 2003 г., 440 с. 2. Локальная коррозия металла теплоэнергетического оборудования/ Акользин П.А., Герасимова В.В., Герасимов В.В. и др.- М./под общей редакцией Горбатых В.П: - Энергоатомиздат, 1992, 272 с.: ил. 3. В.П. Горбатых, С.О. Иванов, В.В. Парфенов, А. М. Дубар. Геронтология металла: введение в коррозиологию, Сборник научн. тр. СИЯЭП, г. Севастополь 2004 г., №12, с. 240–246. 4. Горбатых В.П., С.О. Иванов, В.В. Парфенов, Введение в количественный детермини-рованный феноменологический анализ надежности металла. Сборник научн. тр. СИЯЭП, г. Севастополь 2005 г., №16, с.21–29. ЗАГАЛЬНИЙ ПІДХІД ТА ВИБІР ПОЧАТКОВИХ ПАРАМЕТРІВ ШПИНДЕЛЬНИХ ОПОР ДЛЯ БАГАТОКРИТЕРІАЛЬНОЇ ОЦІНКИ ЕКСПЛУАТАЦІЙНИХ ВЛАСТИВОСТЕЙ Гордєєв О.Ф., Полінкевич Р.М., Томчук В.М. (ЛНТУ, м. Луцьк, Україна) General approach and choice of initial parameters of the shpindel'nikh hydrostatical bearings is lighted up. The method of multicriterion estimation of operating properties of the shpindel'nikh hydrostatical bearings is developed.

148

Всякий виріб машинобудування може бути співставлений з виробом подібного призначення по ряду М показників – параметрів технічних характеристик. При цьому частина з них ( m ) має тенденцію до комплексного збільшення ( y +j ), а інша частина ( M − m ) – до зменшення ( yk− ); j = 1, m; k = 1; M . Деякі показники, наприклад, внутрішній діаметр підшипника d , обумовлені призначенням виробу і мають строго фіксований розмір. Назвемо такі параметри “нульовими” yi0 ; i = 1, l . Таким чином, всю множину показників можна розмістити на трьох рівнях :“+, 0,-“

+ : y1+ , y2+ ,  , ym+   0 : y10 , y20 ,  , yl0  − : y1− , y2− ,  , yM− 

(1)

Нехай l = 1 , тоді можна з 1-го та 3-го рядків (1) скласти таблицю 1. Таблиця 1 Узагальнена таблиця зв’язку показників y3+ y10 y2+ y1+ 0 1 y1−

y2− y3− kyM− ξj

 



 0



ym+

 



Примітка. y10 в лівому верхньому кутку таблиці 1 говорить про належність її до даного ( y10 ) нульового параметру. Кожен з параметрів y +j та yk− , як правило, не має самостійного

змісту. Зміст

з’являється в співставленні з іншими параметрами. Так, значення n=103хв −1 є великим при d= 200 мм та відносно малими при d =10 мм. Одним із способів співставлення є відношення параметрів. При цьому отримаємо похідний параметр, який може мати відповідний зміст. Зручно, щоб при такому співставленні похідні параметри мали однакову тенденцію покращання, наприклад “+”. y +j / yk− → max або ( y +j yk− ) + дає можливість порівнювати два Так, відношення об’єкта по даному відносному показникові. В теорії подібності прийняте більш широке трактування виду n

π = ∏ y1α y2α  y p p  ynα n , 1

p =1

де α p - цілі числа, підібрані таким чином, що π стає безрозмірним критерієм подібності, який має певний зміст. Для мети нашого аналізу умови безрозмірності не мають великого змісту, крім зручності, і тому від нього можна відмовитись. Однак, необхідно витримати два інших: 1) однакову тенденцію, саме так “+”, так як це виключають перехід через 0 ;

149

2) критерії повинні володіти певним змістом, який можна використати для порівняння властивості об’єктів. При цьому зберігаємо за похідними критеріями позначення π . Повернемося до таблиці 1 і домовимось, що якщо на перетині k -го рядка та j го стовпця (табл. 1) стоїть 1, то це значить, що відношення у +j /у κ− критерій, а якщо 0 – ні. При цьому параметру yi0 має вигляд :

i -ій

входить в похідний

похідний критерій для 1−ξ j

π ijk = ( yi0 )

i -го нульового

⋅ y+j yk− ,

(2)

0 − якщо в крит ерій π ij входит ь yi0 ; де ξ j =  1 − якщо не входит ь. 

У поясненні наведенні значення двох критеріїв із таблиці 1 для двох перших її стовпців. 1 1 1 у 1+ / у −2 ; π 12 = у 10 π 21 = у +2 / у 1− ; π 22 = у +2 / у −2 Якщо і>1, то таблиця 1 стає тривимірною, причому кількість шарів таблиці (або кількість таблиць) дорівнює l. Це вищесказане дає можливість досить просто формалізувати запис структур критеріїв оцінки. Зауваження. Деякі початкові параметри із наборів у +j і у κ− можуть об’єднуватись адитивне. В такому випадку вони утворюють новий параметр зі збільшенням або на одиницю відповідно. Для шпиндельних опор характерний лише один “нульовий” показник, а саме d – діаметр підшипника під посадочною шийкою, мм, тобто маємо l=1. Розподілимо наведені вище показники за графами таблиці 1. Після обробки табл. 1 для конкретної шпиндельної опори, в її комірки можна записати числові значення відношень (2). Записувати “0” в комірках табл. 2 необхідно у тих випадках, коли показник у відповідних рядках дорівнює 0. Таким чином, зможемо для шпиндельних опор прийняти таблицю 2 розмірних показників. Таблиця 2. Зв’язок початкових показників ξd 0 1 1 + -1 + +ст d , мм n , хв Q ,Н j , Н/мкм l , мм 1 1 1 L-, мм 1 1 1 D , мм 1 1 1 N тр - , кВт 1 1 1 N вн , кВт 1 1 1 N Σ =N тр + N вн, кВт 1 1 0 δ, мкм 1 1 1 S п , у.е. 0 1 1 S е , у.е. 0 0 1 S о , у.е. 0 1 1 SΣ= Sп+ Sе+ Sо, у.е. 1 1 1

150

1 h, H.c /мкм 1 1 1 1 0 1 1 1 0 1 1

1 T 10 обертів 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 6

У табл. 2: n - частота обертання шпинделя, хв-1; N тр – втрати потужності на тертя в підшипнику, кВт; N вн - втрати потужності на прокачування мастила, кВт; j ст статична жорсткість підшипника, Н/мкм; Q – вантажопідйомність, Н; h – здатність демпфувати коливання, Н·с/мкм; T – довговічність, 106 обертів; δ - точність обертання, мкм; d – діаметр шийки шпинделя під підшипник (внутрішній діаметр), мм; l – довжина робочої частини підшипника, мм; L – довжина підшипника з ущільнюючими пристосуваннями, мм; D – зовнішній діаметр підшипника з конструктивними елементами для кріплення, змащення та ін., мм; S n – вартість підшипника, грн.; S е – вартість експлуатації, грн.; S о – вартість додаткового обладнання, що забезпечує роботу підшипника (компресор, нагнітальна станція), грн.; S Σ – сумарна вартість, грн. Для деяких показників важко точно встановити чисельне значення параметрів, наприклад, для параметрів z 8 - z 11 і y5 , тому можна назначати їх як якісні показники з допомогою експертних оцінок, наприклад, з 10 - бальної шкали. Таким чином, отримаємо таблицю відносних показників, структура якої така ж, як і табл. 3; при цьому розмірні показники π jk стають безрозмірними і показують значення досліджуваної конструкції відносно еталонної. При побудові графіка цієї матриці для кожного типу опори будемо мати тільки їй притаманний профіль, який дозволяє проводити навіть візуальну оцінку властивостей ГСП. Крім того, можлива оцінка декількох ГСП на оптимальність, наприклад з використанням критерію Парето чи скалярних мінімаксних критеріїв. В даної роботі інтегральна оцінка здійснюється за середнім індексом якості, який розраховується за формулою: m M −m 1 π СР= ∑ ∑ π ij m( M − m)=i 1 =j 1

Таблиця 3. Приклад таблиці розмірних показників ГСП (dn), Q, J ст, h, Параметри мм/хв Н Н/мкм Нс/мкм У2 У3 У4 У1 π 21 l, мм Z1 π 31 π 41 π11 L, мм Z2 π 22 π 32 π 42 π12 D, мм Z3 π 23 π 33 π 43 π13 N тр , кВт Z4 π 24 π 34 π 44 π14 N вн ,, кВт Z 5 π 25 π 35 0 π15 N Σ , кВт Z6 π 26 0 π 46 π16 δ, мкм Z7 π 27 π 37 π 47 π17 S n , у . е. Z8 π 28 π 38 π 48 0 S e , у . е. Z9 0 π 39 0 0 S o , у . е. Z 10 π 2,10 π 3,10 π 4,10 0 π1, S Σ, у . е. Z 11 π 2,11 π 3,11 π 4,11 11

(3)

Т 106 обертів У5 π 51 π 52 π53 π54 0 π56 π57 π 58 π 59 π 5,10 π 5,11

Примітка. Якщо z ĸ =0 (не рахується), то π j k → ∞ (задане велике число), j = 1, 11. Цей підхід запропонований вперше і придатний для оцінки властивостей будьяких виробів машинобудування. На рис. 1. наведена блок-схема послідовності проведення багатокритеріального оцінювання якості ГСП.

151

Матриця розмірних показників якості еталонного ГСП (πЕij)

Матриця розмірних показників якості ГСП, який проектується (πПij)

Матриця відносних показників якості ГСП, який оцінюється (πij= πПij /πЕij)

Інтегральна оцінка (середній індекс якості)

πСР=

Візуальне представлення оцінки у вигляді 3-х вимірної матриці

m M −m 1 ∑ ∑ π ij m( M − m)=i 1 =j 1

Рис. 1. Блок-схема послідовності проведення багатокритеріального оцінювання якості ГСП Висновки. Розроблена методика дозволяє багатокритеріальне порівнянне конструкцій ГСП.

ефективно

виконувати

Список літератури: 1. Пуш А.В. Многокритериальная оптимизация шпиндельных узлов// Станки и инструмент. – №4. – 1987. – С. 14 – 18. 2. Пуш А.В. Расчет и проектирование гидростатических подшипников. Часть1. Гидростатические подшипники. - М.: Мосстанкин, 1978. – 48 с. 3. Риппел Г. Проектирование гидростатических подшипников. - М.: Машиностроение, 1970. - 136с. СОЗДАНИЕ ЛИТЕЙНО-ДЕФОРМАЦИОННОЙ ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КРУПНОГАБАРИТНЫХ ИЗДЕЛИЙ ОТВЕТСТВЕННОГО НАЗНАЧЕНИЯ Горецкий Г.П., Александров В.В., Алёшин Н.А. (ФТИ НАН Беларуси, Минск, Беларусь) The energy- and resource- saving casting-deformation technology has been developed for fabrication of hollow large-size items (of flange and gear ring types) using centrifugal electroslag casting with subsequent close tolerance forging. При производстве деформированием из проката крупногабаритных полых изделий типа фланцев, зубчатых венцов – низкий коэффициент использования металла (0,5 – 0,6). Кроме того, этот процесс является достаточно энергоёмким и включает в себя рубку проката на штучные заготовки с прогревом до 600ºC, осадку их, прошивку и раскатку с нагревом до 1200ºC. Так расход природного газа на нагрев печей при изготовлении поковок по серийной технологии составляет 6 – 7 млн. м3/г при годовом плане переработки 25000т проката. Задачи снижения энергозатрат при изготовлении крупногабаритных полых изделий могут быть решены за счёт применения технологии электрошлакового кокильного литья, позволяющего получать полую литую заготовку и ликвидировать 152

большинство штамповых переходов, оставив лишь заключительную формообразующую операцию для получения точной заготовки и проработки макроструктуры изделия. При этом образуется возможность переплава отходов проката, а также "выдры" и облоя, образующихся в процессе изготовления других поковок, сократив при этом транспортные расходы. Применение комбинированной литейно-деформационной технологии позволяет получить изделия в соответствии с требованиями мировых стандартов, обеспечив экономию штампового инструмента и энергетических затрат на его изготовление и эксплуатацию. В связи с необходимостью увеличения мощности по производству электрошлакового металла и расширения сортамента решается задача создания печей ЭШП, рассчитанных на получение слитков для дальнейшего передела деформированием. Эта задача наиболее полно решается при так называемой бифилярной однофазной схеме ЭШП. Сущность этого способа ЭШП состоит в том, что два одинаковых электрода, равные по сечению, переплавляются в одном кристаллизаторе, что достигается одновременной подачей их в шлаковую ванну одним механизмом. В нашем случае используются нерасходуемые графитовые электроды. В электродержателе они изолированы друг от друга и ток от одного к другому идёт через шлаковую ванну, а сами электроды подключены к вторичной обмотке источника питания (трансформатора). Применение бифилярной схемы плавки модернизированной печи с футерованным неводоохлаждаемым тиглем, который одновременно является разливочным ковшом, снижает расход электроэнергии до расхода в обычных дуговых печах. Недостатки канонического процесса ЭШП (высокая стоимость медного водоохлаждаемого кристаллизатораи невозможность использования отходов не оформленных в расходуемый электрод) можно преодолеть, если разделить его на две стадии: получение жидкого металла в тигельной печи электрошлаковым способом и заливая его в металлическую неохлаждаемую литейную форму вместе со шлаком, используемым в процессе плавки для рафинирования металла. Разливка производится в стационарный кокиль (электрошлаковое кокильное литьё) или во вращающийся кокиль (центробежное кокильное литьё).Расход электроэнергии при использовании футерованных электрошлаковых печей обычно не превышает 800 кВт/ч на 1 т. расплавленного металла, т. е. в два раза дешевле, чем при каноническом ЭШП. Таким образом, плавку отходов стали 20ХН3А для заготовок конических шестерён производили на той же модернизированной печи с неводоохлаждаемым футеровочным тиглем, который одновременно является разливочным ковшом. После подготовки расплава, отбора пробы для химического анализа ковш подаётся к центробежной установке для заливки центробежных изложниц. Они могут быть одноместные, так и многоместные по высоте (рисунок 1).

153

Рис. 1. Оснастка для центробежного кокильного литья заготовок шестерни 54862402060 (вариант сборки на 2 заготовки) К зубчатым колёсам предъявляются определённые требования. Основным эксплуатационным свойством смазываемых зубчатых колёс является контактная выносливость. Она определяет габариты зубчатой передачи и ресурс её работы. Кроме высокой контактной выносливости от зубчатых колёс требуется обеспечить сопротивление усталости при изгибе, износостойкость профилей и торцов зубьев, устойчивость к схватыванию. Наиболее полно этим требованиям удовлетворяют стали, имеющие твёрдый поверхностный слой и вязкую сердцевину, способную противостоять действию ударных нагрузок. Такие свойства можно получить правильным выбором пластического деформирования и соответствующего режима термообработки. По предложенной технологии использовалась кольцевая литая заготовка, полученная методом ЦЭШЛ из отходов стали 20ХН3А, с размерами, близкими к изготавливаемой поковке. После нагрева до ковочных температур она укладывается на нижнюю плиту и за операцию осадки оформляется в поковку шестерни с минимальным облоем (рис. 2).

Рис. 2. Способ формообразования крупных поковок

154

Штамповку производили на молоте ПШМ м.п.ч. 16 т. Нагрев заготовок производился в полуметодической печи с температурой 1300 ± 50 ºC. Заготовки нагревались до ковочной температуры 1180 ± 20 ºC, время нагрева – 150 мин. Была выбрана безоблойная штамповка, при которой полость штампа замкнута со всех сторон и заполняется вследствие перераспределения объёма заготовки. При этом заусенец или отсутствует (при массе заготовки, равной массе поковки), или образуется в форме тонкого венчика на торце поковки. Исследования показали, что при безоблойной штамповке резко выражена схема всестороннего сжатия и хорошо заполняются углублённые полости металлом, отходы в заусенец значительно меньше, чес при штамповке с заусенцем. На образцах, вырезанных из заготовок конических шестерён диаметром около 500 мм в нормализованном состоянии получены следующие свойства: σ в = 960 МПа, σ 0,2 = 760 МПа, δ = 15%, ψ = 55%, KCU = 160 Дж/см2. Микроструктура металла после штамповки не является окончательной. Для получения требуемой микроструктуры необходимо производить термообработку. Кроме того, в полученных полуфабрикатах важно получить мелкое зерно и не допустить отпускной хрупкости. Таким образом, разработана энерго- и ресурсосберегающая технология изготовления крупногабаритных изделий типа зубчатый венец. Она позволяет в техпроцессе использовать отходы собственного производства, что позволяет снизить объём проката конструкционных сталей, получить экономию энергоресурсов за счёт сокращения количества деформационных операций и затрат на материал и производство штампового инструмента и его эксплуатацию. КОНЦЕПЦИЯ УРОВНЕВОГО ОБРАЗОВАНИЯ НА БАЗЕ CALS – ТЕХНОЛОГИЙ Горобец И.А., Голубов Н.В., Калашников В.И., Лапаева И.В. (ДонНТУ, г. Донецк, Украина) The questions of educational life cycle of man are considered. The mutual relations of business and universities are shown. Conception of level education is offered on the base of information technologies. В настоящее время в условиях мировой глобализации происходит лавинообразное нарастание потока информации, охватывающего все сферы деятельности человека. Не является исключением и объем информации о процессах обучения, т.е. о непрерывном образовательном жизненном цикле (ОЖЦ) человека, которому необходимо постоянно и всесторонне учиться, что позволит ему быть гармонически развитой и конкурентно способной личностью на рынке труда. Это связано с закономерностями изменений как образования, так и требованиями современного бизнеса. Анализ потребностей, изменений и существующего состояния системы образования позволяет выделить и сформулировать ряд основных закономерностей развития образования, которые необходимо учитывать на различных этапах создания современных систем менеджмента качества образования [1]. К таким закономерностям можно отнести: диверсификацию, компьютеризацию, интернационализацию, индивидуализацию, интенсификацию, креативность, цикличность и

155

многоступенчатость, смену целевых установок, возрастание роли качества, опережающего, пожизненного образования. К таким закономерностям можно отнести: диверсификацию образования, закономерность индивидуализации образования, закономерность опережающего образования, закономерность пожизненного образования, закономерность интенсификации образования, закономерность компьютеризации образования, закономерность креативности образования, закономерность возрастания роли качества образования, закономерность цикличности и многоступенчатости образования, закономерность смены целевых установок образования, закономерность интернационализации образования. Обработать объем информации связанный с этими изменениями невозможно без использования современных информационных технологий (ИТ). На протяжении всего периода активной деятельности человека происходит непрерывное повышение его уровня образования. Структуру современного образовательного процесса человека можно представить в виде схемы (рис.1). Техническое училище Предприятия разработчики Школа

Професиональная ориентация

Университет

Производство

Центры занятости

Постпроизводственная деятельность

Колледж. Техникум.

Рис.1. Структура системы современного образования Начальный уровень образования закладывается в детских садах. К моменту окончания общеобразовательной школы у обучаемого формируется фундамент, включающий естественно-гуманитарные и общеобразовательные знания. Далее, в старших классах, возрастает роль профессиональных и научно-познавательных знаний. Так, анкетирование учащихся технических классов показало, что для старшеклассников доминирующими мотивами учения являются профессиональный (53%) и научнопознавательный (37%). Большинство старшеклассников (71%) отдают предпочтение тому, чтобы «знать основы главных предметов, а углубленно изучать только те предметы, которые выбираются, чтобы в них специализироваться». Т.е. профилизация обучения в старших классах соответствует структуре образовательных и жизненных установок большинства старшеклассников [2]. Следовательно, на содержание и объем информации существенно увеличивает влияние анализ предполагаемого в дальнейшем пути профессионального развития человека. Определяющую роль на этом этапе оказывают центры профессиональной подготовки, а также учебные заведения следующего уровня подготовки: профессионально-технические училища, колледжи, техникумы, университеты, в которых проводится эта работа. После окончания общеобразовательной школы появляется первое документальное подтверждение уровня образования – аттестат зрелости. Дальнейшая профессиональная подготовка в учебных заведениях следующего уровня подготовки (профессионально-технические училища, колледжи, техникумы, университеты или последовательное обучение в этих учебных заведениях) продолжает

156

увеличивать объем документальной информации об образовательном уровне человека. Это информация об итогах обучения в процессе выполнения расчетных и лабораторных работ, курсовых и дипломных проектов, результаты сдачи тестов, модулей, зачетов, экзаменов, прохождения практики. Для реальной характеристики возможностей и обучаемости человека необходимо использование систем учета успеваемости, оценки должны сохраняться в электронном виде в базе данных (БД) учебного заведения. Однако, полноценному использованию и хранению электронных документов, вариантов выполняемых работ препятствует отсутствие цифровых подписей. Отсутствие реализации механизма документооборота (описываемого workflow) не позволяет управлять актуальной информацией БД учебного заведения. После завершения обучения в учебных заведениях наступает самый длительный период активной деятельности человека – его трудовая деятельность. Однако это не означает прекращения процесса совершенствования профессиональной подготовки. В этот период, благодаря приобретаемым практическим навыкам, происходит продвижение работника по служебной лестнице, что находит отражение в информации о занимаемых должностях и категории сложности выполняемых работ. Кроме того, по мере замены технологического оборудования и программных средств ИТ, используемых на предприятии, специалист должен проходить обучение на предприятиях-разработчиках этих средств, а при переходе с одной должности на другую - проходить курсы повышения квалификации в высших учебных заведениях. В условиях динамично меняющейся ситуации на рынке труда возможна смена работником рода деятельности, что сопровождается переобучением в центрах занятости или в специальных учебных заведениях, рис.1. Все это приводит к значительному увеличению объема информации об ОЖЦ человека, о профессиональной подготовке специалистов. На сегодняшний день эта информация накапливается в виде приказов об изменении категории выполняемой работы и об изменении должности, в виде удостоверений и сертификатов о прохождении курсов повышения квалификации или переподготовки и т.д. Существующая система отображает только конечные результаты обучения личности, но не передает информацию о темпе, динамике процесса обучения. Известны случаи, когда текущие оценки обучаемого не совпадают с конечными. Следует повторить, что текущая информация об учащемся в одной общей БД пока нигде не хранится. Бизнес также заинтересован отслеживать динамику уровня развития (гуманитарную и техническую), обучаемость и психотип личности. Это позволит оптимизировать затраты времени и средств на поиск кадров и их дальнейшее продвижение по служебной лестнице, принося выгоду предприятию. Весь объем информации и ее правдивость заказчик не может получить и проверить в короткий срок до принятия на работу. Поэтому назначается испытательный срок, являющийся потерей бизнес интересов и времени предприятия. Рано или поздно для любого человека период производственной деятельности заканчивается выходом на пенсию, однако это не означает прекращение его трудовой деятельности. Это скорее принуждает к изменению сферы деятельности, что в период адаптации к новым условиям труда опять приводит к изменению уровня профессиональной подготовки работников, и, как следствие, к изменению объема информации об этой подготовке. Таким образом, за период обучения и активной трудовой деятельности любого человека накапливается значительный объем информации, характеризующий его профессиональную подготовку.

157

С другой стороны, все заметнее становится тенденция дефицита квалифицированных специалистов. Это приводит к снижению качества продукции даже в ведущих промышленных странах мира, что делает весьма актуальной проблему хранения и управления информацией о профессиональной подготовке специалистов. Для работодателей это очень важно при подборе специалистов. Наличие полного объема необходимой информации позволяет работодателю сделать необходимые выводы об этапах роста и направленности профессиональной подготовки нанимаемых специалистов. Для работников - это возможность претендовать на достойные условия оплаты труда. Однако традиционные способы хранения этой информации на бумажных носителях затрудняют решение этих задач из-за разобщенности, отсутствия информации о динамике образовательного процесса Личности и наличия большого объема информации по каждой из Личностей. Выходом из сложившейся ситуации может быть использование для решения задач образования CALS – технологий. Наибольшее развитие CALS–технологии получили в промышленности. Для обеспечения согласованной работы всех предприятий, участвующих в проектировании, производстве, реализации и эксплуатации изделий, используется соответствующая информационная поддержка этапов жизненного цикла изделий. Такая поддержка и компьютерное сопровождение жизненного цикла изделия получили название CALS (Continuous Acquisition and Lifecycle Support). Назначение CALS-технологий – это предоставление необходимой информации в нужное время, в нужном виде, в конкретном месте любому пользователю на всех этапах жизненного цикла изделия [3]. Информационное обеспечение этих технологий составляют базы данных, содержащие сведения о промышленных изделиях, используемые различными системами в процессе проектирования, производства, эксплуатации и утилизации изделий. В состав информационного обеспечения входят также серии международных и национальных CALS-стандартов и спецификаций [3]. Программное обеспечение CALS - технологий представлено программными комплексами, предназначенными для поддержки единого информационного пространства на всех этапах жизненного цикла изделий. Это системы управления документами и документооборотом, управления проектными данными, взаимодействия предприятий в электронном бизнесе, подготовки интерактивных электронных технических руководств и некоторые другие [3]. Это программное обеспечение позволяет решить и проблему, о которой упоминалось выше – проблему цифровой подписи. Характер программного и информационного обеспечения CALS - технологий позволяет сделать вывод о том, что они полностью соответствуют задачам, которые необходимо решать при создании эффективных средств управления информацией об ОЖЦ и профессиональной подготовке специалистов на всех этапах ее формирования. Еще одним важным вопросом является вопрос места накопления и хранения информации о профессиональной подготовке специалистов. В настоящее время эта информация, в виде отдельных фрагментов хранится, в учебных заведениях и на предприятиях где трудится специалист. Это существенно затрудняет доступ и анализ всего объема информации. Анализ информационных потоков показанных на рис.1 показывает, что наибольшее количество их проходит через университет. В университетах сосредоточены наиболее квалифицированны педагогические кадры и накапливается опыт реализации CALS – технологий. Следовательно, местом накопления и хранения этой информации должны быть крупные университетские центры, которые должны включать в свой состав учебные заведения всех уровней

158

подготовки. В России прообразами таких центров являются Южный федеральный и Сибирский федеральный университеты. В Украине, к сожалению, проблема создания таких центров не решается. Создание таких центров будет первым шагом к использованию CALS – технологий в системе уровневого образования. Следующий шаг – управление направленность подготовки специалистов. На основании информации из центров занятости, предприятий, о потребностях в специалистов и на основании имеющейся информации о наличии специалистов в учебных заведениях оперативно должны решаться вопросы изменения учебных планов в соответствии с реальными потребностями рынка труда. Существующая на настоящее время система, когда такая информация проходит сначала все уровни согласования в профильных министерствах и только после этого попадает, в виде указаний, в учебные заведения очень громоздка и инертна. Эти вопросы должны оперативно решаться путем изменения в учебных планах перечня дисциплин по выбору вуза. Таким образом, предлагаемая нами концепция образования на базе CALSтехнологий реализуется в следующем: 1. Человек является ключевым элементом в системе CALS-технологий образования, со всей сопутствующей информацией на протяжении его непрерывного образовательного жизненного цикла (ОЖЦ). 2. Хранителем необходимой бизнесу информации об ОЖЦ Человека является Университет. 3. Ключевой бизнес структурой в пирамиде образования и ОЖЦ Человека является Университет. Все учебные заведения территориально и профессионально должны подчиняться Университету, который является вершиной уровневой пирамиды. 4. Переподготовка кадров, повышение квалификации, переквалификация осуществляется университетами по заданию бизнес структур, которые должны вкладывать средства в техническое оснащение, переоснащение вузов. Это позволит одновременно улучшить подготовку молодых кадров. 5. Оказание услуги предоставления возможного дальнейшего обучения или информации о возможных путях его получения будет являться Бизнес интересом университета. 6. Базы данных (БД) CALS-технологий устанавливаются и хранятся в Университетах. Бизнес должен предоставлять информацию о трудоустроенном сотруднике для пополнения БД университета. 7. Управление информацией об ОЖЦ Человека осуществляется Университетом, который получает необходимую информацию от субъектов предпринимательской деятельности. 8. Функции управления приоритетными направлениями подготовки и переподготовки специалистов принадлежат Университетам. 9. Для интеграции сведений об ОЖЦ Личности в рамках государства создается интегральная база Университетов. Список литературы: 1. Корячко В.П., Таганов А.И., Таганов Р.А. Основные тенденции развития информационного, методического и инструментального обеспечений системы менеджмента качества образования вуза / Всероссийский конкурсный отбор обзорно-аналитических статей по приоритетному направлению "Информационно-телекоммуникационные системы", 2008. - 28 с. 2. .Ю. Фомина, С.П. Крум Организация непрерывного образования в системе школа-вуз /Сибирский

159

федеральный университет, Институт архитектуры и строительства: http://www.naukapro.ru/ot2007/1_027.htm. 3. Информационно-вычислительные системы в машиностроении. CALS-технологии / Ю.М.Соломенцев, В.Г.Митрофанов, В.В.Павлов, Л.В.Рыбаков - М.: Наука, ВНУТРЕННЕЕ ШЛИФОВАНИЕ ВОССТАНОВЛЕННЫХ ДЕТАЛЕЙ НЕФТЕПРОМЫСЛОВОГО ОБОРУДОВАНИЯ Гулиев А.Ф., Гамбарова Г.М. (Азербайджанский Технический Университет, г. Баку, Азербайджан) Статья посвящена актуальной проблеме обработки восстановленных деталей нефтепромыслового оборудования. Были проведены экспериментальные исследования по изучению сил резания и температуры обработки при внутреннем шлифовании пропитанными и обычными абразивными кругами с целью определения путей повышения эффективности процесса обработки. Одним из актуальных проблем нефтяного машиностроения является восстановление изношенных деталей на первоначальный размер. Разработан новый способ [1] восстановления деталей задвижек фонтанной арматуры, глубинных насосов и др. механизмов, позволяющий повысить эффективность их эксплуатации. Среди восстановленных деталей преобладают детали с отверстиями. Окончательная обработка восстановленных деталей нефтепромыслового оборудования с отверстиями осуществляется методом внутреннего шлифования. При этом эффективность внутреннего шлифования наряду с другими факторами во многом зависит от состава материала восстановленной детали и условия обработки абразивным инструментом. В настоящее время для восстановления деталей нефтепромыслового оборудования широко используются порошковые материалы на основе никеля. Проведенные исследования показали, что восстановленные детали плохо поддаются процессу внутреннего шлифования. Были проведены экспериментальные исследования по изучению эффективности процесса внутреннего шлифования втулок диаметром 40мм, высотой 50мм, поверхность которых была восстановлена металлическими порошками марок СНГН-50, ВСНГН и ПГ-СР2. Толщина восстановленного слоя составляла около 5мм. Шлифование проводилось абразивными кругами характеристикой 33А 25СМ1 7К6, диаметром 32мм. Предварительные эксперименты проводились обычным методом шлифования всухую (непропитанными абразивными кругами). Установлено, что при обычном методе шлифования наблюдается интенсивное тепловыделение и износ абразивного круга. Для улучшения условия шлифования дальнейшие эксперименты были проведены абразивными кругами, пропитанными новым способом [2]. Круги были пропитаны химическим составом, состоящим изследующих компонентов: стеарат цинка - 30%, стеарат аммония - 15%, марганцовокислый калий - 10%, сульфид натрия 5%, остальное - стеариновая кислота [3]. Эксперименты проводились на внутришлифовальном станке мод. ЗА228. Согласно разработанной методике исследования, эффективность процесса внутреннего шлифования оценивалась величиной сил резания и средней температуры обработки.

160

Силы резания были исследованы косвенным методом, т.е. измеряя в рабочем и холостом ходах употребляемую мощность электродвигателя шлифовального станка при помощи ваттметра К-50, после чего по известным формулам определялись составляющие сил резания Р z и P y . Температуру шлифования определяли дистанционным методом при помощи лазерной термокамеры фирмы «Fluke» США. Прибор для измерения температуры имеет возможность одновременно фиксировать нагрев детали и круга в области обработки во многих сечениях с точностью 0,1°С. При внутреннем шлифовании деталей, восстановленных различными марками порошковых материалов, оценивая величину сил резания можно характеризовать эффективность процесса обработки. Проведенные экспериментальные исследования показали, что при обычном методе шлифования (непропитанным кругом) наибольшие силы резания наблюдаются при обработке деталей покрытых слоем из порошкового материала марки СНГН-50. Например, установлено, что в режимах V k =25м/с, t= 0,005мм, S пр =0,2 м/мин, при обработке деталей, покрытых порошковым материалом марки СНГН-50, величина силы резания Р у =83Н, P z =36Н, а при шлифовании деталей восстановленных порошковым материалом марки ВСНГА, соответственно Р у =72Н и P z =28Н. Различие сил резания при внутреннем шлифовании материалов СНГН-50 и ВСНГН объясняется их составами и твердостью поверхностного слоя. Установлено, что после спекания на подложку материалов СНГН-50 и ВСНГН, их твердость составляет для СНГН-50 – 60…62HRC, а для ВСНГН – 55…58HRC. Известно [3], что эффективность внутреннего шлифования можно повысить путем пропитывания абразивных кругов различными поверхностно химическиактивными веществами (ПХАВ). Дальнейшие исследования процесса внутреннего шлифования проводились одновременно абразивными кругами, пропитанными новым составом ПХАВ, приведенным выше. Исследования проводились в широких диапазонах изменения режимов обработки, в частности, скорость круга изменялась от 15 до 35м/с, глубина резания варьировалась в пределах 0,002-0,01мм, продольная подача - от 0,1 до 0,5 м/мин. Эксперименты показали, что при шлифовании деталей пропитанными абразивными кругами по сравнению с обычным способом шлифования (не пропитанными кругами), во всех случаях силы резания Р у и P z снижаются до 30-50%, что дает возможность повысить производительность обработки и тем самым увеличить эффективность шлифования. При шлифовании непропитанными кругами деталей, восстановленных порошком марки СНГН-50, изменяя продольную подачу от S пр =0,1 до 0,5 м/мин (V k =25м/с, t = 0,005мм) сила резания Р у изменяется от 48 до 114Н, а при шлифовании пропитанными кругами Р у изменяется от 30 до 72Н. Такие же результаты получены при внутреннем шлифовании деталей, восстановленных порошковыми материалами ВСНГН и ПГ-СР2. Эффективность процесса шлифования можно характеризовать также температурой обработки. Так как чем меньше температура обработки, тем самым появится возможность увеличить производительность шлифования. В этой связи были проведены исследования температуры процесса внутреннего шлифования в различных условиях обработки. На рис. 1 приведены результаты измерения средней температуры при внутреннем шлифовании деталей, восстановленных порошковыми материалами СНГН-50 и ПГ-СР2. Шлифование

161

проводилось в широких диапазонах варьирования режимов обработки пропитанными и непропитанными кругами. Температура обработки фиксировалась лазерной термокамерой, установленной в процессе шлифования. Эксперименты показали, что при увеличении глубины резания от t=0,001мм до 0,006мм, при обработке деталей, восстановленных материалом СНГН-50 непропитанными кругами, средняя температура увеличивается от 355°С до 720°С (кривая 1), а при обработке деталей восстановленных материалом ПГ-СР2, температура изменяется от 295°С до 830°С (кривая 2). Установлено, что при обработке материала ПГ-СР2 начиная с глубины резания 0,004мм, температура шлифования значительно увеличивается по сравнению с обработкой материала СНГН-50. Это объясняется тем, что шлифуя непропитанными кругами при больших значениях глубины резания, на поверхности круга наблюдаются следы засаливания из компонентов порошка ПГ-СР2. Это обстоятельство приводит к снижению режущей способности абразивного круга, тем самым увеличиваются силы резания и соответственно возрастает температура обработки. Исследованиями установлено, что при обработке пропитанными кругами деталей, восстановленных порошками марки СНГН-50 и ПГ-СР2, температура шлифования снижается примерно в 1,3-1,5 раза. На рис. 1 кривая 1′ показывает изменение температуры при внутреннем шлифовании деталей покрытых слоем из порошка СНГН-50, а кривая 2′ - деталей покрытых порошком ПГ-СР2. Из рисунка видно, что при обработке пропитанными кругами указанных материалов (t=0,006 мм), температура резания не превышает 630 660°С. Это объясняется тем, что пропитка абразивных кругов позволяет увеличить режущую способность отдельных абразивных зерен за счет снижения трения в контактной зоне шлифования. При обработке пропитанными кругами не наблюдалось прилипание обрабатываемого материала на поверхность круга. Процесс шлифования происходит без засаливания круга, что позволяет сохранять его режущую способность в долгий период обработки. С

700

Х Х

600

500 2

1’

2’

400

300

Х 200

Х 0,002

0,003

0,004

0,005

t, mm

Рис.1. Влияние глубины резания на температуру обработки. Шлифовальный круг: 33А25ЖМ17К6; 1, 1′ - СНГН-50; 2, 2′ - ПГ-СР2; υ к =25 м/с, υ д =0,3 м/с; С пр =0,3 м/с; ____ непропитанными кругами, ---- пропитанными кругами. 162

На рис. 2, приведены фотографии измерения максимальной средней температуры при внутреннем шлифовании деталей из материалов СНГН-50 (а и в) и ПГ-СР2 (б и г). Установлено, что при установившемся процессе шлифования термокамера фиксировала температуру врезания круга на обрабатываемый материал и получены следующие результаты. Например, при t=0,005 мм в условиях обычного шлифования деталей из марки СНГН-50 температура шлифования достигает 685,1°С (рис. 2, а), а при обработке материала ПГ-СР2 - 773,4°С (рис. 2, б).

в) Кривая 2′; t=0,005

г) Кривая 1′; t=0,005

а) Кривая 2; t=0,005 б) Кривая 1; t=0,005 Рис. 2. Фрагменты температуры обработки. (Режимы по рис. 1) При обработке этих же материалов пропитанными кругами температура шлифования достигает соответственно 528,3 °С (рис. 2, в) и 591,4°С (рис. 2, г). Пропитанные круги позволяют значительно снизить температуру при внутреннем шлифовании различных материалов. На основании проведенных экспериментальных исследований определены оптимальные режимные интервалы для внутреннего шлифования деталей нефтепромыслового оборудования, восстановленных порошковыми материалами. Была рекомендована и внедрена технология пропитки абразивных кругов при внутреннем шлифовании деталей на заводе по выпуску нефтепромысловых деталей в г. Баку. Список литературы: 1. Аббасов В.А., Гафаров В.В. и др. «Способ нанесения покрытия порошковыми сплавами». Патент Азерб. Республики № I 2000 0082, от 23.03.2000. 2. Аббасов В.А., Гашимов Г.А., Гамбарова Г.М. Способ пропитки абразивных кругов. Патент Азерб. Республики № I 2001 0032, от 22.01.2001. 3. Аббасов

163

В.А., Гамбарова Г.М. Состав для пропитки абразивных кругов. Патент Азерб. Республики № I 2001 0031, от 22.01.2001. СИСТЕМА УПРАВЛІННЯ ТУНЕЛЬНОЮ ПІЧЧЮ ДЛЯ ВИПАЛУ ЦЕГЛИ НА БАЗІ SWITCH ТЕХНОЛОГІЇ Гуменюк Л.О., Лотиш В.В. (Луцький НТУ, Луцьк, Україна) The article discussed the use of automatic approach for automating the management tunnel furnace for firing bricks. A library of base classes BaseAutomationElements and software implementation of the algorithm of this library based on object-oriented approach.As part of the implementation of objects designed to simulate the measurement and enforcement mechanisms. The flexible structure of the relationship of objects can qualitatively improve the model. Велике значення на цегельних заводах має автоматизація виробничих процесів, де внаслідок модернізації і механізації створюється ще сприятливіші умови для її втілення. Однак у даний час темпи автоматизації виробничих процесів на цегельних заводах значно менші від темпів автоматизації в інших галузях народного господарства. Такий стан пояснюється перш за все тим, що широкому втіленню комплексної автоматизації на цегельних заводах перешкоджає недосконалість деяких технологічних агрегатів і процесів та значний об’єм ручної праці. Додатковими перешкодами при створенні систем автоматичного управління є велика вартість здавачів та контролерів, недостатня вивченість основних виробничих процесів з точки зору їх автоматизації і відсутність залежностей, необхідних для програмного і оптимального автоматичного управління. Тунельна піч представляє собою тунель певної довжини (рис. 1).

Рис. 1. Тунельна піч для випалу цегли Випалювальний канал заповнюється вагонетками з навантаженим сирцем. Верхня частина вагонеток має вогнетривке футерування, а по боках їх є сталеві фартухи (ножі). В нижній частині, по боках, канал печі має пісочні затвори, заповнені піском, якими проходять бічні фартухи (ножі) вагонеток. Таким чином ізолюється верхня вогнева частина печі від нижньої, де знаходяться осі, колеса і металеві деталі вагонеток та колії. По центру печі між коліями та нижче них вздовж печі будують аварійний (зольний) канал. Канал печі по довжині ділиться на три зони – підсушування / підігрівання, випалювання та охолодження. Проходячи вздовж печі за допомогою

164

штовхача, що встановлюється попереду каналу, цегла на вагонетці спочатку підсушується і нагрівається до температури близько 700°С. Далі у зоні, де спалюється паливо, вона випалюється, нагріваючись до 950-1050°С і, нарешті, проходячи третю зону, цегла охолоджується і з температурою 50-100°С виходить з печі. У зоні підсушування / нагрівання та у зоні випалювання цегла нагрівається димовими газами, що виділяються при горінні палива і рухаються в печі у напрямку, протилежному руху вагонеток внаслідок розрідження, утворюваного в каналі відсмоктуючим вентилятором. В зоні охолодження цегла охолоджується повітрям, що рухається вздовж каналу вказаної зони. Повітря у піч подається нагнітаючим вентилятором або поступає через відкриті двері завдяки розрідженню, утворюваному в каналі тим же відсмоктуючим вентилятором. Відбір димових газів та подача теплоносія на сушку здійснюється за допомогою вентиляторів. До основних параметрів процесу випалу цегли можна віднести: температуру, інтенсивність подачі палива, тиск та розрідження. Правильне контролювання та регулювання цих параметрів дасть змогу отримувати високоякісну продукцію та ефективно використовувати ресурси. Метою автоматичного регулювання теплового режиму тунельної печі є підтримування заданої температури по довжині печі і особливо у зоні випалу. У цій зоні температура повинна становити 1000±50°С. Система регулювання повинна складатись з регуляторів, що підтримують постійну величину витрати палива, подачі повітря в зону охолодження чи випалу, відбір надлишкового повітря із зони охолодження та димових газів із зони підготовки. Крім температурного режиму необхідно регулювати також аеродинамічний режим випалу. В зоні підігріву необхідно створювати розрідження в межах 3±0,5 мм.вод.ст., а в зоні охолодження – створювати надлишковий тиск в межах 5±0,5 мм.вод.ст. Розрідження та тиск створюються відповідно відбираючим та нагнітаючим вентиляторами, які приводяться в рух від електродвигунів з плавним регулюванням швидкості обертання. Система автоматизованого управління процесом випалу цегли повинна забезпечувати виконання ряду функцій: − автоматизована стабілізація температури в печі; − автоматизована стабілізація повітря у піч; − автоматичний контроль температури; − автоматичний контроль подачі газу; − дистанційне управління всіма регулюючими органами; − дистанційне блокування пуском і зупинкою системи подачі газу; − сигналізація всіх технологічних параметрів; − сигналізація роботи пальників. При розробці систем управління технологічними об’єктами і процесами важливою є задача формалізації описів їх поведінки. Для алгоритмізації та програмування систем зі складною поведінкою використовується Switch технологія, названа також автоматним програмуванням. Ця технологія успішно зарекомендувала себе при створенні систем логічного управління. Для реалізації управління тунельною піччю для випалу цегли на базі Switch технології було розроблено бібліотеку базових класів BaseAutomationElements. До її складу входять такі класи: 1. TLogicalConnection – логічний зв’язок; 2. TLogicalElement – логічний елемент;

165

3.TElementCollection – колекція логічних елементів; 4.TConnectionCollection – колекція логічних зв’язків; 5.TLogicManager – менеджер логіки автомата. Процес реалізації автоматизованого елемента управління на основі бібліотеки класів BaseAutomationElements складається з наступних етапів: 1. Проектування системи: а) виділення всіх автономних елементів управління системи (вимірювальний, керуючий, виконавчий), б) розробка діаграм стану кожного елемента системи, в) виділення необхідних інформаційних та керуючих зв’язків системи між її елементами. 2. Програмна реалізація логіки роботи системи: а) створення ідентифікаторів зв’язків, що відповідають зв’язкам системи, б) створення логічних елементів наслідуванням від TLogicalElement та програмування абстрактного методу CheckState, що реалізує логіку діаграми стану даного елемента, в) реалізація наслідника TLogicManager, що агрегує екземпляри всіх логічних елементів даної системи та зв’язків, що вони використовують. 3. Програмна реалізація презентаційного рівня системи: а) створення форми додатка, б) реалізація методу створення екземпляра TLogicManager, в) ініціалізація наданих TLogicManager’ом логічних елементів системи, г) створення візуальних компонентів відображення та керування станом системи, д) реалізація механізму синхронізації стану системи та візуальних компонентів, е) реалізація механізму виконання ітерацій роботи системи викликом методу TLogicManager.Iterate();. Проектування системи управління тунельною піччю почнемо з виділення всіх автономних елементів управління системи: двигун, головний вмикач, 2 манометри, 2 вентилятора, термодавач, газові пальники. Виділивши автономні елементи, розробляємо їх діаграми стану. Розробивши діаграми станів, виділимо необхідні інформаційні та керуючі зв’язки між елементами системи (рис. 2). Створивши всі логічні Рис. 2. Автономні елементи системи елементи реалізуємо наслідник управління і зв’язки між ними TLogicManager, що агрегує екземпляри всіх логічних елементів даної системи та зв’язків, які вони використовують.

166

Після створення логічних елементів та зв’язків системи наслідник TLogicManager повинен ініціалізувати систему управління, підключивши відповідні зв’язки та елементи управління. Створюємо форму, на якій розміщуємо необхідні елементи для відображення інформації та елементи для управління системою (рис. 3).

Рис. 3. Зовнішній вигляд додатка. Таким чином, для автоматизації системи управління тунельною піччю для випалу цегли пропонується використання автоматного підходу. Запропоновано бібліотеку базових класів BaseAutomationElements і програмна реалізація алгоритму використання цієї бібліотеки на базі об’єктно-орієнтованого підходу. В рамках даної реалізації розроблені об’єкти для моделювання вимірювальних і виконавчих механізмів. Гнучка структура взаємозв’язку об’єктів дозволяє якісно удосконалювати модель. Список літератури: 1. Programmable Controller. MELSEC – A. Programming Manual. Type ACPU. Common Instructions. Mitsubisi Electric. 2. Фалд А., Харрисон П. Функциональное программирование. М.: Мир, 1993. 3. Баранов С.И. Синтез микропрограммных автоматов (граф-схемы и автоматы). Л.: Энергия, 1979. 4. Бардзынь Я.М., Калныньш А.А., Стродс Ю.Ф., Сыцко В.А. Язык спецификаций SDL/PLUS/ и методика его использования. Рига: ЛГУ, 1986.

167

МЕТОДЫ ЧИСЛЕННОГО РАСЧЕТА И ОПТИМАЛЬНОГО СИНТЕЗА СЛОИСТО-НЕОДНОРОДНЫХ КОМПОЗИЦИЙ ДЛЯ ТРУБОПРОВОДНЫХ СИСТЕМ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ ЭКСТРЕМАЛЬНЫХ ФАКТОРОВ ВНЕШНЕЙ СРЕДЫ Гусев Е.Л. (ИПНГ СО РАН, г. Якутск, Россия) On the base mathematical models of the pipe-line transport the variational statement of problems of the optimum synthesis of layered heterogeneous structures for the pipe-line systems at influence extreme factors of external medium is studied. Работа выполнена про поддержке Российского Фонда фундаментальных исследо-ваний - гранты №№ 07-01-00634, 09-08-98501. При проектировании и эксплуатации трубопроводных систем, прокладываемым по территориям, характеризующимся широким разнообразием экстремальных факторов, высокой сейсмической активностью, значительными экстремальными перепадами температур, необходимо предусматривать дополнительные возможности обеспечения требуемых режимов транспортировки сред. При этом в условиях значительного перепада экстремальных температур необходимо учитывать зависимость основных параметров транспортируемых сред от температуры, а также влияние такой зависимости на режимы транспортировки. На основе математических моделей трубопроводного транспорта сформулирована вариационная постановка задач оптимального синтеза слоистонеоднородных композиций для трубопроводных систем при воздействии экстремальных факторов внешней среды. В рамках вариационной постановки проведено исследование качественных закономерностей влияния зависимости основных параметров транспортируемых сред от температуры на режимы трубопроводного транспорта для случаев значительных экстремальных перепадов температуры внешней среды. Для транспортируемых вязких жидкостей зависимость кинематической вязкости от температуры ν = ν (T ) принималась в соответствии с формулой Рейнольдса-Филонова : В уравнениях ν = ν 0 exp(− k (T − T0 )). трубопроводного транспорта также учитывалась зависимость коэффициента гидравлического сопротивления ψ от температуры: ψ=ψ(T). Значительные экстремальные перепады температуры внешней среды приводят к изменениям коэффициента гидравлического сопротивления, следствием чего является изменение расчетных режимов транспорта. Коэффициент гидравлического сопротивления зависит от 4 основных параметров: скорости течения транспортируемой среды v; кинематической вязкости ν = ν (T ) ; внутреннего диаметра трубопровода D; средней высоты выступов шероховатости внутренней поверхности трубопровода Δ, т.е. ψ = f (v ,ν , D, ∆ ). Однако коэффициент гидравлического сопротивления ψ не зависит ни от плотности транспортируемой среды ρ, ни от ускорения силы тяжести g, поскольку трение между слоями жидкости или газа не зависит ни о плотности, ни от силы притяжения слоев к Земле. Коэффициент гидравлического сопротивления ψ является безразмерной величиной, т.е. его численное значение не зависит от выбора системы единиц измерения. Поэтому величина ψ будет определяться безразмерной комбинацией только двух параметров, вместо четырех: числом Рейнольдса Re и относительной шероховатостью трубопровода ε: (1) ψ (T ) = ψ (Re(T ), ε ), Re(T ) = vD / ν (T ), ε = ∆ / D.

168

В качестве исследуемой зависимости коэффициента гидравлического сопротивления от температуры вида (1) при математическом моделировании процесса функционирования трубопроводной системы была принята формула А.Д. Альтшуля: 1/ 4

 68   . (2) ψ (T ) = 0,11 ε + Re( T )   Задача обеспечения заданных режимов трубопроводного транспорта может решаться как на стадии проектирования трубопроводной системы, так и на последующей стадии эксплуатации. В связи с большой протяжённостью трубопроводных систем различного назначения, многообразием климатических и геофизических условий эксплуатации, одним из перспективных направлений повышения эффективности трубопроводной системы является применение при их проектировании и эксплуатации полимерных и композиционных материалов. В последние десятилетия, в связи с разработкой новых композиционных материалов с широким разнообразием физико-механи-ческих и химических свойств возникает проблема разработки физической и геометрической структуры трубопроводной системы, обеспечивающей наиболее эффективный режим транспорта в условиях экстремальных факторов внешней среды. Конструкция стенок трубопроводов проектируется согласно полю действующих нагрузок и, как правило, является многослойной. Физическая и геометрическая структура слоисто-неоднородной трубопроводной системы оказывает существенное влияние на режим транспорта. При этом композиционные и полимерные покрытия, приме-няемые как на стадии проектирования, так и на стадии эксплуатации трубопроводной системы, могут быть как наружными (т.е. наносимыми на наружную поверхность трубопроводных систем ), так и внутренними (т.е. наносимыми на внутреннюю поверхность). Наружные полимерные и композиционные покрытия применяются для достижения целей эффективной защиты от экстремальных факторов внешней среды (коррозия, температурные, ударные, сейсмические воздействия). Модифицируя структуру композиционного покрытия, меняя состав композиции, а также конструкцию покрытия, можно значительно улучшить как физико-химические и механические свойства композиционного покрытия, так и комплекс этих свойств. Разработка многослойных покрытий из композиционных материалов позволяет создавать композиции, одновременно сочетающие высокие химические и механические свойства, не достижимые для однослойных покрытий. Направленный выбор физической и геометрической структуры покрытий из композиционных материалов позволяет достичь существенного синергетического эффекта в улучшении свойств слоисто-неоднородных покрытий по сравнению с однослойными. Увеличение числа слоев покрытия может позволить существенно улучшить его физико-механические свойства, а также разрабатывать композиционные покрытия, в которых отсутствуют характерные недостатки покрытий, имеющих меньшее число слоев. Внутренние полимерные и композиционные покрытия применяются для достижения целей обеспечения эффективной защиты от коррозии, обеспечения высокой абразивной стойкости, стойкости к нефтепродуктам и различным химическим реагентам, эффективного увеличения пропускной способности трубопроводной системы, обеспечения значительного снижения отложений на внутренней поверхности. Кроме разработки и применения наружных и внутренних полимерных и композиционных покрытий в трубопроводных системах важным фактором существенного увеличения эффективности функционирования трубопроводной системы является эффективный учет при разработке труб из полимерных и

169

композиционных материалов возможности одновременного влияния ряда экстремальных факторов внешней среды, которые могут иметь различную природу. Полимерные трубы имеют ряд значительных преимуществ перед стальными трубами: они технологичны в изготовлении, легче стальных в 5-8 раз, полимерный материал труб имеет хорошую химическую стойкость. При этом стоимость полимерных труб соизмерима со стоимостью стальных труб. Тем не менее, полимерные трубы имеют и ряд недостатков перед стальными трубами: прочность материала полимерных труб значительно меньше, чем стальных (поэтому полимерные трубы могут применяться лишь при низких давлениях); у полимерных труб низкий температурный диапазон использования (с ростом температуры падает прочность материала полимерной трубы). Материал полимерных труб подвержен старению, в результате чего прочность его также падает, что требует понижения эксплуатационного давления. Полимерные трубы, как правило, имеют повышенную хрупкость. Применение труб из композиционных материалов (стеклопластиковых) позволяет значительно повысить прочность полимерных труб (поскольку они обладают высокой прочностью, соизмеримой с прочностью стали). Прочность стеклопластиковых труб не меняется в пределах рабочих температур и в течение всего срока эксплуатации трубопровода. При этом они легче стальных в 4,0-4,5 раза, материал труб обладает хорошей химической стойкостью, высокой теплостойкостью. Разрабатываемые многослойные металлополимерные трубы для трубопроводов соединяют в себе достоинства металлических и полимерных труб (они обладают прочностью металлических труб, не коррозируют, являются достаточно гибкими, обеспечивают газонепроницаемость). Применение многослойных металлополимерных труб позволило решить ряд важных проблем, стоявших перед чисто полимерными трубопроводами. Металлополимерные трубы в отличие от полимерных сохраняют приданную форму. Многослойные металлополимерные трубы обладают низким коэффициентом линейного расширения. Тепловое расширение металлополимерной трубы соизмеримо с аналогичными характеристиками металлических труб и на порядок ниже, чем у труб из полимерных материалов, что позволяет уменьшить количество компенсаторов и значительно увеличить расстояние между опорами трубопроводов. Металлополимерные трубы также обеспечивают газонепроницаемость. Таким образом, физическая и геометрическая структура слоисто-неоднородных труб, разрабатываемых для трубопроводных систем, совместно с физической и геометрической структурой композиционных покрытий, наносимых как на внешнюю, так и внутреннюю поверхности трубопроводных систем оказывают существенное влияние на эффективность функционирования трубопроводных систем в условиях экстремальных факторов внешней среды. В соответствии с этим, возникает важная проблема направленного выбора физической и геометрической структуры как самой трубопроводной системы, так и физической и геометрической структуры внешних и внутренних композиционных покрытий, обеспечивающей наиболее эффективный режим функционирования трубопроводных систем в условиях неблагоприятных сочетаний экстремальных факторов внешней среды. Проведено математическое моделирование процессов функционирования трубопроводного транспорта в рамках сформулированной вариационной постановки, к которой могут быть сведены задачи оптимального проектирования физической и геометрической структуры трубопроводной системы при воздействии экстремальных факторов внешней среды. В качестве математической модели функционирования

170

трубопроводной системы в условиях экстремальных факторов внешней среды, в рассматриваемой вариационной постановке, принята система уравнений неразрывности, состояния, сохранения энергии и импульса. Теплообмен транспортируемой по трубопроводной системе среды с окружающей внешней средой считается происходящим по закону Ньютона. Соответствующие задачи оптимального проектирования физической и геометрической структуры трубопроводных систем в вариационной постановке сформулированы в форме многокритериальных задач оптимизации. Вводимая система критериев качества R0 , R1 ,..., Rk формулирует комплекс требований, обеспечивающих наиболее эффективный режим функционирования трубопроводной системы в условиях экстремальных факторов внешней среды. При этом в рассматриваемой вариационной постановке задач оптимального проектирования может быть выделен основополагающий показатель эффективности R0 , достижение экстремального значения которого имеет первостепенное значение для наиболее эффективного функционирования трубопроводной системы. Данный показатель эффективности может быть сформулирован в форме некоторой меры близости распределения температуры и давления по длине трубопровода L на рассматриваемом промежутке времени t 0 ≤ t ≤ t 1 к требуемым зависимостям: t1 L

R0 = ∫ ∫ F [T ( x , t ); p( x , t )] ⇒ min .

(3)

t0 0

Остальные показатели эффективности Ri , ( i = 1,..., k ) выражают требования эффективности структуры трубопроводной системы по отдельным показателям. Вводимые показатели эффективности Ri , ( i = 1,..., k ) могут включать такой широкий набор многоцелевых требований к обеспечению наибольшей эффективности функционирования трубопроводной системы как обеспечение эффективной защиты от экстремальных факторов внешней среды (например, факторов, связанных с коррозией); обеспечение наилучшей конструктивной реализуемости композиционной структуры ТС; повышение экономической целесообразности композиционной структуры ТС (например, эффективное уменьшение стоимости); эффективное увеличение прочности от действия статических нагрузок (статические нагрузки от действия грунта, нагрузки от защемления трубопровода в грунте, статические нагрузки, связанные с пучением грунта и т.п.); эффективное увеличение прочности ТС от действия динамических нагрузок (ударные нагрузки, сейсмические воздействия и т.п.); эффективное повышение температурной стойкости (например, от действия кратковременных интенсивных температурных нагрузок и т.п.); обеспечение высокой абразивной стойкости; повышение эффективности транспортировки сред с высокой коррозийной активностью; повышение стойкости к нефтепродуктам и различным химическим реагентам; эффективное увеличение пропускной способности ТС; эффективное снижение отложений на внутренней поверхности ТС и т.д. Физическая и геометрическая структура трубопроводной системы может быть описана р-мерной вектор-функцией u(z)(0≤z≤l), характеризующей распределение физико-механических и химических свойств по толщине слоисто-неоднородной композиции. Здесь р - число различных свойств материалов, оказывающих влияние на эффективность функционирования трубопроводной системы ; l- толщина слоистонеодно-родной композиции. Тогда в вариационной постановке задача оптимального проектирования физической и геометрической структуры слоисто-неоднородной композиции, обеспечивающей наиболее эффективный режим транспорта, как 171

многокритериальная задача оптимизации заключается в поиске такой р-мерной векторфункции u* ( z ) , доставляющей минимальное значение системе критериев: Ri [u(⋅)] ⇒ min , u ( ⋅ )∈U . (4) i = 0,1,2,..., k . В этих обозначениях U – множество допустимых физико-механических и химических свойств материалов, участвующих в проектировании слоистонеоднородной композиции ТС. Проведен сравнительный анализ эффективности различных способов сведения сформулированной многокритериальной задачи оптимального проектирования в вариационной постановке (4) к задаче оптимизации с одним критерием. Проанализированы факторы, определяющие сложность структуры оптимальной слоисто-неоднородной композиции трубопровода. На основе математического и компьютерного моделирования проведено исследование особенностей функционирования трубопроводных систем в условиях экстремально низких температур. Проведено исследование влияния зависимости основных параметров транспортируемой среды от температуры на режимы функционирования трубопроводных систем в условиях экстремально низких температур внешней среды. Методами математического и компьютерного моделирования исследованы многокритериальные вариационные постановки задач оптимального проектирования трубопроводных систем в условиях экстремально низких температур, когда в качестве основополагающего показателя эффективности рассматривается критерий, связанный с эффективной теплоизоляцией трубопроводных систем . Проведен сравнительный анализ факторов, влияющих на сложность оптимальной структуры слоистонеоднородной композиции трубопровода в условиях экстремально низких температур внешней среды. На основе математических моделей функционирования трубопроводных систем в условиях экстремально низких температур внешней среды проведены вычислительные эксперименты при различных значениях параметров, описывающих трубопроводную систему. На основе проведенных вычислительных экспериментов установлены закономерности зависимости оптимальной структуры трубопроводной системы от определяющих параметров. ЗАДАЧИ ЭКРАНИРОВАНИЯ СЕЙСМИЧЕСКИХ ВОЛН СЛОИСТОНЕОДНОРОДНЫМИ СТРУКТУРАМИ И МЕТОДЫ ИХ РЕШЕНИЯ Гусев Е.Л. (ИПНГ СО РАН, г. Якутск, Россия) Variational statement of problems of the optimum synthesis of layered heterogeneous seismo-protective screen is studied. The necessary optimality conditions and analytical correlations for the effective a priori narrowing of ensemble materials of admissible set are developed. Работа выполнена про поддержке Российского Фонда фундаментальных исследований - гранты №№ 07-01-00634, 09-08-98501. В последние годы значительное внимание уделяется проблемам создания новых эффективных подходов к повышению сейсмостойкости сложных технических сооружений, конструкций различного назначения [1- 5] . Важность и актуальность

172

данной проблемы обуславливается также и тем, что по данным ряда авторов в сейсмически опасных районах страны действующим нормам сейсмостойкого строительства удовлетворяет лишь около 5% существующей застройки [6]. Чрезвычайно важное значение эффективное решение проблем сейсмостойкости, сейсмостойкого строительства имеет при проектировании сложных технических систем для нефтяной и газовой промышленности, трубопроводных систем [7- 9]. Кроме того, развитие добывающих, а также ряда других отраслей промышленности, строительство крупных водохранилищ и т.д., может привести к землетрясениям, имеющим «техногенное» происхождение. Все это приводит к необходимости учитывать сейсмические воздействия, в том числе на подземные и надземные трубопроводы. Трубопроводы являются чувствительными как к сейсмическим смещениям почвы (в первую очередь это подземные трубопроводы), так и к динамическим воздействиям (прежде всего это различные надземные трубопроводные системы). При этом суммарная протяженность трубопроводов различного назначения на территории РФ составляет несколько десятков тысяч километров. Несмотря на многочисленные исследования и различные подходы к решению проблемы сейсмостойкости зданий и сооружений (повышение прочности конструкций, выбор рациональных схем сооружений, применение гасителей колебаний, амортизаторов, сейсмоизоляции, выключающихся связей, стволов жесткости и т.д.), в настоящее время нет оптимального решения повышения сейсмостойкости зданий и сооружений. Исследования последних десятилетий показали, что при развитии теории сейсмостойкости недооценивалось использование современного аппарата волновой механики для правильной оценки сейсмостойкости сооружений и определения на их основе наиболее оптимальных конструктивных решений. Было установлено, что применение аппарата волновой механики позволяет обнаружить новые свойства и явления при воздействии сейсмических волн, и на основании этого создать более совершенные конструктивные формы сейсмостойкости зданий и сооружений. Строительство зданий, сооружений, проектирование трубопроводных систем в сейсмически опасных районах требует знания законов распространения сейсмических волн от очага землетрясения до поверхности земли; знания закономерностей взаимодействия оснований сооружений с грунтом при действии сейсмической нагрузки; знания закономерностей распространения волновых напряжений по конструкциям сооружения и т.д. Для выяснения законов распространения различных типов волн необходимо в каждом конкретном случае установить связь поля напряжений или смещений с элементами структуры среды, в которой распространяется волна. Несмотря на большое разнообразие сложных факторов, приводящих к наличию в реальной картине землетрясения множества явлений и эффектов, не учитываемых в рамках существующих моделей, тем не менее исследования последних десятилетий показывают, что значительную часть новых явлений и эффектов, присущих реальной картине землетрясения, можно учесть в рамках моделей, в основу которых положен волновой характер распространения сейсмических волн в слоисто-неоднородных средах. В работах [5, 10, 11] показано, что создание многослойного экрана определенной структуры, состоящего из слоев с определенным образом подобранными физикомеханическими свойствами, в ряде случаев может привести к эффективному уменьшению интенсивности прошедших через экран сейсмических волн. Влияние экрана на интенсивность и характер распределения напряжений за ним определяется

173

как структурными особенностями самого экрана (физико-механическими характеристиками составляющих его слоев, толщинами слоев, характером сочленения слоев с различными физическими свойствами в конструкции экрана и т.д.), так и закономерностями прохождения волн через экран, а также дифракцией волн относительно экрана. Экранирующая роль структурно-неоднородных экранов заключается как в рассеивании энергии волн за счет экранирования (поглощения, отражения, преломления, наложения волн друг на друга в процессе многократных отражений и преломлений от границ раздела слоев экрана и т. д.), так и колебании самих экранов и сооружения в целом. За экраном возникает сложное волновое поле напряжений, образующееся в результате интерференции волн, прошедших через экран и дифрагированных относительно него, и взаимодействия результирующего поля со свободной поверхностью. Однако указанные исследования в целом не дают возможности практически решать задачу о выборе оптимальной конструкции экрана для защиты сооружений от действия сейсмических нагрузок, поскольку применяемые подходы не позволяют варьировать изучаемые параметры в широком диапазоне. На основе математического моделирования взаимодействия упругих волн со структурно-неоднородными экранами, проведено изучение влияния параметров многослойного экрана на динамическое НДС волнового поля. Широкий круг задач, связанный как с решением проблем сейсмологии, сейсмостойкого строительства сложных технических систем, объектов нефтяной и газовой промышленности, трубопроводных систем, так и проблем современного приборостроения, связанных со все возрастающим применением композиционных материалов, приводит к необходимости исследования, как в прикладном, так и в теоретическом аспектах, возможности наиболее эффективного управления энергетическими характеристиками волновых процессов на основе направленного выбора геометрической и физической структуры композиционных систем [12, 13]. Вблизи свободной поверхности, а также при воздействии волн с преградами на границах, происходит наложение различных типов волн, что вызывает большие трудности математического исследования волновых задач. Наличие же слоев, где существуют волны различных типов, особенно усложняет математические трудности исследования волновых задач. Изучена вариационная постановка задач оптимального синтеза слоистонеоднородных cтруктур с требуемым комплексом свойств при воздействии упругих волн. Исследуется проблема, связанная с изучением возможности направленного управления эффектом преобразования мод на границах раздела упругих слоев для эффективного расширения пределов в конструировании структурно-неоднородных конструкций с требуемым комплексом свойств. Приведены необходимые условия оптимальности для задач оптимального синтеза слоисто-неоднородных конструкций при воздействии упругих волн в вариационной постановке. Построены аналитические соотношения позволяющие осуществлять эффективное априорное сужение множества материалов допустимого набора, а следовательно повысить эффективность методов поиска оптимальных решений и расширить пределы применимости различных подходов. Список литературы. 1. Столяров В.Г. Сейсмические воздействия, сейсмические

174

фундаменты и безопасность зданий//Безопасность строительного фонда России. Проблемы и решения. Материалы международных академических чтений, Курск, 2006, с. 156-161. 2. Баженов В.Г., Зефиров С.В., Лаптев П.В. Численное моделирование взаимодействия сооружений с двухслойным грунтовым основанием при сейсмических воздействиях//Проблемы прочности пластичности, Н. Новгород, НГУ, 2005, в. 67, с. 162-167. 3. Абовский Н.П., Енджиевский Л.В., Наделяев В.Д. Новые конструктивные решения для сейсмостойкого строительства в особых грунтовых условиях//Сейсмостойкое строительство. Безопасность сооружений, 2004, № 3, с.30-32. 4. Волновые процессы в конструкциях зданий. М.: Наука, 1987. 160 с. 5. Мелик- Елчян А.Г. Повышение сейсмостойкости зданий и сооружений. Ереван, Айастан, 1989. -317 с. 6. Воробьев В.Г., Мазуров Н.Н. Влияние расчетной сейсмичности на общую рыночную стоимость объектов недвижимости//Сейсмостойкое строительство. Безопасность сооружений, 2005, № 6, с. 65-68. 7. Сейсмостойкость магистральных трубопроводов и специальных сооружений нефтяной и газовой промышленности. М.:Наука, 1980. -171 с. 8. Гехман А.С., Зайнутдинов Х.Х. Расчет, конструирование и эксплуатация трубопроводов в сейсмических районах.- М.-Стройиздат, 1988.- 184 с. 9. Гехман А.С. Научные основы сейсмостойкости магистральных и промысловых трубопроводов//Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук. М., ВНИИГАЗ, 1993.- 33 с. 10. Петрашень Г.И. Постановка задач на сейсмическое экранирование волн тонкими слоями и методы их решения// Задачи теории упругости, ЛГУ, 1954, в. 4. 11. Мелик-Елчян А. Г., Акопян К. А. Рекомендации по повышению сейсмостойкости зданий методом экранирования сейсмических волн. II. Тула: Приокское книжное издательство, 1980. 137 с. 12. Гусев Е.Л. Качественные закономерности взаимосвязи параметров в оптимальных структурах в задачах оптимального синтеза неоднородных структур из дискретного набора материалов при волновых воздействиях //Доклады РАН. 1996. Т.346. № 3. С. 324-326. 13. Гусев Е.Л. Качественные закономерности структуры оптимальных решений в задачах оптимального синтеза многослойных конструкций при воздействии упругих волн//Доклады РАН. 1998. Т. 368. № 1. С.53-56. МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРЕДЕЛЬНЫХ ВОЗМОЖНОСТЕЙ СЛОИСТОНЕОДНОРОДНЫХ КОМПОЗИЦИЙ, ОСНОВАННЫЕ НА ПРОДОЛЖЕНИИ РЕШЕНИЯ ПО ПАРАМЕТРУ Гусев Е.Л. , Вольпян О.Д. (ИПНГ СО РАН, г. Якутск, Россия; НИИ «Полюс», г. Москва, Россия) The problem of developing the effective methods of investigation of limit possibilities of layered heterogeneous composition is studied. Effective methods of investigation of limit possibilities of layered heterogeneous composition on the base continuation of the decision on the parameter are developed. The results of computing experiment on the base developing methods are brought. Работа выполнена про поддержке Российского Фонда фундаментальных исследо-ваний - гранты №№ 07-01-00634, 09-08-98501. При проектировании слоисто-неоднородных покрытий при волновых воздействиях одним из важным является вопрос о предельных возможностях слоистонеоднород-ных покрытий по достижению требуемого комплекса свойств.

175

Проблема исследования предельных возможностей является одной из центральных проблем при конструировании слоисто-неоднородных композиций с требуемым комплексом свойств. Данная проблема связана с разработкой эффективных методов конструирования слоисто-неоднородных композиций с характеристиками наиболее близкими к требуемым. Известные подходы к решению данной проблемы связаны с определенным варьированием параметров неоднородных структур. Однако вследствие существенной многоэкстремальности волновых задач синтеза и чрезвычайно большого числа допустимых вариантов неоднородных структур, анализируемых на оптимальность, подобрать параметры структуры с характеристиками, наиболее близкими к требуемым, не представляется возможным даже с применением высокобыстродействующих компьютеров. По этим причинам не удается гарантировать, что сконструированное одним из известных методов слоистонеоднородное покрытие обладает характеристиками, наиболее близкими к требуемым. В вариационной постановке данная проблема связана с разработкой эффективных методов нелокального оптимального синтеза, позволяющих осуществлять пост-роение глобально-оптимальных решений или в определенной мере близких к ним. Однако при решении задач оптимального синтеза слоистонеоднородных покрытий при волновых воздействиях проблема в значительной степени усложняется существенной многоэкстремальностью волновых задач синтеза. В вариационной постановке одними из наиболее эффективных методов построения решений с требуемым комплексом свойств являются методы, основанные на принципе максимума Л.С. Понтрягина [1, 2]. Применение методики оптимального синтеза, основанной на принципе максимума Л.С. Понтрягина, и связанной с игольчатым варьированием допустимого решения, позволяет синтезировать слоисто-неоднородные покрытия, для которых зависимости энергетического коэффициентов отражения или пропускания являются более эффективными во всем фильтруемом диапазоне частот по сравнению с соответствующими зависимостями энергетических коэффициентов, построенными с помощью известных подходов. Однако, несмотря на то, что методы оптимального синтеза, основанные на необходимых условиях оптимальности типа принципа максимума Л.С. Понтрягина, позволяют строить эффективные решения, тем не менее получаемые результирующие решения являются локально-оптимальными. Поэтому применение методологии принципа максимума Л.С. Понтрягина не позволяет исследовать предельные возможности многослойных интерференционных систем по достижению заданного комплекса свойств. Для исследования предельных возможностей многослойных интерференционных систем необходима разработка методов оптимального синтеза на качественно иной основе. Отсутствие эффективных методов исследования предельных возможностей приводит к тому, что с одной стороны, отсутствует возможность оптимального конструи-рования слоисто-неоднородных покрытий с характеристиками предельно близкими к требуемым. А с другой стороны, отсутствует возможность оценить насколько существенно многослойные покрытия, функционирующие в различных областях физики и техники, отличаются по своим характеристикам от предельнодостижимых. Кроме того, многослойные покрытия, синтезируемые на основе подходов, основанных на необходимых условий оптимальности типа принципа максимума Л.С. Понтрягина и предполагающих игольчатое варьирование допустимого решения, как правило, имеют в своем составе большое число тонких слоев. Это в значительной мере

176

затрудняет конструктивную реализацию таких покрытий. Изъятие же системы тонких слоев приводит к существенному ухудшению характеристик многослойного покрытия. В соответствии с этим возникает необходимость в разработке новых эффективных методов исследования предельных возможностей многослойных интерференционных покрытий, которые были бы свободными от перечисленных недостатков. Одним из наиболее эффективных подходов к решению данной проблемы является разрабатываемый подход, основанный на установленном свойстве внутренней симметрии в структуре оптимальных решений и теории многозначных отображений [3-7]. Показано, что данный подход позволяет исследовать предельные возможности слоисто-неоднородных композиций по достижению заданного комплекса свойств [8]. Проблема синтеза слоисто-неоднородных композиций в рассматриваемой постановке может быть отнесена к числу проблем, связанных с организацией взаимосогласованного, кооперативного поведения элементов, составляющих систему, при котором реализуются ее предельные возможности. Достижение предельных возможностей связано с одновременным взаимосогласованием всех параметров, определяющих структуру многослойной системы. Вследствие этого можно предположить, что предельные возможности реализуются лишь при строго определенном характере согласованного, кооперативного взаимодействия элементов, составляющих систему. Взаимосвязь элементов, составляющих систему, в этом случае может характеризоваться некоторым внутренним порядком или внутренней симметрией. Существование такой внутренней симметрии в задачах оптимального синтеза может говорить о том, что структуры, реализующие предельные возможности, будут группироваться только внутри узкого компактного множества Q. Внутренний порядок или внутренняя симметрия во взаимосвязи элементов, составляющих систему, может приводить к тому, что структуры, реализующие предельные возможности, будут удовлетворять дополнительным связям. Выявление таких связей позволяет существенно уменьшить размерность задачи, т.е. может оказаться, что структуры, реализующие предельные возможности, дополнительно удовлетворяют некоторой системе m уравнений M j ( u* ) = 0. Множество решений этой системы и есть искомое

{

}

компактное множество: Q = u : Q j ( u) = 0, j = 1,..., m . Выделение этой системы уравнений может позволить в ряде случаев полностью решить проблему синтеза. Главная проблема здесь заключается в разработке методики аналитического описания границ выделяемого компактного множества. Поэтому представляет значительный интерес выделение задач синтеза слоистых систем, в которых структуры, реализующие предельные возможности по управлению параметрами волнового поля, обладают внутренней симметрией. С исследованием возможности выделения узкого компактного множества Q, содержащего всю совокупность вариантов, реализующих предельные возможности, связан качественно новый путь сжатия множества допустимых вариантов структур и разработке на этой основе эффективных методов синтеза. Для определенного круга волновых задач синтеза показано, что во взаимосвязи параметров в слоисто-неоднородных композициях, реализующих предельные возможности, существует внутренняя симметрия, что позволяет существенно уменьшить их размерность [3-7]. В таких задачах, которые мы в дальнейшем будем называть опорными, совокупность всех вариантов многослойных интерференционных покрытий, реализующих предельные возможности по управлению параметрами

177

волнового поля, оказывается принадлежащей узкому компактному множеству. Разработана методика аналитического описания границ выделяемого компактного множества. Для опорных задач оптимального синтеза может быть эффективно выделена совокупность всех вариантов слоистых структур, параметры которых доставляют глобальный минимум функционалу качества, характеризующему близость функциональных характеристик к требуемым. Тем не менее существует широкий круг волновых задач синтеза в различных областях физики и техники, для которых не представляется возможным аналитически описать границы компактных множеств, содержащих всю совокупность оптимальных решений. Однако эти задачи могут быть некоторым образом связаны с опорными задачами синтеза. Например, при определенных способах введения параметра в модель они могут оказаться в одном параметрическом семействе, таком, что одному значению параметра соответствует исходная задача синтеза, а другому - опорная задача. При этом возникает проблема как на основе знания оптимальных решений опорных задач синтеза разработать эффективные методы исследования предельных возможностей для широкого круга волновых задач синтеза, возникающих в различных областях физики и техники. Погрузим исходную задачу оптимального синтеза в параметрическое семейство задач оптимального синтеза, зависящее от вещественного параметра δ (δ 0 ≤ δ ≤ δ 1 ) . При этом значению параметра δ = δ 0 соответствует опорная задача синтеза, для которой эффективно может быть выделена вся совокупность оптимальных решений, реализующих предельные возможности по достижению заданного комплекса свойств U * (δ 0 ) . Значению же параметра δ = δ 1 соответствует исходная задача оптимального синтеза. Множество глобально-оптимальных решений в исходной задаче синтеза обозначим через U * . При этом U * = U * (δ 1 ). Проблема заключается в разработке эффективной методики оптимального синтеза, основанной на продолжении решения по параметру, позволяющей на основе знания множества глобально-оптимальных решений U * (δ 0 ) опорной задачи синтеза построить множество глобально-оптимальных решений U * = U * (δ 1 ) исходной задачи синтеза. На основе теории многозначных отображений [9, 10] разработана методика продолжения решения по параметру, позволяющая осуществлять эффективное продолжение множества глобально-оптимальных решений опорной задачи синтеза по параметру. Рассмотрим применение разработанной методики оптимального синтеза, основанной на теории многозначных отображений и продолжении решения по параметру для исследования предельных возможностей в отражении энергии волнового воздействия от слоисто-неоднородного покрытия в заданной области спектра. Эффективность отражения волнового воздействия от слоисто-неоднородного покрытия характеризуется интегральным критерием: J=

λmax

∫ Τ(λ )dλ ⇒ min

λmin

В этих обозначениях: λ – длина волны, λ min , λ max − нижняя и верхняя границы исследуемого диапазона длин волн; T(λ)- энергетический коэффициент пропускания волны, являющийся функцией от длины волны. Допустимый набор состоит из двух материалов с показателями преломления: n min =1,46; n max =2,3; Показатель

178

преломления первой полубесконечной среды из которой падает волна : n 0 =1,46; показатель преломления второй полубесконечной среды, в которую переходит волна при выходе из конструкции: n f = 1,33. Отношение верхней границы исследуемого диапазона длин волн λ max к нижней границе λ min : λ max / λ min = 1,2. Общая толщина слоисто-неоднородной композиции является заданной и равна: l=4,8 λ min . Ограничение сверху на число слоев покрытия N max принималось равным: N max = 35. Применение для исследования предельных возможностей разработанной методики оптимального синтеза, основанной на теории многозначных отображений и продолжении решения по параметру, позволило синтезировать следующее слоистонеодно-родное результирующее покрытие, реализующее предельные возможности в отражении энергии волнового воздействия (Табл. 1): Таблица 1 Номер Показатель Толщина слоя преломления слоя слоя ∆ s / λ min 1 1,46 0,0641 2 2,30 0,1185 3 1,46 0.1873 4 2,30 0.0108 5 1,46 0.0314 6 2,30 0.0759 7 1,46 0.1873 8 2,30 0.1183 9 1,46 0.1874 10 2,30 0.1182 11 1,46 0, 1871 12 2,30 0,1181 13 1,46 0,1877 14 2,30 0.1180 15 1,46 0.1879 16 2,30 0.1180 17 1,46 0.1880 18 2,30 0.1179

Номер слоя

Показатель преломления слоя

Толщина слоя ∆ s / λ min

19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35

1,46 2,30 1,46 2,30 1,46 2,30 1,46 2,30 1,46 2,30 1,46 2,30 1,46 2,30 1,46 2,30 1,46

0.1882 0.1178 0.1883 0.1177 0.1885 0.1177 0.1886 0.1176 0.1888 0.1175 0.1890 0.1174 0.1893 0.1172 0.1897 0.1168 0.0278

Структурная схема результирующей конструкции приведена на рис.1.

Рис. 1. Структурная схема результирующей конструкции. График зависимости энергетического коэффициента пропускания от длины волны результирующего покрытия приведен на рис. 2.

179

Рис. 2. График зависимости энергетического коэффициента пропускания от длины волны результирующего покрытия. Таким образом, применение разработанной методики оптимального синтеза, основанной на теории многозначных отображений и продолжения решения по параметру, позволяет синтезировать эффективные интерференционные покрытия, превосходящие по своим характеристикам покрытия, синтезированные с помощью методики принципа максимума Л.С. Понтрягина. Список литературы. 1. Гусев Е.Л. Математические методы синтеза слоистых структур. Новосибирск: Наука, 1993. 262 с. 2. Понтрягин Л.С., Болтянский В.Г., Гамкрелидзе Р.В., Мищенко Е.Ф. Математическая теория оптимальных процессов. М.: Наука, 1983.-392 с. 3. Гусев Е.Л. Качественные закономерности взаимосвязи параметров в оптимальных структурах в задачах оптимального синтеза неоднородных структур из дискретного набора материалов при волновых воздействиях //Доклады РАН, 1996, т.346, № 3, с. 324-326. 4. Гусев Е.Л. Об априорном сужении допустимого набора материалов в задачах оптимального синтеза неоднородных структур из дискретного набора материалов при волновых воздействиях//Доклады РАН, 1996, т. 349, №3, с. 329-331. 5. Gusev E.L. Mathematical methods of investigation limit possibilities of interference coatings for the reaching of the given complex of propertties//Optical Interference Coatings, vol.9, OSA, Technical Digest Series (Optical Society of America), 1998, p.286-287. 6. Гусев Е.Л. Свойство внутренней симметрии во взаимосвязи параметров в оптимальных структурах в задачах оптимального синтеза неоднородных структур при волновых воздействиях//Труды Международной конференции “Симметрия в естествознании”, Красноярск, 1998, с.47-48. 7. Gusev E.L. Optimal synthesis methodology of nonhomogeneous structures under the influence of electromagnetic waves// Int. J. Of Applied Electromagnetics and Mechanics, 1999, N 10, p. 405-416. 8. Бакулин В.Н., Гусев Е.Л., Марков В.Г. Оптимальное проектирование конструкций из композиционных и традиционных материалов. М.: Наука-Физматлит, 2008. 256 с. 9. Иванов В.К. О некорректно поставленных задачах //Математический сборник, 1963, т. 61, № 2, с. 211-224. 10. Лисковец О.А. Некорректные задачи с замкнутым необратимым оператором//Дифференциальные уравнения, 1967, № 4, с. 636-646.

180

РАЗРАБОТКА ПОРОШКОВОГО Fe-B СПЛАВА Гусейнов С.С., Мустафаев С.М., Мамедов А.Т., Гулиев А.А. (АГНА, АзТУ, г. Баку, Азербайджан) The article concerns the development of powder Fe-B composition with the use boron acid as boron containing substance received from lava of mud volcanoes. Formation of boron structure with the use of optic and electronic microscope has been considered. Received microstructures proved boron structure formation. Positive influence of boron acid on a number of technological properties of Fe-B composition has been determined. Thus more high relative density has been provided in comparing with the alloy from pure powder iron, grinding of Fe-B composition is considerably better too. The main result of the investigation is the increasing of mechanical properties of abrasive wear resistance of the composition. В настоящее время бор и борсодержащие вещества используются в качестве легирующей добавки для улучшения прокаливаемости, а так же в химико-термической обработке стали для получения износостойкого, и частично коррозионностойкого поверхностного слоя. В качестве борсодержащего вещества используются в основном карбид бора– B 4 C, борный ангидрид– B 2 O 3 , бура– Na 2 B 4 O 7 ·10H 2 O. По использованию бора и борсодержащих веществ в традиционной металлургии (металлургия плавлением) имеется достаточно общирная информация как теоретического, так и практического характера. Однако, по легированию бором и борированию поверхностного слоя порошкового сплава на основе железа нет достаточной информации. При этом проведенные исследования велись ограниченным ассортиментом борсодержащих веществ (B 4 C, B 2 O 3 , Na 2 B 4 O 7 ·10H 2 O) в основном в целях борирования поверхностного слоя, либо с целью изучения формирования структуры Fe-B порошкового сплава с использованием B 4 C [1,2]. По использованию в указанных целях ортоборной кислоты– H 3 BO 3 практически нет никаких данных. Проведенные в последние годы исследования по использованию ортоборной кислоты касаются лишь борированию порошкового алюминия марки Д16 [3-5]. При этом указанные исследования проведены в основном для установления влияния ортоборной кислоты на технологическое свойство, т.е. на прессуемость порошкового алюминия. Таким образом, в настоящее время нет достаточных данных по разработке Fe-B сплавов, включающих изучение формирования структуры, технологических, механических и эксплуатационных свойств. Настоящая работа представляет собой комплексный подход к разработке Fe-B сплава. При этом в качестве борсодержащего вещества принята ортоборная кислота, полученная из лавы грязевых вулканов Абшеронского полуострова [6], отличающаяся как большим запасом сырья, так и низкой стоимостью полученной ортоборной кислоты. Исследования включают изучение формирования структуры, зависимости технологических, механических и эксплуатационных свойств от химического состава шихты и давления прессования. В качестве железного порошка был использован ПЖР 3.200.28 дисперсностью 200μm. Химический состав порошка соответствует ГОСТ 9849-86. Для возможного сопоставления результатов экспериментов все опыты проводились в лабораторной шахтной печи СШОЛ-1.1,6/12 при температуре 10800С с выдержкой при этой температуре ~30 мин. в контейнере, обеспечивающем защиту от воздействия атмосферы печи. Были изготовлены стандартные цилиндрические и призматические образцы из чистого железа, а так же из Fe-B шихты с содержанием 2,5;

181

5,0; 7,5%; 10,0%; 12,5% ортоборной кислоты– H 3 BO 3 (~0,44; 0,87; 1,31; 1,74; 2,18% B). Заметим, что в шихты технологическая смазка не вводилась. Давление прессования было принято 500, 600, 700 и 800 МПа, обеспечивающее необходимые свойства порошкового материала на основе железа. Полученные все прессовки не имели никаких видимых дефектов, таких как расслойных трещин, поверхностных расслоений и т.д. Это подтвердило положительную функцию ортоборной кислоты как технологической смазки для порошковых шихт, подлежащих холодному прессованию в закрытой пресс-форме. Формирование структуры порошкового Fe-B сплава. Изучение микроструктуры образцов, полученных по предложенным режимам на оптическом микроскопе «Toshiba Inspection Report», подтвердило формирование боридов железа на фоне железной матрицы (рис. 1).

Рис. 1. Микроструктура Fe-B композиции, ×400 Была определена твердость образцов из чистого железа и Fe-H 3 BO 3 композиции с различным содержанием ортоборной кислоты, спрессованных под различными давлениями прессования. При твердости образцов из чистого железа 320-440 МПа, твердость образцов из Fe-H 3 BO 3 композиции составила 450-620 МПа, что так же подтверждает наличие боридов железа. Нами на способ борирования порошкового железа ортоборной кислотой получен патент Азербайджанской Республики İ 2008 0005 [7]. Несмотря на то, что формированная структура материала, обеспечивает получение относительно высоких механических свойств, но тем не менее однородность структуры не была достигнута. Это объясняется тем, что в связи с трудностью размола ортоборной кислоты и ее небольшого содержания в шихте на большое количество частиц железа приходится лишь одна частица ортоборной кислоты. В результате бор диффундирует только в частицы железа, окружающие частицу ортоборной кислоты. Это явление достаточно убедительно представлено в работе [1] и гипотетически на рис. 2.

182

Рис. 2. Схема процесса диффузии B 4 C в частицы железа [1] Это могло привести к анизотропии свойств, в частности, из-за обеднения бором отдельных участков материала снизилась бы его износостойкость. В связи с этим возникла необходимость обеспечения равномерности структуры полученной композиции. Учитывая хорошую растворимость ортоборной кислоты в различных растворителях и в воде был принят способ осаждения борной кислоты на частицы железа из раствора [8]. В микроструктуре, полученной электронным микроскопом, отчетливо видна диффузия бора во внутрь железных частиц (рис. 3).

Рис. 3. Микроструктура Fe-B композиции, полученной осаждением ортоборной кислоты на частицы железа из раствора

183

Влияние ортоборной кислоты на технологические свойства Fe-H 3 BO 3 композиции. В процессе исследования установлено влияние ортоборной кислоты на ряд технологических свойств порошкового материала на основе железа, таких, как уплотняемость, относительная плотность, пористость и шлифуемость. 1.Влияние ортоборной кислоты на относительную плотность и пористость Fe-H 3 BO 3 композиции. Анализируя данные табл. 1 можно видеть, что с увеличением содержания ортоборной кислоты в шихте уплотняемость последной заметно улучшается при всех значениях давления холодного прессования. Это ярко свидетельствует о положительной роли ортоборной кислоты в шихте не только как легирующей добавки, но и как технологической смазки взамен традиционных смазок, таких как стеарат цинка, машинное масло и т. д. Вместе с тем в ряде работ [9,10] установлено, что с увеличением давления прессования шихты, содержащих традиционные технологические смазки, более 700МПа происходит разуплотнение прессовок. Это явление авторы объясняют ухудшением дренажирования газов из шихты при прессовании вследствие заклепывания пор, внутри которых находятся неудалившиеся газы высокого давления. После освобождения прессовок из матрицы происходит взрывоподобное вскрытие этих пор, следствием которого является разуплотнение. Таким образом, обнаруженный нами положительный эффект ортоборной кислоты как технологической смазки в порошковой шихте требует в дальнейшем более детального исследования этого факта. Усадка материала в процессе спекания имеет значение для определения размеров матрицы и пуансона пресс-формы, относительная плотность и пористость же порошкового материала являются важнейшим критерием для получения необходимых механических и триботехнических свойств. В связи с этим были изучены усадка, относительная плотность и пористость образцов, спрессованных из шихты не содержащей технологическую смазку и спекаемых в одинаковых условиях. В таб. 1 даны результаты измерения усадки образцов как по высоте (по направлению прессования), так и по диаметру, из которых видно, что средняя усадка по высоте четырех групп образцов из железа составила около 1,0%, в то время как образцы из Fe-H 3 BO 3 шихты в зависимости от содержания бора имели усадку в основном от нуля до 0,4%. Усадка образцов по диаметру, т.е. в направлении, перпендикулярном направлению прессования, характеризуется следующими показателями. Образцы из чистого железа и Fe-H 3 BO 3 шихты показали близкую усадку, за исключением образцов из чистого железа, спрессованных относительно под низкими давлениями (таб. 1). Этот показатель важен при определении размеров матрицы и пуансона пресс-форм. Как известно, плотность и пористость порошковых изделий являются предпосылочными показателями, обеспечивающими их эксплуатационные свойства. Согласно существующей методики для определения плотности образцов взвешиванием определялась их масса и измерялись геометрические размеры. Результаты измерений занесены в таб. 1. Плотность образцов определялась делением массы образца на его объем, а относительная плотность делением плотности образца на плотность компактного материала идентичного состава. Плотность компактного материала определялась по известной формуле 100 , γk = α1 α 2 + γ1 γ 2

184

II I

I V

ПЖР

ПЖР + 2,5% H3B O3

ПЖР + 5,0% H3B O3

ПЖР + 7,5% H3B O3

4 12, 4 13, 3 13, 6 14, 3 12, 4 12, 9 13, 6 14, 2 12, 2 12, 7 13, 2 13, 5 12, 2 12, 7 13, 3 13, 7

7 0,8 1 1,5 3 0,7 4 0,7 0

12,3

-0,1

13,1

-0,2

13,5

-0,1

14,2

-0,1

12,4

11,33

12,9

13,6

14,2

11,25 11,27 11,31

9 0,10 0,08 0,04 0,04 0,02

Относительная плотность образца, %

3 50 0 60 0 70 0 80 0 50 0 60 0 70 0 80 0 50 0 60 0 70 0 80 0 50 0 60 0 70 0 80 0

Плотность компактного материала, г/см3

Относительная усадка, %

Состав шихты, мас. %

Давление прессования, МПа Высота образца до спекания, мм Высота образца после спекания, мм Абсолютная усадка, мм Относительная усадка, % Диаметр образца после спекания, мм Абсолютная усадка, мм

Группа образцов

Таблица 1. Усадка, плотность и пористость образцов после спекания Усадка по Усадка по высоте диаметру

0,89

76,0

0,71

76,7 7,86

0,35

77,9

0,35

79,3

0,18

74,0

11,31 0,04

0,35

76,0

11,32 0,03

0,26

77,4

11,32 0,03

0,26

77,7

12,1

-0,1

0,8 2

11,29 0,06

0,53

78,8

12,7

11,29 0,06

0,53

80,7

13,2

11,31 0,04

0,35

81,6

13,5

11,30 0,05

0,44

84,3

12,1

0,1

11,30 0,05

0,44

82,1

12,6

0,1

11,30 0,05

0,44

11,31

7,39

7,00

13,2

0,1

13,6

0,1

0,8 2 0,7 9 0,7 6 0,7 4

83,6 6,66

11,31 0,05

0,44

85,6

11,31 0,05

0,44

88,0

185

Пористость образца, %

где α 1 и α 2 ─соответственно содержание в композиции железа и ортоборной кислоты(H 3 BO 3 ) в %; γ 1 и γ 2 -физическая плотность тех же компонентов (γ 1 =7,86 г/см3, γ 2 =2,2 г/см3).

13 24, 0 23, 3 22, 1 20, 7 26, 0 24, 0 22, 6 22, 3 21, 2 19, 3 18, 4 15, 7 17, 9 16, 4 14, 4 12, 0

продолжение табл. 1. 1 2 3 4 50 12, 1 ПЖР 0 60 12, + 0 4 10,0 V % 70 12, H3B 0 9 O3 80 13, 0 5 50 12, 0 ПЖР 0 60 12, + 0 5 V 12,5 I % 70 13, H3B 0 0 O3 80 13, 0 6

7 0,8 -0,1 2

11,31 0,04

0,35

86,5

12,4

11,31 0,04

0,35

88,5

12,9

11,31 0,04

0,35

90,6

9,4

13,5

11,31 0,04

0,35

92,6

7,4

12,0

11,30 0,05

0,35

90,2

9,8

12,4

-0,1

0,8 1

11,32 0,03

0,26

92,1

7,9

13,0

11,32 0,03

0,26

93,6

6,4

13,5

-0,1

0,7 4

11,32 0,03

0,26

95,9

4,1

12,0

6,37

13 13, 5 11, 5

6,11

Анализ данных табл. 1 показывает существенное положительное влияние на повышение плотности (снижение пористости) прессовок увеличения содержания ортоборной кислоты в шихте. 2.Влияние борной кислоты на шлифуемость Fe-H 3 BO 3 композиции. На атомном силовом сканирующем микроскопе (Модель SZMU-L5) изучена шероховатость композиции после шлифовки. На рис. 4 показаны гистограммы зависимости шероховатости композиции от содержания ортоборной кислоты (бора). Как видно из рисунков, в целом ортоборная кислота положительно влияет на шлифуемость образцов, снижая размеры выступов. Установлено, что средняя шероховатость для композиции с содержанием 5,0 и 7,5%H 3 BO 3 соответственно составляет ~0,18 и 0,14μm, что значительно ниже, иначе говоря шлифуемость значительно лучше, чем образцов из чистого железного порошка, и с повышением содержания ортоборной кислоты этот показатель улучшается [11].

Рис. 4. Влияние ортоборной кислоты на шлифуемость Fe-H 3 BO 3 композиции: а) 5% H 3 BO 3 (0,87%B); б) 7,5% H 3 BO 3 (1,31%B)

186

Прочностные и триботехнические свойства Fe-H 3 BO 3 композиции определены путем измерения твердости и износостойкости материала. Эти характеристики позволяют в определенной степени судить об эксплуатационных свойствах композиции. В таб. 2 приводятся сопоставительные данные о твердости образцов из чистого железа и Fe-H 3 BO 3 композиции с 7,5% ортоборной кислоты, спрессованных при различных давлениях. Таблица 2. Твердость порошкового железа и Fe-H 3 BO 3 композиции Твердость образцов, МПа Давления прессования, из чистого из Fe-H 3 BO 3 МПа железа композиции 500 320 450 600 340 470 700 370 500 800 440 620 Как видно из приведенных данных, твердость композиции и приблизительно оцениваемое через нее временное сопротивление материала значительно выше, чем твердость образцов из чистого железа. При этом заметна тенденция увеличения твердости с увеличением содержания ортоборной кислоты в композиции. Износостойкость изучалась на модернизированной машине АПТи, предусмотренной для условий абразивного изнашивания. Испытанию подверглись стандартные образцы из железного порошка и Fe-H 3 BO 3 композиции. Давление на испытываемый образец составлял ~0,8МПа. В качестве абразивного тела применялся наждак Р180. Все образцы испытывались по 400м пути трения. Среди образцов, спрессованных под различными давлениями, наибольшую потерю массы показали образцы из чистого железа. Износ образцов из Fe-H 3 BO 3 композиции снижался по мере увеличения в шихте концентрации ортоборной кислоты. Между тем, если средняя потеря массы в результате износа четырех образцов из чистого железа составила 0,74г, то композиция из Fe+12,5%H 3 BO 3 имела потерю массы всего 0,43г. Имея в виду, что бориды железа повышают именно абразивную износостойкость, это косвенно подтверждает образование боридной структуры в Fe-B сплаве с использованием в качестве борсодержащего вещества ортоборной кислоты. Выводы Установлено, что введение в шихту ортоборной кислоты и увеличение его содержания приводит к улучшению уплотняемости прессовок при холодном прессовании в закрытой пресс-форме в диапазоне давлений прессования 500-800МПа , тогда как традиционные технологические смазки при прочих равных условиях снижают уплотняемость прессовок при давлении прессования более 700МПа [9,10]. Проведенные исследования показали наличие боридов железа в структуре Fe-B сплава, полученного из шихты на основе железа с использованием в качестве борсодержащего вещества ортоборной кислоты из лавы грязевых вулканов, что позволяет расширить номенклатуру борсодержащих веществ. Применение ортоборной кислоты показало значительное улучшение относительной плотности (пористости) и, как следствие, твердости и шлифуемости спеченной композиции. Ортоборная кислота повышает механические свойства и износостойкость порошкового материала, что объясняется не только снижением пористости заготовок, но и легированием железной матрицы бором.

187

Список литературы: 1. Ю.В.Туров, Б.М.Хусид и др. Газотранспортные процессы при спекании порошковой композиции железо-карбид бора.// Порошковая металлургия, 1989, №8, с38-43. 2. В.Ю.Дорофеев, И.В.Селевцова. Борированные горячодеформированные порошковые материалы на основе железа// Порошковая металлургия, 2001, №1/2, с24-31. 3. Дорофеев Ю.Г., Безбородов Е.Н., Сергенко С.Н. Кинетика механохимического активирования порошковой шихты на основе алюминия в насыщенном растворе ортоборной кислоты// Физика и химия обработки материалов. 2002. -№3. –с.51-54. 4. Дорофеев Ю.Г., Безбородов Е.Н., Сергенко С.Н. Влияние кинетики механохимической активации порошков алюминия на процессы горячего доуплотнения// Физика и химия обработки материалов. -2002. -№4. –с.79-81. 5. Дорофеев Ю.Г., Безбородов Е.Н., Сергенко С.Н. Особенности уплотнения при формовании порошковых материалов на основе алюминия, подвергнутых механохимической активации// Известия вузов. Сев.-Кавк. регион. Технические науки. -2001. -№4. –с.47-5. 6. Патент Азербайджанской Республики AZ №2003 0142. 7. Патент Азербайджанской Республики İ 2008 0005. 8. Патент Азербайджанской Республики AZ №2008 0110. 9. Мамедов А.Т. Конструкционные и антифрикционные порошковые материалы. Баку, Элм, 2005, 458с. 10. Mamedov A.T., Mamedov V.A. Properties of highlydense iron base powder metallurgy materials pressed without zinc stearate// Powder metallurgy and metal ceramics. Vol/42 Issue 5/6 may/June, London, 2003, P.245-248. 11. С.С.Гусейнов. Исследование технологических свойств Fe-B композиции. Механика, машиностроение. №2, 2008, Баку, с.49-50. ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА ОВЛАДЕНИЕ ИНОСТРАННЫМ ЯЗЫКОМ СТУДЕНТАМИ НЕЯЗЫКОВЫХ ВУЗОВ И ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ МОТИВАЦИЯ Данилова В.А., Мороз О.К. ( ДонНТУ, г.Донецк, Украина) The authors tried to observe the influence of the relations between the teacher and a student on the success in mastering of foreign languages. And they also tried to pay attention to the necessity of intensification one of the most important functions of the university educational that is the necessary condition for the transition of Ukrainian education to the motivational selfteaching as a part of European educational integration. The authors especially pay attention to the problem of humanisation of higher education. Тенденция к интеграции нашего образования в европейское, Болонская декларация, которая нацелила европейские государства на идентификацию дипломов, особенно остро ставят вопрос об овладении иностранными языками в неязыковых вузах, где число обязательных учебных часов зачастую ограничено 1-2-мя годами изучения И.Я. «Общество стало глубже осознавать, что знание иностранного языка дает бесспорные преимущества: лучшие шансы интегрироваться в стремительно меняющееся общество открытого типа с рыночной экономикой, перспективное трудоустройство, полноценное потребление культуры мировых цивилизаций, не адаптировавнной, а из первых рук, широкое понимание мира и мировых проблем. Вместе с этим осознанием возникает необходимость в усовершенствовании массового обучения иностранному языку. Общеизвестно, что в настоящее врекмя потребность в специалистах, владеющих иностранным языком, значительно возрасла. Неслучайно поэтому, вузовский курс иностранного языка носит профессионально-ориентированный характер, его задачи

188

определяются, в первую очередь, коммуникативными и познавательными потребностями специалистов этого профиля». (5, 1) В этой связи в лингвистической среде ведутся поиски наиболее эффективных методик преподавания иностранных языков. В отличие от слушателей курсов студенты не вольны в выборе методики овладения иностранным языком. Поэтому ответственность за выбор наиболее эффективной методики целиком ложится на плечи преподавателя. Иногда это сочетание нескольких методик. О факторах, от которых зависит успех овладения иностранным языком и идет речь в этой статье. Часто приходится слышать о том, что овладение И.Я. зависит от способностей студентов. В нелингвистической среде есть мнение, что славяне, и особенно русские менее способны к языкам, чем другие народы. Им возражают специалисты, говоря о том, что: «Худшее владение языками, если таковое и наблюдается, может объясняться тем, что русские, в отличие от европейцев, не имеют достаточной разговорной практики, Они не могут массово и беспроблемно переезжать из одной страны в другую, начиная со школьного возраста. И не могут свободно и много общаться с иностранцами на своей территории, поскольку в преобладающем большинстве городов жители других стран вообще не появляются. Кроме того, у нас гораздо меньше смешанных браков, чем за рубежом, где распространена ситуация когда дети Учатся говорить одновременно на двух языках», - рассказывает директор российского лингвистического центра С.Воронина. (3, 1) Есть ли на самом деле студенты, «неспособные» к овладению иностранными языками? Таковых нет, а если и есть то в таком мизерном количестве, что вряд ли можно их даже обнаружить в студенческой среде. «Скорее можно говорить о том, что в силу индивидуальных особенностей мозга, сознания и характера, существуют люди, способные к изучения иностранного языка в большей, или меньшей степени». «…важно понимать то подразумевается под словосочетанием «изучать иностранный». (3, 2) Если цель – владеть языком так, как владеют им носители, то достичь такого уровня вне живой языковой среды …невозможно. Однако более, или менее свободно выражать свои мысли и понимать смысл речи на слух может любой выпускник языкового вуза…Количество людей, считающих себя неспособными к иностранному, значительно превышает число истинных антиполиглотов. Причину этого специалисты видят в некогда принятой школьной методике обучения, из-за которой у многих жителей бывшего СССР выработалась ложная уверенность в своих невысоких способностях… Кинестетики – те, кто абсолютно все воспринимает через такие органы чувств, как осязание и обоняние, такие люди совершенно неспособные к изучению иностранных языков, в человеческой популяции составляют всего лишь 5-7%. (3, 2) Тем не менее другие специалисты считают, что при изучении иностранного языка необходимо пользоваться и визуальной, и аудиальной, и кинестетической памятью. «Как раз они и помогают мозгу создавать объемные образы смысла слов и фраз. Ведь мы запоминаем только чувства, состояния, в которых они возникали, и соответственно зрительные образы – картины ситуации, к которой это произошло и звуки, и ощущения. Слова и фразы в нашем мозгу связаны в первую очередь с нашими чувствами, затем с визуальными образами и звуками. Вот почему для запоминания и пополнения словарного запаса нужно использовать воображение. Именно оно помогает работать с образами, помогает мозгу их создавать. Станиславский был в этом большой мастер. Воображение может вызвать чувства не менее сильные, чем живой опыт». (6, 2)

189

Итак, все это говорит о недостатке мотиваций, а не способностей. Вопрос о мотивации студента на изучение И.Я. в настоящее время стоит особенно остро. Зачастую причиной неуспешного овладевания И.Я. студентами называют устаревшую методику преподавания И.Я., порой речь идет о наличии, или отсутствии способностей к языкам у студентов-нефилологов, у которых «вторичность» получения языковых компетенций по отношению к техническим дисциплинам, «подмывает» внутреннюю мотивацию и порождает, а вернее не порождает внутреннего поиска внеаудиторных видов деятельности. Ограниченность сетки часов не позволяет, да и не предусматривает у этих студентов «соприкосновения» с историй языка, которое у студентов-филологов выстраивает логическую базу правильного написания слов, без которой слово приходится зазубривать. ( «Ученые давно и настойчиво не рекомендуют зубрить что бы то ни было. Запоминаются все равно только те образы, которые вызывают в нас чувства и эмоции Зубрежка, особенно очень настойчивая, конечно тоже вызывает и эмоции, и чувства. Правда, разрушительные для целой кучки клеток нашего организма, влияющие и на эмоциональное состояние и на здоровье… Ведь для запоминания в нашем распоряжении все каналы восприятия, весь организм и воображение. Запоминать не надо, но любое восприятие должно быть максимально полным… мы запоминаем не тогда, когда мы вводим информацию, а когда извлекаем. Т.е. мы запоминаем, когда вспоминаем…Механическое повторение вообще вредно – оно разрушает память, разрушает мышление»). (6, 2) Нет также изучения литературы – высшей формы языкового проявления, которая могла бы послужить толчком к возникновению положительных эмоций, а, следовательно, и внутренней мотивации. Все это говорит о том, что у преподавателей неязыковых вузов гораздо меньше возможностей для пробуждения у студентов внутренней мотивации. И порой у них в арсенале только внешняя и, что самое худшее – отрицательная мотивация. В таких условия перед преподавателями вузов встает вопрос о поисках дополнительных мотиваций, которые бы «запустили» процесс успешного овладения И.Я.Из популярных в последнее время довольно сильных факторов для возникновения новых видов мотиваций, можно назвать следующие: (опять же слово специалистам) • инновационные образовательные технологии (например, технология «Европейского Языкового Портфеля»); • кредитно-модульная система организации учебного процесса; • компетентностно-ориентированное обучение; • асинхронная организация учебного процесса; • система академического консультирования («тьюторства»). 1. Технология «Европейского Языкового Портфеля» Структурно-содержательное наполнение ЕЯП открывает доступ ко всему языковому опыту студента, начиная с детских лет и заканчивая временем обучения в вузе, и сопровождается мониторингом, включая регулярное индивидуальное консультирование преподавателем, что в результате позволяет каждому студенту создать индивидуальный маршрут овладения иностранным языком. Последовательное заполнение блоков ЕЯП на основе рефлексии собственного языкового опыта и последующее, совместное с преподавателем, планирование языковой деятельности в соответствии с индивидуальными способностями и потребностями раскрывают возможности для личностного саморазвития, способствуя формированию навыков самооценки, самоконтроля и самостоятельной работы в целом, а также развитию ключевых профессионально-коммуникативных компетенций будущего специалиста,

190

таких как критическое мышление, способность к принятию самостоятельных решений и др. 2. Кредитно-модульная система организации учебного процесса. Кредитно-модульная система организации учебного процесса позволяет проектировать индивидуальные образовательные траектории с учетом трудозатрат студентов на основе ECTS [7] и обеспечивает возможность прохождения учебного материала как по линейной траектории (последовательное прохождение модулей), так и по разветвленной, в рамках которой те или иные модули могут быть исключены или дополнительно включены в программу в зависимости от исходной подготовки студента и его индивидуальных интересов (2, 2) . Это позволяет преподавателю учитывать реальный уровень владения И.Я. 3. Компетентностно-ориентированное обучение. Результативным в плане проектирования индивидуальных учебных маршрутов может стать структурирование компетентностно-ориентированных курсов на кредитно-модульной основе. В качестве примера такого структурирования можно привести опыт разработки автором практико-ориентированного курса («профессионально-языковой портфель студентов-физиков» [12]) и его апробации в бакалавриате физического факультета ЮФУ. Результаты апробации свидетельствуют о том, что проектирование индивидуальных учебных траекторий способствует значительному росту мотивации к изучению не только иностранного языка, но и профильных дисциплин, причем даже у самых слабых студентов (уровень языковых компетенций А1) возникает желание «поднять планку» и достичь более высокого уровня профессионально-языковой компетентности . 4. Асинхронная организация учебного процесса. Асинхронная организация учебного процесса на основе сочетания сетевых компьютерных технологий и мультимедийных курсов также позволяет проектировать индивидуальные траектории обучения, причем «в удобное время и в удобном месте», с возможностью модификации учебного материала и технических решений. Критериями качества при этом могут выступать результаты самой деятельности, диагностика причин их достижения и направленность на дальнейшую оптимизацию” (4, 176). Список литературы: 1.Бадарч Д., Сазонов Б.А. Актуальные вопросы интернациональной гармонизации образовательных систем: Монография. – М.: Бюро ЮНЕСКО в Москве; ТЕИС, 2007. –190 с. 2. Курочкина А.Ю. Практика использования модульного подхода к отдельным учебным дисциплинам. // http: //ejournal.finec.ru/images/moto.gif 3. Люди и полиглоты. По материалам «Газета». http//win.mail.ru/cgi-bin/readmsg?id=1233745260000003037. 4. Мирошникова О.Х. Формирование профессионально-языковых компетенций студентов-физиков. Учебнометодический комплекс. Ростов-на-Дону: Изд-во «Эверест», 2008 г. – 176 с. 5. Манако А.Ф., Синица Е.М., Манако В.В. Управление знаниями обучаемого в дистанционном он-лайновом курсе “Business English”. Educational Technology & Society 4(4) 2001. ISSN 1436-4522 . 6. Моторина, С.В. Иноязычная готовность как компонент общей готовности к профессиональной деятельности [Текст] / С.В. Моторина // Вестник БГУ: Теория и методика обучения в вузе и школе: Серия 8. – Вып. 11. – Улан-Удэ: БГУ, 2006. – С.221 – 230. Объем 0,7 п.л. 7. Стратегия освоения иностранного языка. Master_class@bk.ru. 8. “Tuning Educational Structures in Europe” Phase 1 (2000-2002); Phase 2 (2003-2004). // http://www.relint.deusto.es/TuningProject/index.htm 9. Portfolio Europeen des Langues (PEL), Principes et lignes directrices avec notes explicatives. (Version 1.1). Division des politiques linguistiques. Strasbourg. Octobre 2000. Revisee en 2004.

191

РЕНТГЕНОСТРУКТУРНЫЙ АНАЛИЗ КЕРАМИЧЕСКИХ ПОКРЫТИЙ ИЗ ДИФФУЗИОННО ЛЕГИРОВАННОГО ОКСИДА АЛЮМИНИЯ Девойно О.Г., Кардаполова М.А., Комаров А.И., Яцкевич О.К. (БНТУ, Объединенный институт машиностроения НАН Беларуси, г. Минск, Беларусь) Now the problem of reception of ceramic coating of high and stable quality still completely is not solved. The diffusive alloying is the effective mechanism of influence on phase composition and structure of powder for a plasma-flame ceramic coating. This research work deals with a alumina powders alloyed by boron. Use of such powders allows to obtain ceramic coating with excellent performances. Введение. Все важнейшие свойства керамических покрытий - износостойкость, адгезионная прочность, теплопроводность, изоляционная способность, стойкость к высокотемпературным нагревами, высокая чистота поверхности при шлифовке определяются микроструктурой и фазовым составом керамики [1]. Для реализации технологии получения покрытий с мелкозернистой и равномерной структурой, а также высокой прочностью сцепления с основой необходимы так называемые «идеальные» порошки с оптимальными свойствами: оптимальный размер частиц порошка, форма, равномерное распределение легирующих компонентов по объему или поверхности частиц. Порошки для напыления могут быть получены как в процессе механического смешивания, так и определенной технологической подготовки. Однако большинство порошков не соответствует требованиям, предъявляемым к исходному сырью. Так в частности присутствие в порошках индивидуальных частиц приводит к образованию в плазменных покрытиях разноплотных областей с неоднородным распределением пор по размерам. Из таких порошков без применения специальных добавок и технологических приемов (прокаливания, измельчения, гранулирования) нельзя получить керамические покрытия с высокими эксплутационными показателями [2,3]. Для достижения необходимых свойств покрытий требуется применение дополнительных способов и технологических приемов по улучшению строения исходного порошка для напыления. Предлагаемый способ диффузионного легирования является эффективным механизмом воздействия на фазовый состав и структуру исходного порошка. В качестве основы для керамического покрытия был выбран широко распространенный оксид алюминия, который подвергали диффузионному легированию бором. В качестве легирующего элемента был выбран бор, поскольку он обладает хорошими фрикционными свойствами. Смешанные в определенном соотношении исходные компоненты засыпались в герметичный контейнер, который размещался в лабораторной установке. Контейнер, вращающийся со скоростью 60…90 мин-1, подвергался изотермической выдержке при температуре 1100 - 1250оС, 1…2,5 часа. В процессе диффузионной обработки происходит насыщение поверхностного слоя легирующими элементами и модификация первоначальной структуры керамических порошков. Цель работы: изучение влияния диффузионного легирования оксида алюминия бором на структуру и фазовый состав полученных впоследствии плазменных керамических покрытий.

192

Методика. Исследование морфологии образцов проводили на сканирующем электронном микроскопе высокого разрешения "Mira" фирмы "Tescan" (Чехия). Микроскоп оснащен детекторами вторичных электронов и обратно отраженных электронов, которые позволяют проводить исследование образцов в двух режимах. Исследование элементного состава проводилось с помощью микрорентгеноспектрального анализатора «INCA 350» фирмы «Оxford Instruments» (Англия). Определяемые элементы от B до U. Минимальный предел обнаружения элемента - 0.5%. Точный количественный анализ. Погрешность метода 3-5 относительных процентов. Рентгеноструктурные исследования осуществлялись с использованием пакета прикладных программ «ARSANAL», который был разработан для автоматизированной обработки данных рентгеноструктурного анализа. Проведение съемок выполнялось в строго идентичных условиях на дифрактометре ДРОН-3,0 при скорости поворота образца 1 град/мин в кобальтовом монохроматизированном излучении. Обсуждение результатов. При проведении рентгеноструктурного анализа ставилась задача проанализировать изменение количественного и качественного фазового состава порошка и покрытий после легирования оксида алюминия бором. Исследования позволили судить о том, в каком виде в порошке и покрытии находится бор, легирует ли он матрицу или содержится в виде отдельных частиц, присутствуют ли в образце соединения бора. Изменение фазового состава частиц порошка до и после диффузионного легирования и покрытий, а также соотношение интенсивностей основных дифракционных линий (400) γ-Al 2 O 3 и (113) α-Al 2 O 3 представлено в таблице 1. Таблица.1. Состав исходных порошков Al 2 O 3 и Al 2 O 3 +B и плазменных покрытий, сформированных на сталях из этих порошков, соотношение интенсивностей дифракционных линий (400) γ-Al 2 O 3 и (113) α-Al 2 O 3 Образец Фазовый состав Jγ, Jα, Jγ / Jα имп имп Исходный порошок α- Al 2 O 3 , δ-Al 2 O 3, γ-Al 2 O 3 8215 Al 2 O 3 Диффузионноα- Al 2 O 3 , γ-Al 2 O 3 (следы), B 15770 легированный порошок Al 2 O 3 +B Покрытие Al 2 O 3 внешняя поверхность: α- Al 2 O 3 , δ-Al 2 O 3 , 5743 3640 1,58 (отслоившееся) γ-Al 2 O 3 внутренняя поверхность: α-Al 2 O 3 , γ- 6385 2822 2,26 Al 2 O 3 , α-Fe (540 имп) Покрытие Al 2 O 3 +B внешняя поверхность: α- Al 2 O 3 , γ-Al 2 O 3 , 6189 4537 1,36 (отслоившееся) B внутренняя поверхность: α- Al 2 O 3 , γ- 7705 4449 1,73 Al 2 O 3 , B, α-Fe (1683 имп), Fe 3 B Покрытие Al 2 O 3 +B α- Al 2 O 3 , γ-Al 2 O 3 , B 7272 4792 1,52 на стали Рентгеноструктурный анализ показал изменение фазового состава частиц порошка после диффузионной обработки. Увеличивается доля высокотемпературной фазы α-Al 2 O 3 в составе порошка за счет переходов по схеме γ→δ→α начиная с Т ≈ 960оС путем постепенной перестройки кристаллической решетки [1]. Это 193

подтверждается ростом интенсивности основных дифракционных пиков и отражено в табл.1. Анализ температурного поля свидетельствует о том, что температурновременные условия, создаваемые диффузионной обработкой, достаточны для протекания процесса фазового превращения материала и для фиксации в нем, в основном, гексагональной α-модификации оксида алюминия. Поскольку на температуру и скорость полиморфных превращений оксида алюминия значительное влияние оказывают примесные соединения, то можно предположить, что присутствие бора снижает температуру перехода γ→α и резко увеличивает скорость образования α фазы. Бор присутствует как в порошке, так и в покрытии в чистом виде. На дифрактограмме легированного порошка выявлены линии бора, соединений бора не обнаружено.

Рис. 1. Фрагменты дифрактограмм порошков Аl 2 O 3 до диффузионного легирования (а) и после легирования бором Аl 2 O 3 +В (б) Были исследованы также внешняя и внутренняя сторона покрытия. Соответствующие рентгенограммы покрытий из чистого оксида алюминия и легированного бором представлены на рисунках 2,3. При плазменном напылении в покрытии формируется как α-Al 2 O 3 , так и γAl 2 O 3 –низкотемпературная фаза. Причем, первые слои на поверхности напыления, когда скорость охлаждения их наибольшая, формируются преимущественно из γ-Al 2 O 3 194

. В дальнейшем формируется и высокотемпературная модификация α-Al 2 O 3 . Однако, в покрытиях из легированных керамических материалов доля высокотемпературной фазы значительно выше, по сравнению с покрытием из чистого оксида алюминия, не прошедшего диффузионную обработку. Эксплуатационные характеристики оксидного покрытия Al 2 O 3 связаны с фазовым составом. Увеличение содержания α-Al 2 O 3 значительно повышает износостойкость покрытия. Это позволяет сделать вывод о том, что диффузионное легирование оксида алюминия способствует повышению триботехнических характеристик покрытий.

Рис. 2. Фрагменты дифрактограмм отслоившегося покрытия Al 2 O 3 : а – внешний поверхностный слой, б – прилегающий к стали

195

Рис. 3. Фрагменты дифрактограмм покрытия Al 2 O 3 +В: а – внешняя поверхность отслоившегося покрытия; б – внутренние слои покрытия, примыкающие к стали; в – на поверхности стали При анализе дифрактограмм внешней и внутренней стороны покрытия были обнаружены линии α-Fe на внутренней его части (рис.2,б и рис. 3, б). Наличие данных линий объясняется диффузией железа из стальной подложки в покрытие. Причем если сравнить интенсивности дифракционных линий α-Fe, то у легированного бором покрытия интенсивность в 3 раза выше (540 имп. и 1683 имп.). Кроме того, на

196

внутренней части покрытия Al 2 O 3 +В обнаружен борид железа, полученный в результате химического взаимодействия бора, содержащегося в покрытии, со стальной подложкой. Это подтверждает то факт, что присутствие бора способствует более прочной химической связи керамического покрытия с основанием. Вывод: поскольку свойства покрытий в значительной мере закладываются технологией получения порошка для напыления, то применение диффузионнолегированного бором оксида алюминия обусловливает получение более износостойкого керамического покрытия с равномерной структурой и повышенной адгезией с основой. Список литературы: 1. Газотермическая обработка керамических оксидов/ М.Н. Бодяко, Ф.Б. Вурзель, Е.В. Кремко и др.; Под ред. О.В. Романа. - Мн.: Наука и техника, 1988.-223 с. 2. Газотермические покрытия из порошковых материалов. Справочник / Ю.С. Борисов, Ю.А. Харламов, С.А. Сидоренко, Е.Н. Ардатовская. – Киев.: Наукова думка, 1987. – 544 с. 3. Самсонов Г.В., Эпик А.П. Тугоплавкие покрытия. М.: Металлургия, 1973.-400с. ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИЕ ТЕХНОЛОГИИ В ПРОМЫШЛЕННОСТИ Демин В. П., Коваленко В.И., Сахби Зантур (ДонНТУ, г. Донецк, Украина) The modern technologies saving energy presented at the international exhibition in Donetsk (Ukraine) are analysed. Мировой опыт планирования и реализации энергосберегающей политики и внедрения энергосберегающих технологий имеет более чем полувековую историю. Явившись ответом на резкий рост цен на мировых топливных рынках в 70-х годах, энергосбережение и сегодня в условиях относительной доступности цен на энергоносители остается важнейшим направлением энергетической политики многих стран мира. Особенно этот вопрос актуален для Украины в виду значительной зависимости нашего государства от импортных энергоресурсов (природный газ, нефть) В области энергетики за последнюю четверть века достигнут значительный прогресс. Настоящая революция, произошедшая в западных промышленно развитых странах под лозунгом "Энергоэффективность", внушила уверенность в возможности относительно легкого удовлетворения энергетических потребностей человечества в соответствии с критериями устойчивого развития. С целью внедрения энергосберегающих технологий в экономику Украины было принято ряд правительственных государственных программ. Объединив их, можно выделить следующие основные положения: 1. Обеспечение перехода украинской экономики на энергосберегающий путь развития. 2.Использование в этих целях комплекса рыночных механизмов и мер государственного регулирования. 3. Развитие производства и оснащение потребителей средствами учета и регулирования расхода энергоресурсов, оборудованием и средствами энергосберегающей электротехники. 4. Инвестиционная политика и энергосберегающие проекты. 5. Нормативно-правовое и финансовое обеспечение программы.

197

Под эгидой выполнения этих программ проводятся специализированные выставки. Одна из таких выставок прошла с 11 по 14 марта 2009 года в специализированном выставочном центр «Эксподонбасс» (г. Донецк). Международная выставка «. ТЕПЛОМИР» представила весь спектр энергосберегающего рынка — от производителей и поставщиков оборудования, инжиниринговых и монтажных компаний до мероприятий, позволяющие сохранять и рационально использовать тепловую и электрическую энергию. Ограниченный объем статьи не позволяет дать полный обзор представленных на выставке энергосберегающих технологий, но коротко о некоторых участниках и их экспонатах следует все же сказать. Берёзовским заводом "АТЕМ" — лидером производства отопительной техники на Украине.- выпускается более 70 моделей сертифицированных отопительных газовых генераторов тепла от 2 до 100 кВт. Основная продукция – газовые котлы и водонагревательные колонки. Все котлы имеют высокий коэффициент полезного действия (90%) и низкое энергопотребление, которое достигается за счет конструктивных особенностей котлов, использования экономичных английских горелок BRAY и итальянской автоматики SIT. Некоторые модели могут работать как на газе, так и на твердом топливе. АООТ "Первомайскдизельмаш" - украинский производитель среднеоборотных судовых дизелей и дизель-генераторов для судостроения, стационарных дизельэлектрических, газодизельэлектрических агрегатов, газовых двигатель-генераторов и когенерационных установок на их базе, предназначенных для автономного электро- и теплоснабжения различных объектов, а также стационарных газопоршневых энергетических установок мощностью от 315 до 800 кВт. Двигатель-генераторы предназначены для длительной постоянной работы на автономных электростанциях как в режиме автономной, так и параллельной работы между собой или промышленной электросетью неограниченной мощности и тепловой сетью при когенерации. Газовые двигатель-генераторы могут применяться на объектах, имеющих централизованное снабжение природным газом, а также на нефтяных месторождениях с использованием попутного нефтяного газа на малодебитных газовых месторождениях; на угольных промыслах с использованием шахтного газ-метана; на предприятиях, располагающих органическими и древесными отходами для получения и использования генераторного газа. На базе стационарных газовых двигатель-генераторов выпускаются когенерационные установки для комбинированного производства электрической и тепловой энергии в виде горячей воды. Технические характеристики генераторов и установок приведены в табл. 1. Таблица 1. Технические характеристики генераторов и установок ДвГА- ДвГАПараметры 315 500-1 Электрическая генератора, кВт

мощность

на

клеммах

Тепловая мощность, Гкал/час (кВт) Расход газового топлива, приведенный к теплоте сгорания 8000 ккал/нм3, нм3/час 5

198

ДвГА630

0,36 (420) 9

0,58 (680)

0,72 (840)

16 0

19 5

продолжение табл. 1 Количество нагреваемой воды при использовании навешенных на двигатель водяных насосов, м3/час Максимальная температура воды на выходе из когенерационной установки, оС Температура

550 140

выпускных

газов: - на выходе из двигателя, оС - на выходе из теплообменника, оС

550 140

Также на выставке был представлен универсальный утеплитель нового поколения Moutrical, производителем которого является ООО «Компания Вереск». Moutrical обладает хорошими гидроизоляционными и антикоррозионными свойствами при выполнении строительно-монтажных и утеплительных работ, является тепло изоляционным материалом, который не поддерживает горение. При температуре 260°С Moutrical обугливается, при 450°С разлагается с выделением окиси углерода и окиси азота, что способствует замедлению распространения пламени. Материал имеет высокую адгезию (прилипание) к металлу, что позволяет изолировать покрываемую поверхность от доступа воды и воздуха, не проницаем для воды и не подвержен влиянию водного раствора соли.. Покрытие Moutrical предназначено для получения теплоизоляционного покрытия на поверхностях любой формы, требующих тепловой паро гидро шумо защиты. Moutrical применяется для изоляции наружных и внутренних поверхностей (рис.1) ограждающих конструкций жилых, офисных, общественных и промышленных зданий и сооружений, Универсальный утеплитель Moutrical можно наносить на Рис. 1 Емкость для хранения сжиженных металл, пластик, бетон, кирпич и газов, утепленная покрытием Moutrical другие строительные материалы Открытое акционерное общество “Научно-исследовательский институт радиотехнических измерений” ведущая научно-производственная организация Украины в области разработки, проектирования и производства радиоэлектронной техники, наземных и бортовых систем и приборов для космических комплексов. Одним из направлений деятельности этого предприятия, представленных на выставке, является разработка и внедрение в эксплуатацию систем учета природного газа.

199

Система конвертер «РАДМИР», (рис.2) предназначена для получения оперативной информации с объекта о потреблении газа и сигнализации в случае аварийной ситуации на диспетчерский пункт. Конвертер «РАДМIР» осуществляет согласование протоколов между корректором, блоком контроля и GSM модемом, обеспечивают считывание информации с корректора КПЛГ, а также управляет передачей информации. Применение системы учета природного газа и телемеханики позволяет не только собрать, накопить и отобразить полученную информацию с объектов, но и Рис.2. Система «Конвертер «РАДМИР» обеспечить контроль над устойчивым функционированием отдельных объектов и системы в целом, предупредить аварии, оперативно отобразить технологические параметры и провести последующий анализ текущих, аварийных или предаварийных ситуаций. Важным направлением снижения энергозатрат является применение технологического оборудования, характеризующегося малой энергоемкостью. Широко представленные на выставке ленточнопильные станки, пришедшие на смену ниизкопроизводительным и неэкономичным дисковым пилам и механическим ножовкам, по праву занимают лидирующее положение среди отрезного оборудования. Сравнительные затраты на электроэнергию, расходуемую на разрезание одной заготовки различными способами, приведены в табл. 2. Таблица 2. Расход электроэнергии на порезку заготовок Ø 50мм из стали 40Х Показатели Методы обработки процесса Абразивный Ленточнопильный Круглопильный Установленная 16 2,5 10,9 мощность, Квт Время резания, сек 20 35 40 Электроэнергия, затраченная на 0,08 0,0243 0,1211 1 рез, Квт/час Для унификации различных соотношений диаметров, габаритов и толщины стенок различных труб и профилей взята площадь поперечного сечения трубы (профиля), в зависимости от нее рассчитана стоимость одного реза для трех различных способов резки (рис. 3).

200

20 18

Стоимость реза, у.е./рез

14 12 10

3 8 6 4

1 16

4 5 6 7 8 9 10 11 12 Поперечное сечение трубы (профиля), см2

Рис 3. Стоимость одного реза профильного материала (без учета потерь металла, в стружку) различными методами обработки: 1 - резание на ножовочном станке; 2 - резание на дисковой пиле; 3 - резание на ленточнопильном станке. На выставке также были представлены солнечные системы для получения горячей воды, позволяющие улавливать солнечное излучение и преобразовывать его в тепло, трубы, изолированные жестким полиуретаном, которые не только сохраняют тепло, но и не подвергаются коррозии в течение 25-30 лет, изоляционные материалы ОАО «Изоляция», резко снижающие затраты энергоресурсов, гидродинамический нагреватель ТЕК, позволяющий производить нагрев теплоносителя без применения каких-либо ТЭНов, спиралей, электродов и т.д., газовые инфракрасные излучатели, уменьшающие в несколько раз расход природного газа для обогрева производственных помещений, и много других интересных технологий в области энергосбережения Список литературы: 1. Демин В.П., Ширнин И.Г. Проблемы экономии электроэнергии и ресурсосберегающие технологии // Прогрессивные технологии и системы машиностроения. Сборник трудов V международной научно-технической конференции “Машиностроение и техносфера на рубеже ХХI века” в 3-х томах. Донецк: ДонГТУ, 1998г. Т.1, с.236-239. 2. Программа энергосбережения в Донецкой области на 2006-2010 годы. Энергосбережение, 2006г. № 10, стр. 5-11. 3. Рекламные проспекты международной специализированной выставки «. ТЕПЛОМИР». Донецк, СВЦ « «Эксподонбасс» 11.03 - 14 0 3. 2009 г.

201

ПОВЕРХНОСТНО-УПРОЧНЯЮЩАЯ ОБРАБОТКА ИНДЕНТОРАМИ ОПТИМАЛЬНОГО ДИАМЕТРА ИЗ УСЛОВИЯ СТЕПЕНИ ИХ ГИБКОСТИ Диденко Д.И., Рыбинская Т.А., Шаповалов Р.Г. (ТТИ ЮФУ, г. Таганрог, Россия) The variant of process superficially-hardening processings by ball-rod hardening with use of the modernized tool is developed, at which the form of a print is determined by a set of indentors, fixed in inserts from an elastic material, thus there is an opportunity to apply indentors of a small diameter from a condition of a degree of their flexibility. The design provides an opportunity of simple and easy replacement of contact deforming of a part of the tool. В настоящее время существуют различные взгляды на механизмы структурных превращений в металлических материалах. В ряде работ структурные превращения рассматриваются с позиции теории синергетики как неравновесный фазовый переход с образованием диссипативных структур в результате самоорганизации. Или структурные превращения рассматриваются с позиций образования и движения частичных дислокаций, или формирование субструктуры связывается с полигонизационными процессами. Согласно исследованиям структурные превращения в дефектной подсистеме контролируются скалярной плотностью дислокаций и запасенной энергией деформации. Так же отмечается, что структурные изменения в дефектной подсистеме могут быть обусловлены формированием носителей коллективных мод струкгонов, что вызывает “кристаллизацию” материала субграниц при достижении критической плотности хаотических дислокаций. Электронно-микроскопическим исследованием установлено, что при циклическом нагружении образование дислокаций сосредоточено вблизи границ ферритных зерен. Их формирование происходит уже на стадии микротекучести. По мере возрастания числа циклов нагружения в ферритных зернах на стадии деформационного упрочнения образуется хаотическая, а далее ячеистая дислокационная структура, которая с ростом числа циклов нагружения переходит в фрагментированную, а затем в полосовую. Образовавшиеся линии скольжения переходят в устойчивые полосы скольжения с образованием микротрещин в зернах и по границам зерен. Установлена и корреляционная связь между многоуровневым характером структурных изменений, вызванных коллективным движением дефектов с образованием различных видов субструктуры. Далее следуют превращения от хаотической дислокационной структуры, образующейся при начальных циклах нагруженвя, к ячеистой и далее к фрагментированной и полосовой с последующим образованием микро- трещин. При последующих субструктурных превращениях (неравновесных фазовых переходах) роль информации сохраняется и даже возрастает с помощью образующихся новых диссипативных структур (фрагментированных), причем предыдущая структура, передавая информацию новой, в значительной степени определяет ее эффективность как результат самоорганизации в дефектной подсистеме. Следовательно, дефектная подсистема является нелинейной подсистемой, что обусловливает в ней периодическое, хаотическое состояние и структурные переходы в более устойчивое состояние с разрушением прежних когерентных структур. Проведенные исследования позволили также предложить информационный механизм зарождения усталостных микротрещин как результат последовательных, самосогласованных (кооперативных) структурных переходов на различных информационных уровнях. На низшем уровне переход хаотической дислокационной

202

структуры в ячеистую и фрагментированную контролируется внутренним механическим полем, являющимся параметром порядка и информатором. При образовании полос скольжения в благоприятно ориентированных зернах и переходе на более высокий структурный уровень деформации накопленная информация передается в смежные зерна либо в приграничную зону деформации с образованием устойчивых полос скольжения в зернах или микротрещин на стыках зерен, т. е. как результат обмена информацией и согласованного действия между структурными элементами (зернами, стыками зерен). В соответствии с принципом подчинения система переходит в новое более устойчивое состояние с образованием диссипативных структур — микротрещин. Этот период определяется степенью деформационного упорядочения и остаточного ресурса пластичности материала. Важным направлением является упрочнение материалов (деталей) с целью уменьшения локализации деформаций при циклическом нагружении, вызывающих образование микротрещин. В связи с этим становится понятным целенаправленное повышение сопротивляемости материалов разрушению при пластическом деформировании (экструзии, прокатке, ковке и т. д.), в частности путем сообщения структуре материала при упрочнении определенной информации для перехода ее в более устойчивое состояние. Исследованиями установлено, что характер изменения остаточных напряжений по глубине поверхностного слоя обусловливается, главным образом, распределением упругих напряжений, а их величина — уровнем нормальной нагрузки в контакте. Кривая зависимости остаточных напряжений от глубины поверхностного слоя имеет сложный характер с экстремумом на некотором расстоянии от поверхности. Расчеты показали, что уменьшение размера 2а площадки контакта (размера индентора) при прочих равных условиях ведет к смещению экстремума зависимости σ τ = f(z) к поверхности заготовки. Это обстоятельство может быть использовано как средство управления характером остаточных напряжений при обработке заготовок инденторами малого диаметра. Следовательно, целесообразно применить методы, когда основной схемы процесса является поверхностное пластическое воздействие на поверхность детали. Которые по характеру энергетического воздействия и кинематике процесса относятся к статическим методам обработки и протекают в условиях непрерывного контакта инструмента с обрабатываемой поверхностью при постоянных, как правило, значениях деформирующей нагрузки (силы). В настоящее время широкое признание получило объяснение явления деформационного упрочнения на основе атомного механизма пластической деформации, где главенствующее место принадлежит теории дислокации. Дислокационная теория упрочнения основывается на общих предположениях о вкладе неподвижных и свободных дислокации в формирование внутренних напряжений и их роли в пластической деформации, связывает механизм деформационного упрочнения с образованием барьеров для движущихся дислокации от взаимодействия полей напряжения дислокации межу собой и другими дефектами кристаллической решетки. С ростом степени деформации плотность дислокации увеличивается. В результате пластической деформации поверхностного слоя происходит искажение кристаллической решетки с увеличением числа дефектов, сопровождающееся изменением суб- и микроструктуры металла, его напряженного состояния. Известно что, у всех металлов или сплавов статическая деформация в холодном состоянии осуществляется только движением дислокации. Кроме увеличения плотности дислокации, количества вакансий происходит измельчение зерен, образование текстуры. С большим

203

искажением кристаллической решетки уменьшается необходимое количество энергии для отрыва атома от узла, процесс диффузии облегчается, и ее скорость возрастает. Также фазовые превращения, сопровождающиеся изменением соотношения между удельными объемами структурных элементов, приводят к возникновению дополнительных и перераспределению остаточных напряжений в поверхностном слое детали. При этом возникают, как правило, сжимающие остаточные напряжения. Использование методов поверхностно-упрочняющей обработки деталей приводит к снижению уровня сжимающих остаточных напряжений на поверхности и их перераспределению. И приводит к тому, что остаточные технологические напряжения становятся соизмеримы с возникающими эксплуатационными в поверхностном слое. Существует ряд технологических схем обработки многоконтактным виброударным инструментом. Среди которых наиболее эффективны схемы обработки, в которых осуществляется наложение одного регулярного микрорельефа на другой (возможно неоднократное наложение). Такая обработка применяется обычно для доупрочнения тонкого поверхностного слоя деталей с целью устранения или снижения подслойного максимума остаточных напряжений, когда в поверхностном слое создаются меньшие по величине, чем на глубине, сжимающие или растягивающие напряжения. Обработка шарикостержневым упрочнением поверхности (ШСУ), производится в основном системой сферических стержней. При этом радиус скругления дна отпечатков R зависит от радиуса заточки стержней R CT . Обработка инденторами малого диаметра позволяет существенно улучшить напряженное состояние поверхностного слоя. Взаимное расположение лунок на обрабатываемой поверхности зависит от взаимного расположения стержней в пучке и закона перемещения пучка стержней относительно поверхности. В существующих конструкциях инструмента ШСУ с целью упрощения применяется только один тип упаковки стержней - плотная гексагональная упаковка. Следовательно, взаимное расположение стержней в ШСУ зависит только от их диаметров. Чем больше радиус сферы ударника, тем быстрее исчерпывается резерв пластичности, что, видимо, обусловлено малостью прикладываемой энергии деформации в исследованном диапазоне. Обработка инденторами малого диаметра позволяет существенно улучшить напряженное состояние поверхностного слоя. Однако на практике диаметр стержней из-за потери осевой устойчивости не должен быть меньше 2 мм. Выбранный диаметр стержней в свою очередь накладывает ограничение на максимально допустимый диаметр шаров, используемых в механическом волноводе ШСУ. Следует отметить, что максимальный диаметр шаров ограничен диаметром используемых стержней. С тем, чтобы на торец каждого стержня воздействовал хотя бы один шар. Следовательно, диаметр шаров не должен превышать диаметр стержней d mах < D ст , что бы предотвратить их просыпание в зазорах между стержнями. Для устранения большинства перечисленных недостатков обработки поверхностей деталей был разработан вариант процесса с использованием модернизированного инструмента для ШСУ (Пат. №2283744, 20.09.06). Данная конструкция устройства для поверхностной отделочно-упрочняющей обработки позволяет за каждый динамический контакт с обрабатываемой деталью получать идентичное распределение пластических отпечатков на ее поверхности, представляющих набор последовательно расположенных ячеек с заданным отпечатком (форма отпечатка определяется набором инденторов закрепленных во вставках из

204

упругого материала). Однородное кинематическое взаимосвязанное перемещение (линейное перемещение, вращение, осцилляция) системы инденторов относительно детали или наоборот смещает систему отпечатков единичного воздействия на некоторый шаг и формирует на обрабатываемой поверхности систему пластических отпечатков. Получаемая при этом система отпечатков и образуемый ею микрорельеф могут быть одинаково распределенными на любом участке поверхности, т.е. будут регулярными. В этом случае параметры микрорельефа повторяются с определенным шагом. Применение вставок с различной конфигурацией расположения инденторов и их сечения, и разделение стержней, например, разделителем делает возможным конструктивно просто образовывать «вторичные» регулярные микрорельефы за один проход инструмента. Одновременно создается возможность, за счет выполнения контактной деформирующей части применить инденторы с диаметром меньше 2-х мм и с возможностью применения оптимальных по размеру стержней из условий степени их гибкости. При этом обеспечена их устойчивость при формировании пластического отпечатка на сложнорельефных поверхностях (Пат. №2353505, 27.04.09), и возможность простой и легкой замены контактной деформирующей части инструмента. СТРУКТУРНЫЙ АНАЛИЗ РЫЧАЖНО-КУЛАЧКОВОГО МЕХАНИЗМА ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ДВИЖЕНИЯ МЕТОДОМ ГРАФОВ Донченко М.А., Лукьянов Ю.Н., Плохов И.В. (ППИ г.Псков, Россия) The lever-and cam motion converter for the rotor-and-blade engine is considered. The mechanism is designed to convert the oscillatory-rotary motion of the blades into the one-way uniform resulting rotation of the rotor-and-blade engine shaft. The structural analysis of the motion converter is carried out by the graph method. Theoretical results are verified experimentally. В последнее время очень актуальным стал вопрос поиска альтернативы двигателю внутреннего сгорания с кривошипно-шатунным механизмом. Актуальность подобной проблемы связана с ужесточающимися требованиями к экологической безопасности и энергосбережению. Одним из наиболее перспективных разрабатываемых двигателей является роторно-лопастной двигатель с внешним подводом теплоты [1], [2]. Основная особенность таких двигателей – неравномерная скорость вращения роторов-лопастей. Циклическое изменение рабочего объема двигателя (вращательно-колебательное движение лопастей) должно быть преобразовано во вращательное движение с постоянной угловой скоростью выходного вала. Механизм, осуществляющий это преобразование, будем называть преобразователем движения. Известны следующие конструктивные варианты этого механизма: механизм Стерка Мартина с использованием эллиптических зубчатых колес [3]; планетарный механизм Гридина [4]; эпициклоидальный механизм [5]; рычажный механизм Рейснера [6]. Основным недостатком перечисленных механизмов является изменение угла между лопастями по закону отличному от гармонического и, как следствие, не обеспечивается плавность хода и безударность работы механизма. От указанных недостатков свободен рычажно-кулачковый четырехзвенный механизм, предложенный Ю.Н. Лукьяновым и В.Н. Котляровым [7]. На основе данного механизма был синтезирован реальный преобразователь движения (рис. 1).

205

Рис. 1. Кинематическая схема механизма преобразования движения. снабжены роликами для снижения потерь на

Механизм состоит из вращающегося ромбоида и неподвижного кулачка. Ромбоид состоит из четырех шарнирно связанных звеньев одинаковой длины L = 2l (1 – DА, 2 – АB, 3 – ВC, 4 – СD). К серединам звеньев шарнирно прикреплены рычаги лопастей (5 – С1С3 и 6 – С2С4). Движение точек A, B, C, D, определяемое специфической формой кулачка, через линейные подшипники передается на выходной вал, а ромбоид и кулачок

трение и повышения долговечности узлов. Рычажно-кулачковый четырехзвенный механизм представляет собой сложную замкнутую кинематическую цепь. Все звенья движутся в одной плоскости, оси параллельны друг другу и перпендикулярны плоскости механизма. Поэтому данный механизм является плоским. Механизм имеет одно входное звено: рычаг – лопасть 5 – С1С3 и одно выходное – маховик 7, прикрепленный к выходному валу. Из геометрических соображений следует, что механизм имеет одну степень свободы, а именно, вращение маховика 7 вокруг стойки. Синтезированный рычажно-кулачковый механизм включает в себя одиннадцать подвижных звеньев: четыре звена ромбоида (2 – АВ, 3 – ВС, 4 – СD, 1 – DA), два рычага – лопасти (5 – С1С3, 6 – С2С4), четыре ползуна (линейные подшипники 8 – А, 9 – В, 10 – С, 11 – D), один маховик выходного вала (крест 7 – АС-ВD), а также девятнадцать низших кинематических пар пятого класса: четыре сопряжения в точках C1, С2, С3, С4; три сопряжения в точке О, двенадцать – в вершинах ромбоида А, В, С, D и четыре высшие кинематические пары четвертого класса, образуемые линейным контактом роликов в вершинах ромбоида А, В, С, D с кулачком. Проведем структурный анализ механизма преобразования методом графов согласно алгоритму, предложенному в [8]. В графе звенья соответствуют вершинам, а кинематические пары – ребрам. Номер звена совпадает с номером вершины. Число ребер, соединяющих смежные вершины, равно подвижности кинематической пары. Анализ выполняем в следующей последовательности. 1. Строим граф механизма (рис. 2). 2. Определяем число независимых контуров графа как разность между числом кинематических пар механизма Р и числом подвижных звеньев N: (1) K = P−N При P = 23 и N =11 имеем число независимых контуров К = 23 – 11 = 12. 3. Рассматриваемый механизм является плоским. 4. Определяем число степеней подвижности механизма по формуле (2) W = R − 3( P − N ) , где R – общее число подвижностей кинематических пар. В рассматриваемом механизме одиннадцать подвижных звеньев и неподвижное звено 0 (кулачок) образуют девятнадцать одноподвижных и четыре двухподвижные кинематические пары. Тогда

206

R = ∑ sРs = 2 ⋅ 4 + 1 ⋅ 19 = 27 , где s – подвижность кинематической пары. Подставляя s

числовые показатели кинематической схемы, получаем W = 27 – 3(23 – 11) = –9. 5. Проверяем условие существования нормального механизма: W = n, где n – число входов механизма. В рассматриваем случае n = 1. Значит, W ≠ n . Таким образом, число степеней подвижности оказалось отрицательным. Система является статически неопределимой. Это означает, что среди связей, наложенных на движение звеньев кинематическими парами, имеются избыточные, устранение которых не влияет на кинематику механизма. Заменяющий механизм (рис. 3) содержит неподвижный кулачок – стойку (0 –О), два рычага – лопасти (5 – ОС1 и 6 – ОС2), два плеча ромбоида с длиной L/2 (1 – АС1 и 2 – АС2), маховик (7 – АС-ВD) , ползуны (8 – А, 9 – В, 10 – С, 11 – D). Все связи считаются удерживающими.

Рис. 2. Граф механизма преобразования движения

При такой замене относительные движения входных и выходных звеньев механизма сохраняются. Проведем структурный анализ заменяющего механизма методом графов. 1. Граф механизма представлен на рис. 4. 2. Определяем число независимых контуров графа по формуле (1). При P = 15 и N =9 имеем число Рис. 3. Кинематическая схема заменяющего независимых контуров К = 15 – 9 = механизма 6. 3. Определяем число степеней подвижности по формуле (2). В заменяющем механизме девять подвижных звеньев и неподвижное звено О (кулачок) образуют одиннадцать одноподвижных и четыре двухподвижные кинематические пары. Тогда R = ∑ sРs = 2 ⋅ 4 + 1 ⋅ 11 = 19 . s

Подставляя числовые показатели кинематической схемы, получаем W = 19 – 3(15 – 9) = 1. 4. Проверяем условие существования нормального механизма: W = n =1. Таким образом, заменяющий механизм при одной степени подвижности избыточных связей не имеет. 5. Ребро, соединяющее вершины 0 и 5, и вершина 5 соответствуют однозвенной одноподвижной группе, присоединяемой к стойке.

207

Зафиксируем входную координату механизма ϕ1 – угол поворота звена 5. Теперь механизм должен распадаться на структурные группы, у которых суммарное число подвижностей кинематических пар R кратно трем R = 3K . 6. Рассмотрим систему независимых контуров 1) 0, 1, 0; 2) 0, 6, 2, 1,0; 3) 0, 7, 8, 2, 6, 0; 4) 0,11, 7, 0; 5) 0,10, 7, 11, 0; 6) 0, 9, 7,10, 0. Первый из этих контуров содержит три «тонких» ребра ( R = 3) . Следовательно, звено 1 представляет собой однозвенную группу Ассура, содержащую одну высшую (точка А) и одну низшую (точка С1) кинематические пары. Вершины 6 и 2 и три тонких ребра во втором Рис. 4. Граф заменяющего независимом контуре, связанном с вершиной 0, механизма преобразования. характеризуют двухзвенную группу Ассура. Вершины 7 и 8 и три тонких ребра в третьем независимом контуре, связанном с вершиной 0, также характеризуют двухзвенную группу Ассура. Оставшиеся контуры 4, 5, 6 содержат по три «тонких» ребра, а, значит, звенья 9, 10, 11 (ползуны) являются однозвенными группами Ассура. На рис. 5 показан структурный граф заменяющего механизма. В вершинах данного графа указано количество звеньев в группе и число ее степеней подвижности. Стрелки на графе указывают порядок присоединения групп. Заменяющий механизм, обладая одной степенью подвижности, является статически определимым. Так как исходный механизм является несамоустанавливающимся, то для его сборки и осуществления возможности движения необходимо предъявлять повышенные требования к Рис. 5 Структурный граф заменяющего механизма точности изготовления звеньев механизма и элементов его кинематических пар, а также использовать упругодеформируемые элементы. В шарнирных соединениях можно смонтировать гидрокомпенсаторы. Это позволит обеспечить симметричное распределение нагрузок в вершинах ромбоида точках А, В, С, D, а значит, равномерный контакт роликов с кулачком. Отметим, что избыточные связи повышают жесткость механизма, уменьшают деформации, вызванные передаваемыми силами. Кинематические характеристики эквивалентного механизма совпадают с характеристиками исходного механизма. На основании синтеза и структурного анализа изготовлен макет рычажнокулачкового механизма преобразования движения. Макет используется для проведения экспериментальных исследований. Выводы: Полученные в настоящей статье результаты необходимы при решении задач кинематики, а также динамического и силового расчетов роторно-лопастного двигателя. Структурная модель механизма преобразования движения, представленная в данной работе, положена в основу работ по созданию методики расчета и проектирования роторно-лопастного двигателя с внешним подводом теплоты [9]. Исследуемый механизм преобразования движения может найти применение для 208

роторно-лопастного двигателя как внешнего, так и внутреннего сгорания, а также для различных по назначению роторно-лопастных машин. Список литературы: 1. Донченко М.А. Возможность реализации цикла Стирлинга в других конструктив-ных схемах. // Проблемы качества машин и их конкурентоспособности.: Материалы 6-й международной научно-технической конференции. – Брянск: Изд-во: БГТУ, 2008: – С.99-101. 2. Донченко М.А., Тихонов С.И., Лукьянов Ю.Н. Экологически чистый двигатель как основной аспект конкурентоспособности машин. // Проблемы качества машин и их конкурентоспособности: Материалы 6-й международной научно-технической конференции. – Брянск: Изд-во: БГТУ, 2008: – С.101-104. 3. Пат. DE19814742 ФРГ. Kreiskolben-Wärmemotor-Vorrichtung. // Стерк Мартин. 4. Роторно-лопастной двигатель Гридина. // Энергетика и промышленность России № 10 (74). – 2006. – октябрь. 5. Крайнев А. Ф. Словарь-справочник по механизмам.–М.: Машиностроение. 1981. 6. Гуськов Г. Г. Необычные двигатели. M.: – Знание. 1971. 7. Авторское свидетельство №724850. Заявлено 30.05.78 / Лукьянов Ю.Н., Котляров В.Н. // Опуб. 30.03.80. Бюл. №12. 8. Теория механизмов и машин: учебное пособие для студ. высш. учеб. заведений / М.З. Коловский, А.Н. Евграфов, Ю.А. Семенов, А.В. Слоущ. – М.: Издательский центр «Академия», 2006. – 560 с. 9. Разработка математической модели протекания термодинамического цикла с внешним подводом тепла, позволяющей создать экологически чистый двигатель роторно-лопастного типа: Отчет по НИР / ФГУП «ВНТИЦ»; Руководитель И.В. Плохов. – УДК 621.486, № гос. регистрации 01200850182. 2008. Ч. 1 – 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ИЗНОСА ТОКОСЪЕМНЫХ МАТЕРИАЛОВ В ТРИБОСИСТЕМЕ МЕДЬ-МЕДНОГРАФИТОВЫЙ КОМПОЗИТ Доценко К. И. (НТЦ «Реактивэлектрон» НАН Украины, Донецк, Украина) The process of the destruction for contact materials in the friction system of copper copper-graphite composite material is explored. The increase of the phases and the destructions of the secondary structures in system of friction are described. The directions of the fight with destruction of the ductile material at friction is offered. Проблема снижения износа контактной пары токосъемный элемент – контактный провод сохраняется в числе приоритетных направлений на электрофицированном транспорте [1]. НТЦ «Реактивэлектрон» НАН Украины вопросами исследований и разработки токосъемных материалов для сильноточных подвижных контактов на железных дорогах занимается более 10 лет. За это время выполнен ряд комплексных исследований свойств однородных материалов и их композитов с графитом различных марок [2]. Для испытаний токосъемных материалов была создана экспериментальная установка, принципиальная схема которой показана на рисунке 1. На раме (1) установлен электродвигатель постоянного тока (2), который с регулируемой скоростью вращает стальной диск (3) с закрепленным на нем контактным проводом (4). На подвижной планке (5) находится токосъемная накладка (6). Эксцентриковый механизм (7) обеспечивает поперечное перемещение накладки относительно контактного провода. В процессе исследований измеряли износ контактного провода и токосъемной накладки. Продукты износа собирали в бункере

209

Рис. 1. Схема установки для исследования взаимного износа токосъемных материалов: 1 – рама; 2 – электродвигатель; 3 – диск вращения; 4 – контактный провод; 5 – подвижная планка; 6 – токосъемная накладка; 7 – эксцентриковый механизм. фракционный состав продуктов износа.

под установкой, взвешивали и делали ситовый анализ. При испытаниях токосъемных материалов на износ наблюдалась цикличность изменения износа контактного провода и токосъемной накладки. Это связано с периодичностью в образовании и разрушении вторичных структур на поверхности материалов трибосистемы слоя [1,2,3]. На рисунках 2,3,4 показаны изменения износа контактного провода, токосъемной накладки и образования продуктов износа при работе трибосистемы медь – меднографитовый композит. Материал ТН: Cu + 50 об. % графита. Скорость – 36 км/ч. Давление накладки на провод – 26 Н/см2. На рисунке 5 представлен

Исходя из полученных экспериментальных данных предложена модель износа материалов в трибосистеме медь – меднографитовый композит. Установлено, что процесс периодического изменения скорости износа материалов имеет две чередующиеся фазы: фазу прироста слоя вторичных структур и фазу интенсивного износа. В первой фазе работы трибосистемы «контактный провод - токосъемная накладка» на контактном проводе возникают вторичных структур. Рис. 2. Изменение износа контактного наросты провода в процессе работы трибосистемы Вторичные структуры образуются из самых мелких частиц продуктов износа медь – меднографитовый композит (рис. 5). Во второй фазе работы трибосистемы идет интенсивный абразивный износ токосъемных материалов

210

продуктами износа разрушающегося слоя вторичных структур. Скорость износа материалов трибосистемы определяется свойствами образовавшегося слоя вторичных структур: твердостью, толщиной, прочностью сцепления с первичным слоем, прочностью сцепления вторичных структур между собой. Чем большие значения имеют эти характеристики вторичных структур, тем выше абразивный износ контактных материалов на второй фазе работы трибосистемы. Увеличение слоя вторичных структур за полный цикл работы трибосистемы происходит в том случае, если слой вторичных структур в фазе интенсивного износа разрушается не до конца. Исходя из вышеописанного механизма образования и разрушения вторичных структур в трибосистеме медь - меднографитовый композит, можно предложить следующие три направления борьбы с износом для токосъемных материалов на основе меди.

Рис. 3. Изменение износа токосъемной Рис. 4. Изменение образования массы накладки в процессе работы трибосистемы продуктов износа в процессе работы медь – меднографитовый композит трибосистемы медь – меднографитовый композит.

Рис. 5. Фракционный состав продуктов износа, образовавшихся за полный цикл износа в процессе работы трибосистемы медь – меднографитовый композит.

Рис. 6. Средняя скорость износа контактного провода токосъемными накладками в зависимости от плотности тока. Скорость – 54 км/ч. Плотность тока – 100 А/см2. Материал ТН: 1 – Cu + 17 об. % углеорганическое связущее; 2 – Cu + 17 об. % ПОС-80; 3 - Cu + 67 об. % графита; 4 – Cu

211

+ 67 об. % ПОС-80

Износ провода, мкм

Износ контактного провода, мкм/10 тыс. прох.

1. Ослабление прочности вторичных структур путем введения более мягких, чем медь добавок слоистой или аморфной структуры в состав композиционного материала токосъемной накладки. При этом будет ускоряться разрушение вторичных структур. Необходимо не допустить формирование крупных и твердых абразивных образований из вторичных структур. На рисунке 6 показан пример того, как добавка графита со слоистой структурой и мягкого по отношению к меди сплава олова со свинцом (ПОС80) уменьшают износ токосъемных 90 материалов за счет ослабления прочности 80 вторичных структур. 70 2. Разрушение вторичных структур 1 60 абразивными добавками 50 2 композиционного материала 40 токосъемной накладки. При этом не 30 допускается формирование крупных 20 абразивных образований из вторичных 10 0 структур. 0 10 20 30 40 50 60 70 80 На рисунке 7 показан пример того, как Средний размер зерна TiC, мкм добавка более твердого, чем медь Рис. 7. Средняя скорость износа карбида титана влияет на износ материалов путем контактного провода от среднего токосъемных размера частиц порошка TiC в разрушения образующихся вторичных токосъемной накладке. Скорость – 54 структур частицами карбида титана. км/ч. Плотность тока – 100 А/см2. 1 – 3. Создание износостойких вторичных медь + 50 об% - антифрикционная структур на поверхности контактного за счет введения добавка. Состав добавки: 50 об.% TiC, провода соответствующих добавок в 50 об.% графита. 2 – медь + 30 об% композиционный материал токосъемной графита без TiC. накладки. На рисунке 8 показан пример работы композиционного материала токосъемной накладки с 16 1 14 антифрикционной добавкой железа. Эта 12 добавка формирует на поверхности 10 контактного провода слой 8 износостойких вторичных структур. В 6 начальный период формирования этого 2 4 слоя наблюдается относительно 2 большая скорость износа материалов в 0 трибосистеме. По мере того, как -2 0 1 2 3 4 5 формируется слой вторичных структур, Число проходов, N*10 износ токосъемной накладки постепенно падает практически до нуля (менее 1 Рис. 8. Износ контактного провода мкм на 10 км). При этом износ токосъемными накладками различного контактного провода также небольшой состава. Скорость движения - 54 км/ч. (около 1 мкм на 10 тыс. проходов). Плотность тока – 100А/см2. Материал ТН: 1 – Cu + 67 об. % графита; 2 - Cu + Выводы 20 об. % графита, 20 об.% Fe. Повышение износостойкости 4

212

меднографитовых токосъемных материалов может быть достигнуто тремя путями: - ослаблением прочности вторичных структур путем введения более мягких, чем медь добавок слоистой или аморфной структуры в состав композиционного материала токосъемной накладки; - разрушением вторичных структур абразивными добавками композиционного материала токосъемной накладки; - созданием износостойких вторичных структур на поверхности контактного провода за счет введения соответствующих добавок в композиционный материал токосъемной накладки. Список литературы: 1. Берент В. Я. Материалы и свойства электрических контактов в устройствах железнодорожного транспорта. М.: Интест. 2005-404 с. 2. Полищук В. С., Буковский В. И., Доценко К. И. Композиционные токосъемные материалы для подвижных составов железнодорожного транспорта. Донецк.: Вебер. 2008-136 с. 3. Крагельский И. В., Гитис Н. В. Фрикционные автоколебания. М.: Наука. 1987-184 с. ИССЛЕДОВАНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК КОМПОЗИЦИОННЫХ МАГНИТОАБРАЗИВНЫХ ПОРОШКОВ ПРИ ФИНИШНОЙ ОБРАБОТКЕ СТАЛИ ШХ15 Доценко К. И., Полищук В. С, Сагдеева Ф. Н., Яценко Г. С. (НТЦ «Реактивэлектрон» НАН Украины, Донецк, Украина) The influence of abrasive typed of the magnetic-abrasive powder under magneticabrasive processing on the roughness of processed sample from roller-bearing steel are investigated. Recommendations are given on the optimum composition of the magneticabrasive powder for processing roller-bearing steel. Совершенствование методов шлифования выдвинуло абразивную обработку в число наиболее распространенных, производительных и высокоточных процессов резания. Способность магнитного поля воздействовать на ферромагнитные тела с силой, достаточной для абразивного резания, позволила создать такие процессы абразивной обработки, при которых энергия магнитного поля превращается в механическую работу резания непосредственно в зоне обработки без каких-либо промежуточных механизмовРис. 1. Экспериментальная установка для преобразователей. Такой процесс исследования эксплуатационных свойств обработки был назван МАП: 1 -соленоид; 2 - электродвигатель; 3 –ремагнитоабразивным (МАО) [1,2]. менная передача;4 - вольтметр; 5 -амперметр; 6 Метод МАО потребовал регулирующий трансформатор; 7 - эксцентриковый создания нового класса механизм; 8 -электродвигатель эксцентрикового инструментальных материалов механизма 213

магнитоабразивных порошков (МАП), обладающих одновременно высокими абразивными и магнитными свойствами [3]. Такие свойства могут обеспечить только композиционные материалы, создаваемые на основе ферромагнитных (железо и его сплавы) и абразивных (карбиды переходных металлов, алмазы) составляющих. В НТЦ «Реактивэлектрон» НАН Украины для испытаний эксплуатационных свойств МАП создана экспериментальная установка (рис. 1). Обрабатываемая деталь находится в магнитном поле соленоида (1) и приводится в движение электродвигателем (2), снабженным ременной передачей (3) для изменения скорости вращения. Ременная передача позволяет ступенчато изменять линейную скорость обрабатываемой детали: 2,2; 3,8; 5,8; 9,1 м/с. Электродвигатель (4) с эксцентриками (5) обеспечивает осцилляционное движение обрабатываемой детали вдоль ее оси вращения. Сила тока и напряжение, подаваемые на электромагнит, регулируются трансформатором (6) и измеряются амперметром (7) и вольтметром (8). Для улучшения эффективности МАО в рабочую зону полирования детали подается смазочно-охлаждающая жидкость. В экспериментах по исследованию влияния химического, фазового и фракционного состава МАП на эффективность МАО использовали композиционные МАП на основе железа и карбидов Тi, Cr, Nb и W. Композиционные магнитноабразивные порошки получали спеканием при температурах 1400-1500°С в электровакуумной печи. Величина зерна спеченного композиционного МАП составляла 250-300 мкм. МАО подвергали кольца Ø 36x26 и h 20 мм из стали ШХ15 с твердостью 60НRC. Величина магнитного поля в рабочем зазоре между сердечником магнита и обрабатываемой деталью - 1 Тл. В ходе экспериментов была подобрана оптимальная скорость вращения обрабатываемой детали - 3,8 м/с, которая обеспечивала максимальный удельный съем металла с обрабатываемой детали. В процессе проведения экспериментов определяли удельный съем металла с обрабатываемого образца, фракционный состав зерна отработанного МАП, шероховатость поверхности детали до и после МАО. Исходная шероховатость поверхности составляла 0,6-0,7 мкм (рис. 2).

Рис. 2. Профиль исходной поверхности образца стали ШХ15 твердостью 60 HRC Было установлено, что через 5-30 секунд полирования шероховатость поверхности образца стали ШХ15 достигает минимальной величины (рис. 3) и сохраняет ее в зависимости от свойств используемого МАП в течение 1-20 минут

214

Рис. 3. Профиль поверхности образца стали ШХ15 твердостью 60 ИКС после полирования в течение 30 секунд Затем скорость удельного съема заметно падает, а шероховатость поверхности обрабатываемой детали начинает возрастать. Увеличение шероховатости обусловлено ухудшением свойств МАП в процессе работы за счет накопления в нем частиц износа и налипанием их на поверхность полируемого образца. Такая закономерность в процессе полирования характерна при использовании всех исследованных МАП. При взвешивании отработанных МАП установлено, что в в начальный период полирования их масса уменьшается, а потом начинает расти, превышая при этом свое первоначальное значение на величину, превышающую вес металла, снятого с детали в процессе полирования. Это связано, по видимому, с тем, что продукты износа частично окисляются, попадают в МАП и становятся источником для налипания на поверхность полируемой детали, увеличивая ее шероховатость. Таким образом, различные МАП в процессе полирования постепенно меняют свой исходный состав за счет окисленных магнитных продуктов износа обрабатываемой детали. При этом влияние исходной абразивной составляющей МАП нивелируется. Как показано на рисунке 4 все кривые имеют одинаковый наклон через 5 минут после начала полирования, т. е. имеют Рис. 4. Изменение удельного съема металла одинаковую скорость удельного металла полируемого при полировании образца ст. ШХ15 (60HRC) съема от времени полировки при использовании образца. Из рисунка 5 видно, что снижение МАП с различными абразивными максимальное поверхности составляющими. Абразивная составляющая шероховатости МАП: 1 - WС, зерно 3- 15 мкм; 2 - ZrC, зерно образца достигается в течение 202- 6 мкм; 3 - NbC, зерно 4-25 мкм; 4 - TiC, 40 секунд. Через 5 минут начинается зерно 5-7 мкм. Состав МАП - 50 об. % полирования шероховатости абразивной составляющей + 50 об. % Fe. увеличение обрабатываемой Фракции МАП: кривые 1-3: 100/200 мкм, поверхности детали у всех МАП практически с кривая 4 - 250/300 мкм одинаковой скоростью. Анализ изменения среднего размера зерна МАП после обработки (Рис. 6) показал, что

215

уменьшение среднего размера частиц отработанного МАП, т. е. разрушение спеченного композита, происходит в течение одной минуты. При более длительном полировании размер частиц отработанного МАП стабилизируется. На рис. 5 показано изменение шероховатости при полировании стали ШХ15 для МАП на основе железа и карбидов W, Zr,, Nb, Ti. Установлено, что МАП с размерами зерен абразивных составляющих менее 7 мкм (ТiC и ZrС) обеспечивают шероховатость поверхности до Rа 0,1 мкм. При Рис. 5. Изменение шероховатости использовании МАП с большими зерна абразивной поверхности при полировании образца стали размерами ШХ15 (60HRC) МАП, содержащими составляющей (WС 3/15 мкм и NbС мкм) шероховатость различные абразивные составляющие. 4/25 поверхности возрастает (Rа 0,2 Абразив: 1 - WC (3-15 мкм); 2 - ZrС (2-6 мкм); 3 - NbС (4-25)мкм; 4 – TiC (5-7) мкм. 5 - мкм). При МАП с абразивом NbC условный верхний предел шероховатости для 4/25 мкм (рис. 4, кривая 3) имел полирования. МАП: состав -50 об. % более высокую скорость удельного абразивной составляющей + 50 об. % Fe съема по сравнению с остальными фракция: кривые1-3 (100/200 мкм), кривая 4 - МАП. Из этого следует, что МАП с крупным абразивным зерном имеют (250/300 мкм) большую производительность при полировании, но образуют более шероховатую поверхность. Следует обратить внимание на то, что МАП с ТЮ состоит из зерен композита с крупностью 250/300 мкм, а остальные МАП из зерен крупностью 100/200 мкм. Таким образом, размер зерна самого МАП практически не влияет на получаемую шероховатость поверхности. Выводы Рис. 6. Изменение среднего размера зерна Композиционные отработанного МАП при полировании стали ШХ15 (60 НКС) порошками с различными абразивными магнитоабразивные порошки, составляющими Абразив МАП: 1 - WC (3-15 мкм); 2 получаемые ZrС (2- 6 мкм); 3 - NbC (4-25 мкм); 4 - TiC (5-7 мкм). высокотемпературным Материал МАП - 50 об. % абразива + 50 об. % Fe. спеканием в вакууме карбидов Фракция МАП: кривые 1-3 (100/200 мкм), кривая 4 - переходных металлов с (250/300 мкм) железом, обладают высокой прочностью и хорошими полирующими свойствами. При МАО эти МАП показывают

216

максимальную скорость удельного съема металла полируемого образца в начальный период времени. Оптимальные составы МАП необходимо подбирать в зависимости от поставленной задачи (производительность процесса съема материала, качество поверхности). Эксплуатационные характеристики композиционных МАП, полученных спеканием, зависят от величины зерна абразивной составляющей МАП. По результатам сравнительных испытаний показано, что лучшими эксплуатационными характеристиками для финишной обработки стали ШХ15 обладает МАП с размером зерна 100-200 мкм на основе железного порошка и частиц карбида титана размером 710 мкм. Список литературы: 1. Барон Ю. М. Магнитно-абразивная и магнитная обработка изделий и режущих инструментов. Л.: Машиностроение. 1986-176 с. 2. Полищук В. С. Магнитно-абразивная обработка — высокоэффективный метод повышения производительности, качества и стойкости изделия // Строительные и дорожные машины. — 2009. — №1. — С. 21-26. 3. Полищук В. С. Интенсификация процессов получения карбидов, нитридов и композиционных материалов на их основе. Севастополь: «Вебер», 2003-327 с. АНАЛИЗ ДЕФОРМИРОВАНИЯ СЛОИСТЫХ УГЛЕПЛАСТИКОВ Думанский А.М1., Таирова Л.П.2, Алимов М.А.1 ( Учреждение Российской Академии Наук Институт машиноведения им. А.А. Благонравова РАН, 2МГТУ им. Н.Э. Баумана, г. Москва, Россия) 1

An analysis of deformation of carbon fiber reinforced plastics is presented. The method of construction of constitutive hereditary equations on the basis of classical laminate theory and viscoelastic behavior under shear is elaborated. Высокопрочные тонкостенные элементы конструкций из слоистых композитных материалов на полимерной основе широко используются в аэрокосмической и авиационной технике. Композиты на основе углеродных волокон обладают повышенными жесткостными и прочностными свойствами, повышенным сопротивлением переменным во времени нагрузкам, включая усталостное нагружение. Поскольку деформационные свойства тонкостенных элементов из слоистых структур в значительной степени определяются свойствами однонаправленного слоя, значительная часть исследований основывается на соотношениях слоистых пластин, дающих хорошие результаты в области линейной связи напряжений и деформаций. Однако до сих пор существуют трудности при описании участков деформирования с существенно нелинейной связью напряжений и деформаций. На этапе расчета и проектирования слоистого материала для определенной конструкции существенно важной является оценка напряженно-деформированного состояния слоев материала, определение типа их разрушения в процессе эксплуатации. Углепластики характеризуются широким спектром механических характеристик механического поведения. Механические свойства матрицы и границы взаимодействия между волокном и матрицей в значительной степени проявляются при растяжении перекрестно армированных углепластиков. В [1] предложен метод описания вязкоупругих свойств углепластика, проявляющихся при испытаниях образцов из перекрестно армированного углепластика. Показано, что механические свойства однонаправленного углепластика при сдвиге существенно зависят от времени и вносят

217

заметный вклад в перераспределение напряжений между слоями с течением времени. При высоких уровнях нагружения перекрестно армированных углепластиков, особенно с углами укладки, близкими к 450, начинает проявляться заметная нелинейность механических свойств, вызванная совместным влиянием вязкоупругости, накопления повреждений и геометрии укладки волокон. В данной работе проводится построение и анализ определяющих соотношений для перекрестно армированных углепластиков и делается попытка качественного описания характера деформирования и разрушения. Предполагалось, что однонаправленный слой следует закону упругости в направлении главных осей ортотропии и следует определяющему соотношению наследственности при сдвиге в плоскости слоя. В соответствии с предлагаемым подходом система определяющих соотношений для слоя может быть записана следующим образом [1] ν 1 = ε1 σ 1 − 21 σ 2 E1 E2

ν 1 − 12 σ 1 + σ 2 ε2 = E1

(1)

1 1 + K ∗ )τ 12 , 0 ( G12 – модули упругости в направлениях вдоль и поперек волокон = γ 12

где E1 ,

соответственно, G120 – модуль сдвига по мгновенной кривой деформирования, ν 12 – коэффициент Пуассона. Воздействие наследственного оператора на сдвиговые напряжения определяется интегралом:

∗ K= τ 12

∫ K ( t − ξ )τ ( ξ ) d ξ , 12

K (t )

- ядро

оператора, определяющее наследственные свойства при сдвиге. В [1] на основе теории слоистых пластин и наследственного определяющего соотношения при сдвиге разработана теория построения определяющих соотношений слоистых пластин, в частности, получены соотношения для перекрестно армированного углепластика с различными углами укладки. Предполагалось, что реологию свойств слоя при сдвиге можно описать с помощью слабосингулярного ядра

) - гамма-функция. Γ (1 + α ) В соответствии с предлагаемой схемой на первом этапе методом идентификации [2] по результатам квазистатических испытаний на растяжение образцов из перекрестно армированного углепластика производилась оценка упругих свойств слоя. Были получены следующие значения: E1 = 151 ГПа, E2 = 3,95 ГПа, G12 = 2,39 ГПа, ν 12 = 0,315 . Далее, по результатам испытаний при знакопеременном нагружении, для укладки [±40] 2 , были определены параметры ядра Абеля однонаправленного слоя при сдвиге: G120 = 3, 6 ГПа, λ = 1.0465 мин-(1+α), α = −0,9 [1], где G120 - упругомгновенное значение модуля сдвига слоя. Система определяющих соотношений (1) может быть легко обращена. Обращение первых двух уравнений представляет собой решение системы двух линейных уравнений. Обращение определяющего соотношения, описывающего сдвиг, осуществляется с помощью резольвенты оператора Абеля, представляющего собой дробно-экспоненциальную функцию Работнова [3] Абеля:= K ( t ) λ= Iα ( t )

t α , −1 < α < 0 , Γ (

218

= σ 1 E1 ( ε1 +ν 21ε 2 ) = σ 2 E2 (ν 12ε1 + ε 2 )

(2)

τ 12 = G120 (1 − λ Ýα∗ ( −λ ) ) γ 12 ,

где Ei =

1 −ν 12ν 21

, Ýα ( −λ ) ⋅1 =t

1+α

∗

( −λ t ) 1+α

∞

∑ Γ 1 + (1 + α )(1 + m ) .

ò =0





Используя соотношения теории слоистых пластин, можно получить определяющие соотношения для углепластика любой укладки. Матрицу жесткости в (2) в матричной форме удобно представить в следующем виде = Gxy  Gxy0  − Gxy∗  ,

(3)

где Gxy0  - матрица мгновенных значений жесткости пакета, Gxy∗  - операторная составляющая, описывающая временные свойства материала. Для перекрестно армированного материала матрица жесткости вычисляется по T Gθ0 − Gθ∗  , [Tθ ] Gxy  0,5 Gθ + G−θ  , где Gθ  = формуле = [Tθ ] G120 − G12∗  [Tθ ] =

{

}

матрица преобразования при повороте системы координат на угол θ . В полученных матричных соотношениях дробно-экспоненциальная функция Работнова является G12∗  G12  Ýα∗ ( −λ ) . Матрица G12  определяется следующим множителем, т.е.= выражением

0 0 0     (4) G12  = 0 0 0  . 0 0 −λ  Реализуя в числах вышеприведенные формулы можно получить систему определяющих соотношений для описания релаксации или зависимости напряжений при заданном изменении деформаций во времени. Например, для укладки [±50]2 получена следующая система определяющих соотношений

σ x = ( 31.3 − 3.655Ý −∗0,9 ( −1, 0456 ) ) ε x + ( 34.8 + 3.655Ý −∗0,9 ( −1, 0456 ) ) ε y

σ y = ( 34.8 + 3.652Ý −∗0,9 ( −1, 0456 ) ) ε x + ( 56.9 − 3.652Ý −∗0,9 ( −1, 0456 ) ) ε y

(5)

τ xy = ( 37,17 − 0.1136Ý −∗0,9 ( −1, 0456 ) ) γ xy .

Используя операторные выражения для компонент матрицы жесткости, с помощью алгебры резольвентных операторов можно получить выражение для модуля наследственной упругости. Однако получение выражений для технических характеристик пакета проще выполнить, используя процедуру обращения матрицы жесткости в (5). В работе [1] разработан алгоритм обращения матрицы операторов с помощью матричной резольвенты. Выражение для матрицы податливости может быть записано в виде  S xy  =  I + Qdiag ( µi Ýα∗ ( −λ − µi ) ) Q −1   S xy0  , (6)  

219

−1

Gxy0  G xy  = [Q ] diag ( µi ) [Q ] , выражение, полученное с помощью −1 диагонализации матрицы Gxy0  G xy  , µi являются собственными значениями диагонализуемого произведения матриц и равны µ1 = 0 , µ2 = 1, 013= , µ3 0,306 ⋅10−2 . Явное выражение для системы определяющих соотношений для укладки [±50] 2 приобретает следующий вид где

−1

εx = ( 0,1 + 0,3182 ⋅10-2 Ý −∗0,9 ( -1,046 ) +0,5705 ⋅10-1Ý −∗0,9 ( −2, 06 ) )σ x +

( -0,6118 ⋅10 -0,1947 ⋅10 Ý ( -1,046 ) -0,5130 ⋅10 Ý ( −2, 06 ) )σ ε = ( -0,3182 ⋅10 Ý ( -1,046 ) -0,6118 ⋅10 -0,5705 ⋅10 Ý ( −2, 06 ) ) σ ( 0,5500 ⋅10 +1947 ⋅10 Ý ( -1,046 ) +0,5130 ⋅10 Ý ( −2, 06 ) )σ γ =( 0,2690 ⋅10 +0,8490 ⋅10 Ý ( −1, 050 ) )τ . -1

-2

-1

∗ −0,9

-1

-2

-1

∗ −0,9

-1

∗ −0,9

-1

∗ −0,9

-3

∗ −0,9

(7)

Таким образом, получена взаимосвязь характеристик длительной жесткости или модулей релаксации и длительных податливостей перекрестно армированного углепластика. Аналогичным образом могут быть получены определяющие соотношения для любых других укладок. Влияние параметра времени может быть оценено с помощью асимптотической оценки дробно-экспоненциальной функции 1 Работнова: Ýα∗ ( − β ) = 0 и Ýα∗ ( − β ) → . t =0

t →0

Соотношения (7) в операторных выражениях для технических характеристик упругости могут быть переписаны в следующем виде ν 21∗ 1 = εx σx − σy Ex∗ Ey

ν∗ 1 − 12 σ x + ∗ σ y εy = Ex

(8)

1 τ xy . Gxy∗ Используя соответствие между выражениями характеристик наследственной упругости, с помощью соотношений алгебры дробно-экспоенциальных операторов можно получить явные выражения для соотношений технических характеристик наследственной упругости. При умеренных уровнях нагрузки соотношения (5), (7) и (8) справедливы, однако для углов укладки, близких к 450, и при нагрузках, близких к предельным, может иметь место физическая нелинейность, вызываемая нелинейностью как мгновенных, так и реологических свойств, а также геометрическая нелинейность, вызванная эффектом «ножниц» - изменения угла укладки в связи с приложенной нагрузкой. Исследование нелинейности требует комплексного подхода и вызывает необходимость обобщения и разработки новых подходов для описания указанных выше эффектов. Нелинейные эффекты при растяжении перекрестно армированных углепластиков при квазистатическом нагружении рассматриваются в работах [4,5], эффект геометрии описан в [6].

γ xy =

220

Список литературы: 1. Dumansky A.M, Tairova L.P The prediction of viscoelastic properties of layered composites on example of cross-ply carbon reinforced plastic // World Congress on Engineering 2007, V.II. - London, UK 2-4 July, 2007. – PP. 1346-1351.. 2. Zinoviev P.A., Tairova L.P. Identifying the Properties of Individual Plies Constituting Hybrid Composites // Inverse Problems in Ingineering. – 1995, Vol. 2.– pp. 141-154. 3. Работнов Ю.Н. Элементы наследственной механики твердых тел. - М.: Наука, 1977. - 384 с. 4. Упитис З.Т., Удрис А.О. Деформирование углепластика с перекрестным армированием ±45 при плоском напряженном состоянии // Мех. композит. матер. – 1988. - № 5.- С. 852-861. 5. Работнов Ю.Н., Гуняев Г.М., Кузнецова М.А., Махмутов Т.М., Степанычев Е.И. Нелинейные зависимости напряжение-деформация для углепластиков при непрерывном статическом нагружении // Механика полимеров. – 1976. – С. 49-53. 6. Образцов Т.Ф., Васильев В.В. Нелинейные феноменологические модели деформирования волокнистых композитных материалов // Мех. композит. матер. – 1982. - № 3.- С. 390-393. АППАРАТНО-ОРИЕНТИРОВАННЫЙ ПОДХОД К ВЫЯВЛЕНИЮ ПАРАЛЛЕЛИЗМА В ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫХ ПРОГРАММАХ СО СВЯЗЯМИ ПО УПРАВЛЕНИЮ И ЦИКЛАМИ Дюбрюкс С.А., Борзов Д.Б., Титов В.С. (КурскГТУ, г. Курск, Россия) The construction principle of a hardware accelerator intended for revealing of parallelism in the consecutive programs with management relations and cycles is offered. It reflects process of decomposition of task set operators on independent subsets. Один из способов уменьшения времени выполнения задач – использование многопроцессорных систем. Наибольшую выгоду от использования таких систем можно получить при обработке параллельных алгоритмов [1]. Но распараллеливание задач также является трудоёмким процессом, требующим больших затрат машинного времени. Предлагаемый акселератор предназначен для разгрузки хост-процессора в многопроцессорных системах путём выполнения функции распараллеливания задач, содержащих линейные и циклические участки, а также передачи по управлению. Акселератор поддерживает механизм обеспечения прямого доступа в память, что позволяет хост-процессору выдавать исходные данные и получать результат в произвольный момент времени. Входными данными для работы предлагаемого устройства являются матрицы следования, входных и выходных переменных [2]. Основные процедуры разбиения исходного множества операторов: 1. Анализ матрицы следования с выделением циклических участков, определение уровня вложенности операторов [3]. 2. Выделение линейных участков программы за пределами и внутри циклов. 3. Распараллеливание операторов в полученных линейных участках. 4. Выявления параллелизма среди тел циклов смежных уровней вложенности друг относительно друга. 5. Определение нового порядка выполнения операторов с учётом выявленного параллелизма. 6. Подготовка выходных данных. Рассмотрим данные этапы более подробно. На первом этапе выполняется анализ структуры программы с использованием матрицы следования. Она содержит информацию о переходах между операторами программы, поэтому наличие единицы выше главной диагонали свидетельствует о

221

возврате из оператора с соответствующим номером к одному из предыдущих операторов, что свидетельствует о наличии цикла, функции или подпрограммы. Единица ниже диагонали, задаваемой равенством i+1=k (i – номер строки, k – номер столбца) означает наличие ветвления при отсутствии соответствующей единицы в i-той строке этой диагонали, или признака того, что в i-й оператор приходят несколько ветвлений. Эта информация используется для определения уровня вложенности операторов программы и для генерации матрицы достижимости, используемой для дальнейшего распараллеливания. В матрице следования, приведённой в таблице 1, имеются 2 цикла – внешний и вложенный, и одно ветвление. Уровень вложенности операторов 1 и 8 равен нулю, операторов 2-6 – двум, оператора 7 – единице. Процесс выделения линейных участков основан на анализе последовательности, состоящей из уровней вложенности операторов, полученных ранее: 02222210. Линейному участку будут соответствовать операторы с последовательностью 00…0, линейному участку внутри тела цикла – 11…1, 22…2 и т.д. Для организации распараллеливания линейного участка необходимы матрицы достижимости, входных и выходных переменных. Последние две являются входными данными акселератора, матрица достижимости получается из матрицы следования следующим образом: 1. Все ячейки искомой матрицы ниже диагонали i=k+1 заполняются единицами. 2. В матрице следования осуществляется поиск единиц, находящихся ниже диагонали i=k+1, т.е. поиск ветвлений. Координаты каждой найденной единицы i и k фиксируются. 3. В i-1-м столбце, начиная с позиции k+1, осуществляется поиск единицы, т. е. узла, где сходятся ветвления. Координата найденной единицы принимается p=i. 4. Значения ячеек искомой матрицы внутри получаемого прямоугольника с координатами углов (k+1; i), (k+1; p-1), (i-1; i), (i-1; p) заполняются нулями, если значения соответствующих ячеек матрицы следования равно нулю. Матрице следования из таблицы 1 будет соответствовать матрица достижимости из таблицы 2. Для каждого линейного участка матрица достижимости является частным случаем этой матрицы. Таблица 1. Матрица следования № оператора 1 2 3 4 5 6 7 0 0 0 0 0 0 0 1 2 1 0 0 0 0 1 1 3 0 1 0 0 0 0 0 4 0 0 1 0 0 0 0 5 0 1 0 0 0 0 0 6 0 0 0 1 1 0 0 7 0 0 0 0 0 1 0 8 0 0 0 0 0 0 1

Таблица 2. Матрица достижимости № оператора 1 2 3 4 5 6 7 0 0 0 0 0 0 0 1 2 1 0 0 0 0 1 1 3 1 1 0 0 0 0 0 4 1 1 0 0 0 1 0 5 1 0 1 1 0 0 0 6 1 0 0 0 1 0 0 7 1 0 0 1 1 1 0 8 1 1 1 1 1 1 1

8 0 0 0 0 0 0 0 0

Процесс выявления параллелизма для последовательности операторов линейного участка описан в [4]. По его окончании каждому оператору ставится в соответствие ярус и ветвь. Номер ветви соответствует одному процессору многопроцессорной системы, а номер яруса – порядку выполнения операторов. Подобным образом организуется и распараллеливание линейных участков друг относительно друга. Основные отличия:

222

1. Строка матриц входных и выходных переменных – результат дизъюнкции строк, соответствующих всем операторам участка. 2. Номер ветви соответствует одной группе процессоров многопроцессорной системы, а номер яруса – порядку выполнения участков. Распараллеливание линейных участков программы с операторами разного уровня вложенности рассмотрим на следующем примере. В таблице 3 заданы исходные данные об операторах программы, где U – номер участка, V-уровень вложенности участка, равный уровню операторов, его составляющих, N_op – операторы соответствующего участка. Сначала распараллеливаются участки, с уровнями вложенности 0 и 1. При этом участки большего чем 1 уровня вложенности, поглощаются участком с уровнем 1 (таблица 4), а соответствующие участкам уровней больше первого строки матриц входных и выходных переменных по дизъюнкции объединяются в строки, соответствующие участкам уровня 1. Предположим, что результат распараллеливания этих участков выглядит так, как показано в таблице 6. В следующую очередь происходит выявление параллелизма для участков с уровнями вложенности 1 и 2. При этом участки большего чем 2 уровня вложенности поглощаются участком с уровнем 2 (таблица 5), а соответствующие участкам уровней больше второго строки матриц входных и выходных переменных по дизъюнкции собираются в строки, соответствующие участкам второго уровня. Предположим, что результат распараллеливания этих участков выглядит так, как показано в таблице 7. Таблица 3. Данные об участках Таблица 4. Распараллеливание участков программы уровней вложенности 0 и 1 U N_op V U_01 N_op V 0 1-2 0 1 1-2 1 2 3-5 1 2 3-12 1 3 6-7 2 3 13-16 0 4 7-9 1 4 17 1 5 11-12 2 5 18-20 0 6 13-16 0 Таблица 5. Распараллеливание участков уровней вложенности 1 и 2 7 17 1 U_02 N_op V 8 18-20 0 3-5 1 1 2 6-7 2 3 7-9 1 4 11-12 2 Таблица 6. Порядок выполнения участков уровней вложенности 0 и 1 № яруса 1 2 3 4 № ветви 1 2 3 4 1 2 5

Таблица 7. Порядок выполнения участков уровней вложенности 1 и 2 №яр.№ вет 1 1 1 2 2 3 3 4 4 223

Таблица 8. Итоговый порядок выполнения участков №яр. №вет. 1 2 3 4 13-16 17 1-2 3-5 1 2 6-7 3 7-9 4 11-12 18-20 5

В общем случае процесс распараллеливания участков продолжается до тех пор, пока не будут распараллелены друг относительно друга участки максимального уровня вложенности и уровня, который на единицу меньше максимального. По его окончании в таблицу, аналогичную таблице 8, содержащей совокупный результат всех распараллеливаний, переносятся результаты выявления параллелизма внутри самих участков. Таким образом, каждый оператор программы получает в соответствие номер процессора, на котором он должен быть выполнен, и номер этапа, на котором должно произойти его выполнение. При этом к моменту выполнения любого из операторов необходимые данные будут вычислены. Также будет исключена возможность одновременной записи данных в одну ячейку памяти, а также вероятность одновременного инициирования операций записи и чтения данных из какой-либо ячейки. Выходными данными работы акселератора является множество тегов, структура которых показана на рисунке 1. Поле N_op содержит номер конкретного оператора, поля Yarus и Branch определяют порядок выполнения оператора, поле V показывает его уровень вложенности, поля M1, M2, …, MV содержат ссылки на мультипликаторы – числа, показывающие, сколько раз должен быть выполнен оператор в циклах с уровнями вложенности тел 1, 2, …, V.

Рис. 1. Выходной тег акселератора. Данный подход распространяется на класс циклов с пост-условием Par Do, не имеющий сквозных выходов изнутри тела цикла [5]. Он помогает получить заметный выигрыш при наличии в программе циклов с отсутствием информационной связи между их телами. В дальнейшем планируется расширение класса обрабатываемых циклов, разработка методов их раскрутки, а также исследование возможностей распараллеливания функций и процедур. Список литературы: 1. Трахтенгерц Э.А. Введение в теорию анализа и распараллеливания программ ЭВМ в процессе трансляции. – М.: Наука, 1981. – C. 184187. 2. Борзов Д.Б., Дюбрюкс С.А., Титов В.С. Выявление параллелизма внутри линейных участков последовательных программ со связями по управлению / Сборник трудов XIV Международной научно-технической конференции «Машиностроение и техносфера XXI века. Т2». – Донецк, 2007. – С. 26-30. 3. Борзов Д.Б., Дюбрюкс С.А., Титов В.С. Метод выявления циклических участков внутри линейных внутри линейных последовательных программ. / Сборник трудов XV Международной научнотехнической конференции «Машиностроение и техносфера XXI века. Т1». – Донецк, 2008. – С. 319-322. 4. Борзов Д.Б., Дюбрюкс С.А., Титов В.С. Метод выявления параллелизма внутри линейных участков последовательных программ и его аппаратная реализация. Известия вузов. Приборостроение. – Санкт-Петербург, – 2008, – №2, С. 3438. 5. Воеводин В.В., Воеводин Вл.В. Параллельные вычисления.– СПб.: БХВ– Петербург, 2002.– 608 с.

224

ТЕРМОАКТИВАЦИОННЫЙ АНАЛИЗ ДИЛАТОМЕТРИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ СПЛАВА Al-15% Zn Ермишкин В.А., Минина Н.А., Томенко А.К. (ИМЕТ РАН, г. Москва , Россия) The new method of determining the thermal activation parameters according to the data of dilatometric measurements was developed by authors. The experimental testing of method is carried out on the Al -15%Zn model alloy/. Method makes possible to calculate the activation energy spectra of the structural evolution process of the investigated alloy at the stages of heating, isothermal annealing and cooling of samples in the high-speed dilatometer. Мысль о значительной роли термических флуктуаций в процессах пластической деформации материалов в настоящее время не встречает возражений. Для определения термоактивационных параметров процессов, контролирующих скорость пластической деформации, разработаны многочисленные экспериментальные методики, опирающиеся на теоретический анализ элементарных актов преодоления подвижными дислокациями препятствий различной природы, локализованных в плоскостях их скольжения. Краткий обзор этих методик и теоретических представлений, связанных с ними, были предметом обстоятельного обсуждения. [1-3]. В большинстве этих публикаций температурные, временные и скоростные зависимости пластических деформаций различных материалов описываются уравнением абсолютных скоростей процессов в форме уравнения Аррениуса:  U (σ )  έ = έ о · exp − (1)  kT  Для основных параметров этой формулы предложены выражения, которые исследователи используют для идентификации элементарных процессов взаимодействия подвижных дислокаций со структурными образованиями, тормозящими их движение. Исследования такого рода получили название термоактивационного анализа процессов пластической деформации и их результаты служат двум основным целям: 1) определение структурных механизмов процессов путем сопоставления термоактивационных параметров, найденных по экспериментальным данным с их значениями, вычисленными для различных структурных схем взаимодействия подвижных дислокаций с неподвижными препятствиями. При этом удается выяснить условия, при которых доминируют те или иные механизмы деформации; 2) применение их в качестве средства обобщения обширных экспериментальных данных для последующего применения в технологических целях. В силу произвольности многих допущений, используемых при термоактивационном анализе процессов пластической деформации, в частности, независимости плотности подвижных дислокаций от напряжения, постоянства предэкспоненциального множителя, представления напряжения как однозначной функции скорости деформирования и температуры, нельзя считать проблему оценки достоверности его результатов решенной. Вызывает обоснованные сомнения способность охарактеризовать единственным значением энергии активации процесс преодоления дислокациями энергетических барьеров, учитывая их различную физическую природу и протяженность. В настоящей работе приведены результаты оценки термоактивационных параметров по данным дилатометрических экспериментов, позволяющие существенно повысить точность их определения. Методика определения энергии активации базируется на уравнении, полученном при анализе пластических деформаций при изотермическом отжиге образцов в рабочей ячейке дилатометра. Оно было установлено в работе [4] как выражение, хорошо 225

аппроксимирующее данные дилатометрических экспериментов со сплавом Al-15%Zn. Оно может быть записано в виде:   U  ε = ε о ⋅ 1 + t ⋅ exp −   kT  

(2)

где: ε о и n- константы, зависящие от вида материала и температуры эксперимента; Uэнергия активации, k - постоянная Больцмана, Т - температура отжига. Второй член выражения, заключенного в квадратные скобки представляет собой эффективное время процесса, введенное Дж.Дорном при описании кривых высокотемпературной ползучести алюминия [5]. В этом частном случае он принял, что U = Q s , где Q s энергия активации самодиффузии алюминия. Следует отметить, что эффективное время процесса позволяет учесть как влияние температуры, так и продолжительности пребывания материала под действием температуры на деформационные эффекты. Непрерывный нагрев образца в рабочей ячейке дилатометра можно рассматривать как последовательную смену термически равновесных состояний образца со ступенчатым изменением температуры. При нагреве изменение температуры за период времени между двумя последовательными замерами, составляющим 3 сек, е превышало 1,5 К. Записав уравнение (2) для двух последовательных ступеней при нагреве и охлаждении и взяв отношение полученных результатов, после простых преобразований было получено уравнение (3):  U   U   − t i + 2 ⋅ exp −  t i +3 ⋅ exp − kT kT ε i +3 − ε i + 2 i +3  i+2    (3) = ε i +1 − ε i  U   U  ii +1 ⋅ exp −  − t i ⋅ exp − kT  kT i +1  i    где: индексы i+3, i=2, i+1, i - обозначают последовательность измерений соответствующих переменных. Правая часть этого уравнения содержит единственный неизвестный параметр U, который можно определить численным методом. Задаваясь последовательностью значений энергий активации и заданной точностью ее расчета ( в нашем случае 0,03), отыскивались решения этого уравнения и вероятность их получения при известном значении энергии активации как отношение N i /N, где N i число полученных решений уравнения (3) для заданного значения энергии активации, N - общее число вычислений по уравнению (3) при этом значении энергии активации для всей совокупности экспериментальных данных на стадии нагрева. С помощью перенормировки по полученной последовательности энергий активации и соответствующим значениям вероятности N i /N вычислялась спектральная зависимость энергии активации для анализируемой стадии эксперимента и среднее значение энергии активации для рассматриваемой последовательности времен нагрева. Экспериментальная часть работы была выполнена на образцах из модельного сплава Al-18%Zn, которые были подвергнуты температурному воздействию в высокоскоростном дилатометре DL-1500-RH со скоростью нагрева 0,5 К/мин. Термический цикл эксперимента был трех стадийным и включал: нагрев с заданной скоростью до заданной температуры отжига, изотермическую выдержку при этой температуре, охлаждение после выключения печки. На рис.1 приведен пример термического цикла дилатометрических исследований при нагреве до Т = 373К, который был типичен при нагреве образцов до температур 473, 673 и 773К. Результаты расчетов по уравнению (3) с использованием дилатометрических

226

измерений для всех использованных температур позволили построить спектральные зависимости энергии активации для стадий нагрева и охлаждения. На стадии изотермических отжигов они совпадали со средними энергиями активации для стадии нагрева. В таблице №1 приведены результаты расчетов средних энергий активации для стадий нагрева и охлаждения исследованных образцов, а на рис.2 соответствующие температурные зависимости средних энергий активации для этих стадий. Из рисунка можно видеть общую тенденцию к росту энергий активации с температурой для обеих стадий с существенным отличиями между зависимостями в высокотемпературной области. Эти отличия, по-видимому, связаны с разным характером изменения температуры на этих стадиях (рис.1). Таблица 1 Температура эксперимента, К 373 473 673 773

Стадия нагрева U, эВ 0.095 0.32 0.79 0.68

Стадия охлаждения U, эВ 0.12 0.31 0.42 0.75

0.0012 0.001 0.0008 0.0006

def

0.0004 0.0002 0 0

-0.0002 -0.0004 -0.0006 -0.0008 t, m i n

Рис.1. Термический цикл дилатометрического эксперимента при Т=373К. 0.9 0.8 0.7

U,eV

0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 200

300

400

500

600

700

800

900

T,K

Рис.2 Температурные зависимости энергий активации на стадиях нагрева образцов (▬◊▬) и на стадии их охлаждения (--□--)

227

На рис.3 представлены спектральные распределения энергии активации при нагреве и охлаждении с Т = 673К. Анализ полученных спектральных распределений энергии активации для проведенной серии экспериментов показал, что они могут носить разный характер: монотонно убывающий или возрастающий, с одним или двумя экстремумами. Во многом вид распределения определяется выбором минимального и максимального значения в последовательности U, при расчетах по уравнению (3), но распределения с экстремумами отражают существенные структурные изменения в исследуемом материале в процессе нагрева или охлаждения. Область температур, для которой характерны эти структурные изменения, легко устанавливается по сгущению локальной плотности решений уравнения (3) в определенных температурных интервалах при проведении расчетов с экстремальным значением энергии активации. 0.3

0.25

0.2

0.15

0.1

0.05

0 0

0.5

1.5

2.5

3.5

U,eV

Рис.3 Спектральное распределение энергий активации пластической деформации при нагреве до Т=673К ( ▬◊▬) и охлаждении (--□--) Полагая, что предлагаемый метод оценки энергии активации по своей достоверности имеет преимущества по сравнению с ранее известными методами, в виду неизмеримо большего объема экспериментальных данных, используемого для их определения, нами была предпринята попытка по ним рассчитать первичную дилатометрическую кривую при нагреве до 373К. Для этого были определены временные зависимости параметров «n» и «ε о », входящие в уравнение (2). Из формулы (2) путем несложных преобразований можно получить формулу, описывающую временную зависимость параметра «n» в виде: ε  ln i +1   εi  (4) n=   Uc   1 + t i +1 ⋅ exp − kTi +1     ln   U    1 + t i ⋅ exp − c     kTi   На рис.4 показаны временные зависимости параметра «n», рассчитанные по экспериментальным данным и по результатам их аппроксимации зависимостью:

228

n = 9,324 ⋅ t 2, 641 , вычисленной по методу наименьших квадратов. Аналогично была получена и временная зависимость параметра «ε о », рассчитанная по формуле:

εо =

εi   Uc 1 + t i ⋅ exp −  kTi 

  

(5)

На рис.5 показаны расчетная и экспериментальная дилатометрические кривые для Т=373К. Из рисунка можно видеть достаточно хорошее согласие между результатами расчетов по аппроксимированным параметрам уравнения (2) и экспериментальными данными.

6 5

4 3

2 1

0 0

t,m i n

Рис.4. Зависимость n = f(t) для исследованного сплава при Т=373 К. 0.0012

0.001

def

0.0008

0.0006

0.0004

0.0002

0 0

t,m i n

Рис.5. Расчетная (▬) и экспериментальная (--◊--) дилатометрические кривые для сплава Al-15%Zn при Т=373К Таким образом, в результате проведенных исследований, удалось разработать метод расчета энергии активации ползучести по данным дилатометрических экспериментов, позволяющий адекватно их описать в аналитической форме. Список литературы: 1. Энгельке Х. Теория термически активированных процессов и их приложение к движению дислокаций в кристаллах. // Сб. статей. 229

Термически активированные процессы в кристаллах. М.:Мир. 1973. С. 148-171. 2. Ивенс А., Роулигс Р. Термически активированная деформация кристаллических материалов. Там же. С. 172-206. 3. Ярошевич В.Д. Критерии применимости формул для температурно-скоростной зависимости напряжений течения. ФММ. 1970. т. 30, №4, С. 886-889. 4. Минина Н.А., Ермишкин В.А., Лепешкин Ю.Д., Федотова Н.Л. Кинетика структурной эволюции металлов и сплавов при температурных воздействиях. Теплофизические свойства веществ и материалов. Тезисы докладов XII Российской конференции по теплофизическим свойствам веществ. 2008. Москва. Россия. С. 7-8. 5. Дорн Дж. Э. Спектр энергий активации ползучести. // Сб. Ползучесть и возврат. М.:Металлургиздат. 1961. С. 291-325. КРИОМЕХАНИЧЕСКОЕ УПРОЧНЕНИЕ ДУПЛЕКСНОЙ СТАЛИ 2205MFA Ермишкин В.А., *Мурат Д.П., **Тамайо П., Кулагин С.П., Кольцов А.Г., Томенко А.К. (ИМЕТ РАН,*МИЭМ, Москва, Россия; **ИПН Мехико, Мексика) The results of cryo mechanical treatment of duplex steel of 2205MFA are presented. The interrelation of the mechanical characteristics of steel with the generalized structural parameter, determined according to the data of the photometric analysis of the samples reflecting surface, which was possible to express in the analytical form is discussed in the work. За последние годы развитие наноструктурных технологий в материаловедении стало рассматриваться как универсальное средство для создания новых конструкционных материалов, способных удовлетворить запросам новой техники. Для развития этого направления создаются национальные программы, выполняются множество проектов и печатается бесчисленное количество публикаций. Между тем, события недавнего прошлого показывают, что даже самые оптимистические прогнозы не всегда оправдываются. Так, в монографии [1] в 1975г. был опубликован прогноз на внедрение в технику композиционных материалов к 2000г., который оказался несостоятельным в отношении объема их применения. Для того, чтобы извлечь уроки из подобных событий, нужно выяснить их причины. По нашему мнению они кроются в недостаточном понимании того, что 1) развитие материаловедения происходит по запросам новой техники и решение проблемы создания новых материалов не может быть по этой причине универсальным и вне временных рамок; 2) производство новых материалов лимитируется не физическими возможностями их реализации, а экономической целесообразностью их применения в конкретных условиях; 3) по объемам производства материалы, выпускаемые по новым технологиям, многократно уступают материалам, изготавливаемым по традиционным технологиям и в силу этой причины не могут заменить их в обозримые сроки; 4) новые материалы в состоянии удовлетворить потребностям только не материалоемких производств таких, как приборостроение и электроника; 5) прогнозирование за пределами метода экстраполяции тенденций становится слишком зависимым от субъективных оценок экспертов. По этим причинам целесообразно искать решение проблем материаловедения на путях радикального повышения физико-механических свойств конструкционных материалов в рамках традиционных металлургических технологий. Развитие в этом направлении не исчерпало своих потенциальных возможностей. Основания для такой уверенности дают следующие факты: 1) прочность современных металлов и сплавов еще очень далека от оценок их теоретической прочности [2]; 2)

230

интенсификация существующих технологических процессов позволяет довести фрагментацию структуры материалов до наноразмерного уровня, соответственно повышая их свойства. Исследования, проведенные нами по разработке технологии криомеханического упрочнения, дают некоторые основания для оптимизма в этом отношении. Первоосновой для развития этой технологии послужили результаты электронно-микроскопических исследований in situ в колонне высоковольтного электронного микроскопа [3], которые позволили количественно оценить сравнительную эффективность различных элементов структуры материалов в качестве стопоров для подвижных дислокаций. На этой основе возникла идея криомеханического упрочнения кристаллических многофазных материалов, которая уже на первом этапе своего воплощения обеспечила повышение прочностных характеристик ряда исследованных материалов на 30-35% [4]. Выбор оптимальных режимов криомеханического упрочнения этих материалов на основе анализа данных дилатометрических и фотометрических исследований позволил в настоящее время увеличить их в 3-3,5 раза по сравнению с их нормализованным состоянием [5]. В частности, предел прочности стали 08КП удалось повысить с 420МПа до 1362 МПа. В качестве материала для исследования в настоящей работе послужила дуплексная сталь 2205MFA производства США. Сталь в исходном отожженном состоянии имеет мартенситно-аустенитный фазовый состав, соотношение, между фазами которого сильно зависит от режима термообработки. В качестве аустенизатора в сталь введен азот, который по своей способности придать устойчивость аустениту в 25 раз превосходит никель. В таблице №1 приведен химический состав исследуемой стали Таблица 1. Химический состав стали 2205MFA Хим.эл Fe C Mn Si Cr Ni Mo %вес Осн. 0,030 2,00 1,00 21-23 4,5-6,5 2,5-3,5 S

N 0,080,20

P 0,030

0,020

Согласно справочным данным в отожженном состоянии при комнатной температуре сталь имеет механические характеристики, которые показаны в таблице №2. Здесь же для сравнения приведены свойства нержавеющей стали типа 18-8. Таблица 2. Механические свойства стали Свойства Сталь 304 Сталь 2205MFA Состояние (А)-отожженое (А)-отожженое Лист(A) σ b , MPa 515 620 620 σ 0,2 ,MPa 205 450 450 δ,% 40 25 25 φ,% 45Твердость HRB- 92 HRC-32 Из таблицы видно, что дуплексная сталь по механическим характеристикам значительно превосходит хорошо известную сталь типа 18-8, однако, располагая значительным запасом пластичности все же уступает последней поэтому показателю. Из листовой стали толщиной 6 мм. были подготовлены плоские образцы, один из которых продеформирован при комнатной температуре, а другой при температуре жидкого азота. Испытания проводились на машине типа У10-10 при скорости

231

перемещения траверсы равной 2 мм/мин. На рис.1 приведена диаграмма растяжения образца исследуемой стали в исходном (прокатанном) состоянии. 1200

stres, MPa

1000 800 600 400 200 0 0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

def

Рис. 1. Диаграмма растяжения стали 2205MFA при температуре 293К Из рис.1 видно, что исследуемая сталь обладает достаточно высокими прочностными и пластическими свойствами. Кривая деформирования стали в координатах «σ i –ε ip 1/2», где индекс i- обозначает – истинные, а индекс p- пластическая, хорошо аппроксимируется линейной зависимостью вида [6]:

σ i = σ o + Kε i

1/ 2

(1)

В этом можно убедиться, взглянув на рис.2, на котором в аппроксимированном виде представлена диаграмма, показанная выше на рис.1.

Stress, MPa

1800 1600 1400 1200 1000 800 600 400 200 0 0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

def^ 0,5

Рис.2. Диаграмма растяжения стали 2205MFA в аппроксимированном виде Общая схема упрочнения соответствовала [4] и включала 3 стадии. На первой стадии образцы подвергались закалке после получасовой выдержки при температуре 1203К, за которой следовала низкотемпературная деформация при температуре жидкого азота. Величина пластических деформаций на этой стадии не превышала 3%. Цикл упрочнения заканчивался старением, режим которого выбирается по данным дилатометрических [5] и фотометрических исследований [7,8]. Общая сводка результатов механических испытаний и деформирования при температуре жидкого азота содержится в таблице №3

232

Таблица 3. Результаты механических испытаний и низкотемпературного упрочнения стали 2205MFA № Размеры сечения L, мм Мех. Свойства 2 B, мм H, мм F, мм σ e , MPa σ 0,2 ,MPa σ b , MPa δ, % 1 2,84 6,21 17.6364 40 561 641 936 18,58 2 3,03 6,10 18.483 40 1369 1369 1438 0,9 3 2,79 6,01 16.7679 40 1307 1375 1453 1,625 4 2,84 6,14 17.4376 40 1326 1340 1460 2,875 5 3,06 6,12 40 1146 1150 1274 0,9524 18.7272 6 2,98 6,01 17.9098 40 1107 1161 1207 1,125 7 2,97 6,22 18.4734 40 1092 1124 1214 2,75 8( 3,03 6,01 40 802 804 996 17,86 2) 18.2103 0 2,05 6,15 12.6075 40 837 918 983 7,92 B 3,15 6,08 40 1078 1193 1558 37,18 O 18.2103 Для образцов, подвергнутых деформации с целью упрочнения в графе для σ b , приведены значения максимальных напряжений растяжения. Для всех образцов вычислялись параметры аппроксимации кривых растяжения, однако для образцов, деформированных с целью упрочнения, точность их вычисления была ниже из-за существенно меньших пластических деформаций. Сводка этих результатов приведена в таблице №3 Таблица 4. Параметры аппроксимации кривых растяжения стали 2205MFA № T,K σ o, MPa K, MPa 0< ε r < ε Состояние 1 293 686,93 1046,74 0< ε r < 0,1858 Разрушенное 2 77 1368,98 727,32 0< ε r < 0,009 Упрочненное 3 77 1317,85 942,55 0< ε r < 0,01625 Упрочненное 4 77 1340,00 961,25 0< ε r < 0,0288 Упрочненное 5 77 1045,09 2345,4 0< ε r < 0,00952 Упрочненное 6 77 1194,45 749,86 0< ε r < 0,01125 Упрочненное 7 77 1090,77 743,13 0< ε r < 0,0275 Упрочненное 8(2) 293 1141,60 1187,04 0< ε r < 0,1786 Деформирован 0 293 930,50 434,77 0< ε r < 0,0792 Разрушенное B0 77 1232,28 1392,43 0< ε r <0, 32 Разрушенное Для интегральной оценки изменения структурного состояния образцов в результате деформирования их поверхность исследовалась методом фотометрического анализа структурных изображений (ФАСИ) [7,8]. С этой целью одни и те же участки поверхности рабочей части образцов до и после деформации фотографировалась цифровой фотокамерой. После введения в компьютер кодированного цифрового изображения, оно подвергалось обработке по специальной программе, которая воспроизводила спектр яркости отражения от исследуемой поверхности, строила разностные спектры яркости, показывающие изменения отражающей способности исследуемой поверхности образца в результате пластической деформации. Как показали проведенные исследования эти изменения сводятся: 1) к существенному по

233

сравнению с исходными значениями спектральной плотности яркости отражения в зонах спектра, где имеет место повышенное поглощение видимого света ; 2) существенному снижения спектральной плотности яркости отражения в зонах спектра с повышенной отражающей способностью видимого света ; 3) максимумы спектров отражения после деформации смещаются в сторону зоны с повышенным поглощением. На рис.3 показаны изображение участка поверхности образца, испытанного при Т=77К до и после испытания вместе со спектрами яркости отражения, отснятыми с этого участка.

Рис.3 Фрагменты поверхности образца и спектры яркости отражения с них до и после испытания при Т=77К Нетрудно заметить характерные тенденции изменения спектра яркости отражения в результате деформирования образца, отмеченные выше. В программе предусмотрен регулируемый режим выделения характерных участков спектров яркости, их контрастного цветового окрашивания, построение распределений выделенных участков по размерам с определением площадей, которые они занимают в спектральном распределении яркости отражения. Для количественной оценки изменений структуры отражающей поверхности образцов нами был введен параметр D s , который дает обобщенную оценку этих изменений в виде соотношения:

Ds =

p i ( ε ) − p i ( 0) p i ( 0)

(2)

где:p i (ε)- спектральная плотность отражения видимого света в зоне спектра яркости с повышенным поглощением на i-том участке поверхности после деформации образца «ε»; p i (0)-тоже до начала деформирования образца. Введение количественной меры для оценки структурных изменений на поверхности деформированных образцов позволило определить значения коэффициентов корреляции (С σD ) между массивами данных о величине локальных напряжений и соответствующих им значениям структурного параметра, оцениваемого по данным фотометрических измерений. Оказалось, что коэффициент корреляции между пределом упругости (σ e ) и D s для проведенной серии экспериментов равен 0,986 , С σD для предела текучести и D s равен 0,987, а С σD для максимального напряжения деформирования и D s равен ≈ 1. Высокие значения коэффициентов корреляции явно указывало на возможность аналитического описания взаимосвязи действующих напряжений с обобщенным структурным показателем D s . В результате проведенных исследований было найдено графическое представление этой взаимосвязи в виде линейной зависимости в координатах «D s ·lnσ- D s ». Ее пример для 234

случая максимальных напряжений показан на рис.4. Аналитически, полученную графическую зависимость, можно выразить формулой:

B σ = A ⋅ exp   D

(3)

где: А и В- константы материала, определяемые из экспериментов. 3

D*Ln(Stress)

2,5 2 1,5 1 0,5 0 0,2

0,25

0,3

0,35

0,4

0,45

Рис.4.Зависимость D s ·lnσ b = f(D s ) Аналогичные графики были построены для пределов упругости и пределов текучести. Параметры этих линейных зависимостей были найдены по методу наименьших квадратов, их значения приведены в таблице №4. Рис.4.Зависимость D s ·lnσ b = f(D s ) Таблица 5. Параметры формулы (3), связывающей механические характеристики стали со структурными Напряжения lnA,MPa B, MPa A,MPa σ, MPa 6,931905 0.085064 1045,097 σ e , MPa 6,931905 0,068433 1024,444 σ o,2 , MPa 6.927402 0,06179 1019,841 Экспериментальная проверка формулы (3) показала, что ее предсказания находятся в хорошем согласии с результатами эксперимента ( по формуле σ b =1538,43МПа, из эксперимента σ b =1557,72 МПа). Таким образом, в результате проведенных исследований удалось установить взаимнооднозначное соответствие механических и структурных параметров стали 2205MFA. Список литературы: 1.Байнхауэр Х., Шмакке Э. Мир в 2000г.М.:Прогресс.1975.239 с. 2.Макмиллан Н. Идеальная прочность твердых тел.// Сб. стат.Атомистика разрушения .М.:Мир. 1987.С.35-103.3.Новиков И.И.,Ермишкин В.А.Физическая механика реальных материалов.М.:Наука.2004.323 с.4. Новиков И.И.,Ермишкин В.А.,Кулагин С.П. и др.Авторское свидетельство №1796132 «Способ механико-термической обработки конструкционных сплавов» 1993. Бюл.1.5. Ермишкин В.А., Минина Н.А., Федотова Н.Л. Патент на изобретение №23007582007 «Способ дифференциального дилатометрического анализа образцов исследуемых материалов в контрастных структурных состояниях» 2007. Бюл. № 16.6. Иванова В.С., Ермишкин В.А. Прочность и пластичность тугоплавких металлов и монокристаллов.М:. Металлургия. 1976. 81с.7. Ермишкин В.А., Мурат Д.П., Подбельский В.В. Применение фотометрического анализа структурных изображений для оценки сопротивления

235

усталостному разрушению. Автоматизация и современные технологии. 2008. №2 С.1121.8..Ермишкин В.А., Мурат Д.П., Подбельский В.В. Система фотометрического анализа структурных изображений и ее применение для исследования материалов в условиях усталости. Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. 2008. №10. С.38-44. К ВОПРОСУ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ САМОХОДНЫХ ГОРНЫХ МАШИН КАК ОБЪЕКТОВ ДИАГНОСТИРОВАНИЯ НА ГРУППЫ Жалгасбеков А.З., Данияров Н.А., Балгабеков Т.К., Тогизбаева Б.Б., Мамаева Т.Б., Карсакова А.Ж., Гриб И.Ю. (ЖезУ им. О.А. Байконурова, КарГТУ, г. Жезказган, г. Караганда, Казахстан) It is оffered selfpropelled mountain machines, the broad using in mining-ore of industry, as objects diagnose, split into four groups on cognate structured, functional and diagnostic parameters that allows to choose the most acceptable methods and types diagnose for concrete types of the machines (the regulations or resources) and be defined with necessary facility of the diagnostics (built-in in object diagnose or stationary). На современных подземных рудниках эксплуатируется разнообразное и сложное самоходное подземное оборудование. Из-за тяжелых горнотехнических условий работы наблюдаются частые простои машин вследствие поломок. В этих условиях особую актуальность приобретают вопросы разработки научно-обоснованной системы планово-предупредительного ремонта самоходного горного оборудования (СГО). Как показали исследования, одной из современных и передовых систем ремонта СГО является, так называемая, адаптивная система ремонта (АСР), которая обеспечивает оперативное планирование, организацию, управление и технологию ремонта самоходных машин по их техническому состоянию. Основные составные элементы АСР: агрегатно-узловой метод ремонта, диагностирование, научнообоснованные ремонтные нормативы, составленные с учетом старения машин и т.п. [1]. Неотъемлемой частью АСР является техническая диагностика, с помощью методов и средств которой устанавливается фактическое состояние сборочных единиц, агрегатов и механизмов машины. Совокупность средств и объектов диагностирования, а также исполнителей, осуществляющих диагностирование по правилам, установленным соответствующей документацией, составляет систему технического диагностирования. К основным факторам, которые влияют на эффективность системы диагностирования, как известно, относятся следующие: - машины должны иметь высокую эксплуатационную технологичность (ремонтопригодность и контролепригодность); - большинство используемых средств диагностирования должны быть типовыми и универсальными [2]. Самоходные машины горнодобывающих предприятий отличаются своей разнотипностью. В настоящее время на крупных рудниках на очистных и проходческих работах эксплуатируется большое количество моделей буровых кареток, буровых станков, автосамосвалов, погрузочных и погрузочно-доставочных машин, а также большое разнообразие вспомогательной техники. Машины даже одного типа отличаются друг от друга конструкцией и компоновочными схемами шасси (автомобильное, с шарнирно-сочлененной рамой, упрощенное; на пневмоколесном и

236

гусеничном ходу), оснащаются дизельным, электрическим, гидравлическим или пневматическим приводами; рабочее оборудование СГО (перфораторы, автоподатчики, погрузочные механизмы и т.п.) также отличается своими конструктивными, функциональными и диагностическими параметрами. Все вышеперечисленное свидетельствует об актуальности разделения самоходных машин как объекта диагностирования на унифицированные группы. Машины одной группы должны иметь сходную конструкцию и компоновочную схему, в большинстве своем иметь одни и те же диагностические параметры; обладать высоким уровнем контролепригодности и ремонтопригодности; проходить диагностирование, техобслуживание и ремонт в одной мастерской или ремонтном пункте; иметь унифицированную документацию по технологии диагностирования. Самоходные машины крупных подземных рудников по названным признакам можно классифицировать по следующим конструктивным признакам: - на пневматическом колесном ходу, с дизельным приводом и шарнирно-сочлененной рамой; - с дизельным приводом и автомобильной схемой шасси; - на гусеничном ходу с электроприводом; - на гусеничном ходу с дизельным приводом. С учетом этого, целесообразно самоходное горное оборудование как объекты диагностирования делить на следующие четыре группы. К первой группе можно отнести: парк подземных автосамосвалов типа «Toro 40D», «Toro 50+», МоАЗ-7501; погрузочно-доставочные машины: «Toro 501DL», ПД8А, ПД-2М и др. Структурно-функциональная схема машин первой группы показана на рисунке 1.

Рис. 1. Конструктивно-компоновочная схема машин 1-й группы 1 - дизельный двигатель; 2 - раздаточный редуктор; 3, 6 и 7 - карданные передачи; 4 гидротрансформатор; 5 - коробка передач; 8, 9 - главные редукторы; 10, 11, 12, 13 бортовые редукторы; 14, 15 - передние колеса; 16, 17 - задние колеса.

237

Шасси машин этой группы имеют высокую контролепригодность, в связи с чем они получили наибольшее распространение на подземных предприятиях по разработке рудных месторождений (до 70 %) и соответственно, в первую очередь должны быть охвачены системой диагностирования. Компоновочные схемы машин этой группы имеют одинаковое построение привода, трансмиссии и ходовой части, различие только в рабочем оборудовании. Следует отметить, что на подземных рудниках Казахстана с такой структурной схемой шасси применяются шасси автосамосвала МАЗ-505. Эти шасси используются при изготовлении машин для вспомогательных работ: ремонтные летучки, СП-8, ПМЗШ-2, заправочные агрегаты, транспортные машины для перевозки людей, запчастей, материалов, инструмента, оснастки и т.п. Шасси машин второй группы скомпоновано в основном из быстросъемных агрегатов, имеющих отработанную конструкцию, элементы которых работают в масляных ваннах, подвергаются действию тех же усилий, что и элементы агрегатов шасси машин первой группы. Двигатели и шасси этой группы машин заимствованы у автомобилей и также имеют высокую контролепригодность [3]. Для диагностирования их элементов разработаны современные методы и типовая диагностическая аппаратура, которая применяется на автомобильном транспорте. Вопрос включения этой группы машин (рис.2) в систему диагностирования должен решаться с учетом количества машин этой группы на руднике, а также возможности использования диагностической аппаратуры для обеих (первой и второй) групп машин.

Рис. 2. Компоновочная схема шасси машин 2-ой группы 1 - дизельный двигатель; 2 - редуктор отбора мощности; 3 - муфта включения; 4 коробка переключения передач; 5 - карданная передача; 6 - главный редуктор; 7, 8 задние колеса; 9, 10 - передние колеса; 11 - полуоси; 12 - механизм управления передними колесами. В третью группу (рис.3) включены самоходные машины с электрическим приводом: погрузочные машины с нагребающими лапами типа ПНБ, самоходные вагоны и подземные экскаваторы. Машины этой группы, как правило, грузят крупнокусковую крепкую руду, элементы их конструкций (нагребающие лапы, элементы скребковой цепи, ходовая часть привода) подвергаются действию резко динамических нагрузок, происходят частые стопорения лап, цепи, гусеничного хода и остановка их приводов. От частых перегрузок и действия на элементы приводов и рабочих органов циклических нагрузок происходят поломки валов, зубьев зубчатых пар, подшипников редукторов. Для машин 238

такого типа преобладающими являются абразивный износ деталей и усталостные разрушения деталей механизмов. К машинам 4-ой группы относятся дорожно-строительные машины (бульдозеры, катки, грейдеры и т.п.). Количество работающих машин данного типа - небольшое, кроме того, они имеют малую контролепригодность. Поэтому установка в подземных мастерских стационарных диагностических средств для техники 4-й группы не целесообразна, на наш взгляд, для диагностирования данных машин достаточно использование спектрального анализатора масла и виброакустического метода с помощью переносных вибродатчиков.

Рис. 3. Структурно-функциональная схема машины типа ПНБ 1, 2 – диски; 3, 4 – промежуточные редукторы; 5, 6 – редукторы; 7, 8 – электродвигатели приводов нагребающих лап; 9, 10 – правая и левая гусеницы; 11, 12 – редукторы привода нагребающих лап; 13, 14 – электродвигатели нагребающих лап; 15, 16 – электродвигатели привода скребковой цепи; 17. 118 – промежуточные редукторы привода скребкового конвейера; 19, 20 – карданные передачи привода скребкового конвейера; 21, 22 – редукторы приводной головки скребкового конвейера; 23 – звездочка приводной головки конвейера; 24 – звездочка цепи конвейера; 25 – универсальная скребковая цепь. Проведенное подобным образом разделение объектов диагностирования на группы по сходным структурным, функциональным и диагностическим параметрам позволяет выбрать наиболее приемлемые методы и виды диагностирования для конкретных типов машин (регламентные или ресурсные) и определиться с необходимыми средствами диагностики (встроенными в объект диагностирования или стационарными). Список литературы: 1. Филимонов А.Т., Данияров Н.А., Жалгасбеков А.З. Анализ технических средств диагностики самоходного горного оборудования. – Караганда: Труды КарГТУ, 2002. - №3. - С. 59-60. 2. Абдрахимов У.Т., Кузьмин С.Л., Данияров Н.А., Жалгасбеков А.З. Особенности разработки системы диагностирования при эксплуатации самоходного горного оборудования. – Жезказган: Сб. материалов VIII Междунар. Байконуровских чтений. ЖезУ, 2008. – Книга первая. С. 69-74. 3. Филимонов А.Т., Ким В.П., Данияров Н.А., Жалгасбеков А.З. Оценка контролепригодности самоходного горного оборудования. - Жезказган: Вестник ЖезУ, 2001. - №2. - С. 18-21.

239

ВЛИЯНИЕ НАНОРАЗМЕРНЫХ АЛМАЗОСОДЕРЖАЩИХ ДОБАВОК В ПЛАСТИЧНЫЕ СМАЗКИ НА ТРИБОТЕХНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИТОВ Жорник В.И. (ОИМ НАН Беларуси, г.Минск, Беларусь) The application of grease with nanosized diamond containing additives decreases the intensity of wear of metal-polymer composites in 1,4-2,4 times and polymer composites in 1,21,5 times, which is due to higher load carrying capacity of lubricating modified layer, as well as the hardening effect of metal components in the metal-polymer composites. Модифицирование материалов наноразмерными компонентами позволяет существенно повысить их свойства [1]. В технологиях получения наноструктурных материалов все более заметную роль играют кластеры углерода, в частности, ультрадисперсные алмазы детонационного синтеза (УДА) или ультрадисперсная алмазосодержащая шихта (УДАГ). Одним из наиболее эффективных направлений использования УДАГ являются антифрикционные и противоизносные смазочные композиции [2]. Антифрикционные полимерные композиты представляют собой обширную группу современных материалов, находящих все более широкое применение в различных отраслях машиностроения. Способность ряда полимерных матриц к самосмазыванию, а главное, хорошие антифрикционные свойства многих армирующих наполнителей в дополнении с твердыми смазками позволили разработать полимерные композиты антифрикционного назначения, успешно сочетающие высокие прочностные свойства и триботехнические характеристики, что обеспечило их работоспособность при повышенных (30-40 МПа) удельных нагрузках [3-5]. Оценка триботехнических характеристик полимерных материалов с целью поиска оптимального варианта для использования в высоконагруженных узлах трения в среде смазок различного состава, в том числе модифицированных наноразмерными алмазосодержащими компонентами, является задачей данной работы. Для испытаний были выбраны два варианта трехслойного металлопластмассового композита (МПК): типа DX1 и FR.EX (производство фирмы Clacier Garlock Bearings, Словакия) и три варианта полимерного композита (ПК): композит «Оксафен» (производство ООО «НИЦ «Вискоза», Россия), композит на основе фенольной смолы с добавками синтетических волокон и графита типа ИММС-А (разработка Института механики металлополимерных систем НАН Беларуси) и композит на основе эпоксидной смолы с добавками синтетических волокон и наноразмерных частиц типа ИОНХ-1 (разработка Института общей и неорганической химии НАН Беларуси). Испытания проводились на машине трения МТВП по схеме возвратно-поступательного перемещения образца относительно контртела при значениях номинальной удельной нагрузки 25, 50 и 75 МПа. Максимальная скорость возвратно-поступательного перемещения составляла ≅0,2 м/с. В качестве контртела использовались пластины из термообработанной стали 40ХН (52-54 HRC). Шероховатость поверхности Ra 0,32. В качестве смазочных материалов использовались литиевая смазка Литол-24 стандартного состава и комплексная литиевая смазка ИТМОЛ-150Н с пакетом наноразмерных добавок, включая УДАГ. Результаты проведенных исследований показывают, что коэффициент трения на стадии приработки металлопластмассовых композитов DX1 и FR.EX составляет f=0,08…0,09, на стадии установившегося изнашивания коэффициент трения уменьшается до уровня f=0,06…0,07. По мере уменьшение толщины полимерного слоя

240

(путь трения 1000…5000 м) на поверхности трения выступают частицы бронзы. После пути трения ≈5000 метров для МПК DX1 и ≈6000 метров для МПК FR.EX на поверхность трения выходит бронзовая подложка, в которой присутствуют вкрапления полимера. Коэффициент трения при этом сохраняется на уровне f=0,07. Микротвердость бронзовой подложки на поверхности трения МПК DX1 составляет H 0,98 =2200 МПа, а на поверхности трения МПК FR.EX – H 0,98 =2150 МПа. Коэффициент трения полимерных композитов Оксафен, ИММС-А и ИОНХ-1 находится примерно на одном уровне и составляет f=0,07…0,08. Твердость по Виккерсу для композита Оксафен равна HV 10 = 260МПа, для композита ИММС-А – HV 10 = 290МПа, а для композита ИОНХ-1 – HV 10 = 480МПа. На рисунке 1 представлены данные по линейному износу образцов металлопластмассовых композитов DX1 и FR.EX, а также полимерных композитов Оксафен, ИММС-А и ИОНХ-1 при испытаниях со смазками Литол-24 и ИТМОЛ150Н+УДАГ при удельных нагрузках 25, 50 и 75 МПа. Наиболее ярко эффект от замены смазочного материала проявился для образцов МПК FR.EX, для которых при использовании стандартной смазки Литол-24 зафиксировано сравнительно быстрое разрушение полимерного слоя, особенно при удельной нагрузке 50 МПа и 75 МПа. Применение смазки ИТМОЛ-150Н+УДАГ позволило существенно замедлить этот процесс (в 1,45-2,42 раза). Аналогичный эффект снижения интенсивности изнашивания наблюдается и при испытаниях в среде ИТМОЛ-150Н образца МПК DX1, хотя и в несколько меньшей степени (в 1,41-2,03 раза) (рис. 1). Последнее можно объяснить, по-видимому, тем, что металлопластмассовый композит DX1 обладает изначально более высокой твердостью и износостойкостью по сравнению с композитом типа FR.EX, отчего влияние перечисленных выше факторов несколько меньше. Наиболее высокие характеристики износостойкости при испытаниях с удельной нагрузкой 50 МПа показали образцы полимерных композитов «Оксафен», ИММС-А и ИОНХ-1. Стадия приработки этих материалов сравнительно невелика, и процесс фрикционного взаимодействия вступает в линейную стадию установившегося трения уже после пути l≈500-1000 м. Величина интенсивности изнашивания на этой стадии трения составляет I h = (0,9…1,1)⋅10-8, что несколько превышает соответствующие значения интенсивности изнашивания для металлопластмассовых композитов. Однако процесс трения трибопар «ПК Оксафен – сталь 40Х», «ПК ИММС-А – сталь 40Х» «ПК ИОНХ-1 – сталь 40Х» не вступает в стадию адгезионного взаимодействия вследствие отсутствия контактирующих металлических поверхностей и замедленной деградации смазочного материала. В связи с этим ресурс работоспособности полимерных композитов «Оксафен», ИММС-А и ИОНХ-1 существенно превышает ресурс металлопластмассовых лент FR.EX и DX1. Из приведенных данных (рис. 1) можно видеть, что наиболее низкие значения накопленного весового износа регистрируются для полимерных композитов «Оксафен», ИОНХ–1 и ИММС-А. Например, при удельной нагрузке 50 МПа в смазке Литол-24 средняя интенсивность изнашивания для материалов «Оксафен», ИОНХ–1 и ИММС-А составляет соответственно I h =1,42⋅10-8; I h =1,36⋅10-8 и I h =1,60⋅10-8. Приведенные данные по величине износа поверхности металлопластмассовых композитов показывают, что использование смазочного материала, модифицированного ультрадисперсными твердыми частицами различной природы в диапазоне нагрузок 25-50 МПа снижает интенсивность изнашивания испытываемого материала, причем эффективность действия этих добавок увеличивается по мере повышения удельной нагрузки в зоне трибоконтакта. При нагрузке 75 МПа

241

положительный эффект от применения модифицированной смазки проявляется даже в случае использования ее только на начальной стадии испытаний, по сути, на стадии приработки. Задир

0,6

50 МПа, Литол24

ИТМОЛ-150Н+УДАГ

0,3

25 МПа, Литол24

0,2

50 МПа, Литол24 50 МПа, ИТМОЛ-150Н+УДАГ

0,7 0,6 0,5

25 МПа, Литол24

0,4 0,3 0,2

0,1

0,1 0,0

0,0 0

0,8

10000

20000

30000

40000

Путь трения l, м

50000

60000

70000

Оксафен

0,7 0,6

50 МПа, ИТМОЛ-150Н+УДАГ

0,5

50 МПа, Литол24

0,4

10000

0,30

Линейный износ h, мм

FR.EX

Задир

0,8

DX1

0,5 0,4

75 МПа, Литол24

0,9

Задир

75 МПа, Литол24

Линейный износ h, мм

0,7

25 МПа, Литол24

0,3

20000

30000

40000

50000

Путь трения l, м

ИММС-А

0,25

60000

70000

50 МПа, Литол24

0,20 0,15

50 МПа, ИТМОЛ-150Н+УДАГ

0,10

0,2 0,05

0,1

0,00

0,0 0

10000

20000

30000

Путь трения l, м

40000

5000

10000

Путь трения l, м

15000

20000

ИОНХ-1

0,4

Линейный износ h, мм

50000

50 МПа, Литол24 0,3

50 МПа, ИТМОЛ-150Н+УДАГ

0,2

0,1

0,0 0

5000

10000

15000

20000

Путь трения l, м

25000

30000

Рис 1. Зависимость величины линейного износа образцов полимерных композитов от пути трения при различных нагрузках в присутствии смазок Литол-24 и ИТМОЛ150Н+УДАГ Повышение износостойкости металлопластмассовых композитов при использовании смазочного материала с ультрадисперсными твердыми добавками можно объяснить совместным действием ряда факторов, способствующих повышению трибологических свойств самого смазочного материала и изменяющих структуру поверхности трения за счет эффектов дисперсного упрочнения и трибомеханического модифицирования. Включенные в состав дисперсной фазы смазочного материала наноразмерные частицы повышают коллоидную стабильность смазочного материала,

242

увеличивают маслоудерживающую способность структурного каркаса смазки, придают смазочному материалу противозадирные свойства, что, в совокупности, приводит к повышению стабильности и несущей способности смазочного слоя. Обеспечение регулярного смазочного режима в зоне трибоконтакта способствует снижению термической нагруженности металлополимерного композита в зоне трения и повышению его структурной устойчивости. Имеющиеся в составе смазочного материала твердые наноразмерные частицы формируют в металлической поверхности износостойкую ячеистую структуру за счет процессов интенсивного пластического деформирования и обеспечивают дисперсное упрочнение контактирующих поверхностей за счет их шаржирования в процессе трения [2]. Снижение интенсивности изнашивания полимерных композитов ИММС-А и ИОНХ-1 может объясняться фактором повышения несущей способности смазки с наноразмерными компонентами. В случае перехода от смазки Литол-24 к модифицированной смазке ИТМОЛ-150Н+УДАГ для ПК «Оксафен» отмечено снижение износостойкости, что, вероятно, обусловлено особенностями структуры его связующего и требует более детального изучения. Прогнозная оценка ресурса пар трения с различным сочетанием материалов применительно к вкладышу шаровой опоры цилиндра подвески карьерного самосвала БелАЗ была проведена в сравнении с базовым вариантом пары трения по значениям средней интенсивности изнашивания в процессе испытаний. В качестве базового варианта взята пара трения «МПК DX1 – сталь 40ХН», для сравнения выбраны результаты триботехнических испытаний при удельных нагрузках 25 и 50 МПа. Анализ полученных данных показывает, что три варианта состава полимерных композитов имеют примерно одинаковые характеристики по интенсивности изнашивания и прогнозному ресурсу узла трения. В частности, при трении с удельной нагрузкой 50 МПа в среде смазки Литол-24 средняя интенсивность изнашивания для материалов «Оксафен», ИОНХ–1 и ИММС-А составляет соответственно I h =1,42⋅10-8, I h =1,36⋅10-8 и I h =1,60⋅10-8, что обеспечивает прогнозный ресурс трибосопряжения для ПК «Оксафен», равный 70,4 км пути трения, для композита ИОНХ-1 – 73,5 км и для композита ИММС-А – 62,5 км при полученном показателе ресурса для металлопластмассовой ленты DX-1, равном 15,3 км. При этом использование смазки с наноразмерными алмазосодержащими добавками обеспечивает снижение интенсивности изнашивания металлопластмассовых лент в 1,4-2,4 раза, а полимерных композитов ИММС-А и ИОНХ-1 в 1,2-1,5 раза, что обусловлено повышением несущей способности смазочного слоя модифицированной смазки, а также эффектом упрочнения металлической компоненты в металлопластмассовых композитах. С учетом увеличения величины допустимого линейного износа с 0,4 мм до 1,0 мм при переходе от трехслойных металлопластмассовых композитов к полимерным композитам, а также благодаря более низкой интенсивности изнашивания последних прогнозный ресурс вкладыша шаровой опоры цилиндра подвески карьерного самосвала БелАЗ при использовании исследованных полимерных композитов может быть увеличен в 5,9-6,2 раза. Список литературы: 1. Витязь П.А. Наноструктурные материалы и перспективы их применения // Наноструктурные материалы – 2004: Беларусь – Россия: Мат. III Междунар. семинара. Минск 12-14 октября 2004г. Минск: ИТМО, 2004. – С.710. 2. Витязь П.А., Жорник В.И., Кукареко В.А., Калиниченко А.С. Применение наноразмерных алмазографитовых присадок для повышения триботехнических свойств

243

элементов пар трения // Тяжелое машиностроение – 2005, №10. – С.19 – 22. 3. Триботехнические свойства антифрикционных самосмазывающихся пластмасс. Под ред. Сагалаева Г.В., Шембель Н.Л. - М.: Изд. Стандартов, 1982. – 64 с. 4. Гинзбург Б.М., Точильников Д.Г., Бахарева В.Е., Анисимов А.В., Кириенко Л.Ф. Полимерные материалы для подшипников скольжения, смазываемых водой (обзор). - ЖПХ, 2006. Т. 79, №5. - С. 705-716. 5. Цеев Н.А.,. Козелкин В.В., Гуров А.А. Материалы для узлов сухого трения, работающих в вакууме. Справочник. – М.: Машиностроение, 1991. – 192 с. ВОЗМОЖНОСТИ СОЗДАНИЯ НАСТРОЕЧНЫХ БАЗ ПУТЕМ ПОДРЕЗАНИЯ КОНЕЧНОГО ТОРЦА СТУПЕНЧТЫХ ВАЛОВ Замфиров Ив. (Русенский университет им. Ан.Кынчева, г.Русе, Болгария) We have analyzed the dimension conditions of designing and using tooling technological bases by cutting the end butts of stepped shafts when machining them on planes with CNC. Dependences defining the boundary valid approximation of the knife to the centre surface have been deduced. We have checked the results at practically posible values of the discussed technological factors. Технологическое определение размеров при механической обработке деталей непосредственно связано с выбранными базами. В [1] обоснована и доказана целесообразность использования настроечных технологических баз. Токарные станки с ЧПУ позволяют расширить использование настроечных баз и для размеров ступенчатых валов, заданных их конечными торцами. Это осуществляется подрезанием конечного торца, расположенного при заднем центре. Таким образом достигается совмещение технологической с конструкторской базы, которое имеет важное значение при точных линейных размерах указанного типа.

Рис.1. Констуктивное и технологическое определение размеров ступенчатого вала

244

При заданном, согласно рис.1,а, конструктивном определении размеров вала, таким является размер 19 -0,3 mm. Если конечный торец подрезать на той же операции (рис.1,в), этот размер задается созданной настроечной базой, имеющей такой же допуск. В этом случае нет затруднений и для получения общей длины детали. Останальные размеры получаются на следующей операции (рис.1,г), причем для точных размеров 178+0,2 mm и 46 -0,5 mm базы совмещаются, а технологическая размерная цепь решается только для свободного размера 67 mm. Если не подрезать конечный торец (рис.1,в), точность размера 19 -0,3 mm доститается с помощю технологической размерной цепи Б Σ . Как видно из схемы, приходится уменьшать допуски размеров Б 1 и Б 2 до значений, которые могут быть обеспечены очень трудно. Этим осложняется и удорожается технологический процесс. Возможность полного подрезания конечного торца всех заготовок партии без того, чтобы вершина резца достигла поверхности центра, обусловливается несколькими технологическими факторами. Очевидно, что полное подрезание конечного торца вала невозможно при центровых отверстиях типа А (без предохранительного конуса, согласно [2]. Для этой цели подходящей может оказаться форма центровых отверстий типа В (с предохранительным конусом), а для условиий инструментального производства [5] и отверстия типа Т (с цилиндрическим освобождением).

Рис.2. Схемы с размерными условиями для подрезания конечного торца Геометрия резца в плане должна быть такой, чтобы позволяла максималное приближение его вершины к центру. В зависимости от типоразмера центрового отверстия торец может установиться против установочного конуса с углом 60о (рис.2,а), или против присоединительного конуса с углом 30о. Первый случай являтся более общим, так как относится к нескольким типоразмерам центровых отверстий, а второй относится к одному предельному типоразмеру. Учитывая рекомендованное минимальное значение вспомогательного установочного угла κ r min = 3 , можно принять, что для подрязания торца нужно использовать резцы с углом заострения ε r ≤ 57  . Из режущих элементов, выпускаемых инструментальной промышленностью [3,6], этому требованию удовлетворяют твердосплавные пластины типа DNMG и KNUX с углом ε r = 55 и резцы для них. Допустимое предельное приближение вершины резца к центру зависит от осевого колебания ∆ ц положения центра (и центрового отверстия) относительно технологической базы. Согласно схеме (рис.1,в), это колебание будет определено как

245

допуск замыкающего звена В Σ . К составляющим звеньям относятся глубина центрового отверстия В 1 и длина детали В 2 . Допуск размера В 1 регламентирован по Н12[2,5], а допуск размера В 2 определяется технологическими возможностями соответствующего процесса для его получения. Сделанные расчеты показывают, что для рассматриваемых условий при обработке партии заготовок ∆ ц =0,58 mm. На рис.2,б приведена схема для определения предельного допустимого приближения вершины резца к поверхности центра. Оба предельных положения центра, а также и центрового отверстия, показаны контурной и пунктирной линиями. Допустимое приближение вершины определяется из условий выполнением полного подрезания торца при центровом отверстии с минимальной глубиной. Одновременно для этого положения необходимо гарантировать, что вершина резца не касается центра в его наиболее неблагоприятном положении, при этом он вступает в контакт с центровым отверствием, имеющим максимальную глубину. При решавани задачи принято, что известны углы κ r = 3 и ε r = 55 , радиус r

при вершине резца, осевое колебание ∆ ц центра для партии заготовок, типоразмер центрового отверстия и что задано минимальное допустимое приближение J min (рис.2,б) вершины резца центра. Размерная цепь Г Σ решается [4] относительно Г 3 min при заданном Г Σ min . Согласно схеме на рис.2,б. (1) Г 3 min = Г1 max + Г 2 max + Г 4 max + Г Σ min ;

Г Σ min =

(

)

r 1 − cos 30 + J min cos 30

(2)

При решении уравнения (1), с применением введенных геометрических параметров, получается выражение: r 1 + tg 30 + ∆ ц tg 30 + Г Σ min , (3) Г 3 min = Г 2 min + 2  1 − tg 30 а после введения числового значения тригонометрических функций и более удобных обозначений d R = 2Г 3 и d1 = 2Г 2 , 1,577r + 0,577 ∆ ц + Г Σ min . (4) dR = d2 + 0,333 Необходимый для программирования размер d р согласно схеме d= d R − 2r . p Для практического применения описанного метода необходимо выполнить и следующие условия: 1. Предельное положение размерообразующей точки R вершины резца (рис.2,б) должно быть в границах предохранительного конуса центрового отверстия; 2. При подрезании резец должен снять припуск с заданным значением.

(

)

Рис.3. Схема определения размеров центрового отверстия

246

Проверка указаных условии проведена для практически возможных значений технологических факторв: r=0,8 mm, J min = 0,2mm и ∆ ц = 0,56mm . В соответствии с

техническими данными токарного станка СЕ063, при расчете охвачен стандартный порядок диаметров d центровых отворстий типа В в интервале 2÷5mm. Полученные размеры обозначены на рис.3 и приведены (в mm) в табл.1. Диаметры d, d 1 и d 2 стандартизированы для соответствующего центрового отверстия, а d R и d p определены по формулам (4) и (5) для указаных условий. Таблица 1. Размеры центровых отверстий d d1 d2 dR dp 1 2,0 2,5 3,15 4,0 5,0

2 4,25 5,3 6,7 8,5 10,5

3 6,3 8, 10,0 12,5 15,0

4 10,11 11,16 12,56 14,36 16,36

5 8,51 9,56 10,96 12,76 14,76

l1′

6 10,0 12,5 14,0 16,0 20,0

7 0,6 0,7 1,0 1,2 1,3

8 4,24 4,82 5,77 6,79 7,75

9 2,54 3,20 4,03 5,05 6,41

Как видно из сопостановления диаметров d R и d 2 (d R > d 2 ) и графической интерпретации (рис.3,а), резец не будет снимать припуск, если центровое отверстие выполнено со стандартной глубиной l 1 . Выход из создавшего положения можно найти путем так называемого глубокого центрирования [1,5]. Оно выполняется с помощью специального инструмента (рис.3,б), геометрия которого позволяет полное врезание его конической части и оформление цилиндрического участка. В этом случае должно быть выполнено условие d R ≤ D, где D наружный диаметр сверла. Его рекомендуемые значения нанесены в табл.1. Из их сопоставления со значениями для d R видно, что вышеназванное условие подрезания торца в границах увеличенного предохранительного конуса выполнено. Необходимая глубина l1′ центрового отверстия (рис.3,в) определяется условием снятия припуска с заданным значением z. Здесь не рассматривается конкретный пример и поэтому принято, что припуск имеет рекомендуемые числовые значения, которые нарастают (табл.1) с увеличением диаметра центрового отверстия. Согласно схеме на рис.5,в и введенным означениям получается:

l1′ = 0,866(d1 − d ) + 0,289(d R − d1 ) + z ,

(5)

Полученные резултати нанесены в табл.1, а для сопостановления в последней колонке указаны стандартные глубины l 1 соответствующих центровых отверстий. Выводы: Из изложенного следует, что в обоснованных случаях при обработке ступенчатых валов на токарных стаках с ЧПУ възможно и целесообразно создавать настроечные базы путем подрезания конечных торцов деталей. Для этой цели небходимо подготовить в заготовке центровые тверстия типа Т с глубиной, большей, чем стандартная. Геометрия резца обеспечивается выпускаемыми стандартными твердосплавными пластинами типа DNMG и KNUX и резцами для них. Список литературы: 1. Гатев Г., В.Георгиев. Относно целесъобразността от използване на настроечни технологични бази, сп. Машиностроене, 1974, №4. 2.БДС 3163-83, Отвори центрови с ъгъл 60º. 3. Стругарски ножове, фрези, свредели за машини 247

с ЦПУ, Проспект на „Инструмент”-АД-Габрово, 1998. 4. Диков Р., Определяне на взаимното положение на координатните системи на основните и спомагателни бази на детайлите. Варна, Сп. „Механика на машините”, бр.60, 2005, с.12-16. 5. Справочник конструктора – инструментальщика, М., Машиностроение, 1975. 6. SANDVIK Coromant, general catalog, 2005. ТОЧНОСТЬ АВТОМАТИЧЕСКОЙ НАЛАДКИ ТОКАРНЫХ СТАНКОВ С ЧПУ. ЧАСТЬ 1 НАЧАЛЬНАЯ НАЛАДКА Замфиров Ив., Енчев М., Колева Св. (Русенский университет им. Ан.Кынчева, г.Русе, Болгария) The article treats the questions related to the development of the system for automatic dimensional setting on the base of the coordinate’s measurements on the machine. The tasks, that has to be solved at the initial setting are defined, and the errors are analyzed that must be taken into account for minimization of the risk of refuses Автоматическая наладка применяется только при токарных станках со встроенными системами для автоматической размерной наладки и для контроля обработанных поверхностей [1]. Управление точностью включает следующие характерные этапы – начальную наладку, текущую наладку и подналадку технологической системы. Задача начальной наладки – установить режущий инструмент на размер, который расположен подходящим образом в поле допуска. При использовании пульсирующей подналадки рабочий размер наладки выбирается в середине поля допуска. Автоматическая наладка инструментов на станках является только статистической и поэтому для полной автоматизации начальной наладки необходимо, чтобы она включала и динамическую наладку. Задача текущей наладки – восстановить начальную наладку после смены режущего инструмента (пластинки) и в начале рабочей смены, где вероятна возможность получить значительное смещение центра группирования размера. Разница между начальной и текущей наладкой состоит в том, что при последней имеется информация о постоянной и случайной составляющей динамического размера. Этап обработки, при котором путем поднладки поддерживается необходимая точность, характеризуется наибольшей продолжительностью и протекает в установленных условиях. Эти условия должны исключать резкое изменение центра групирования размеров и мгновенного поля рассеивания. Здесь для достижения высокой надежности обеспечения точности рекомендуется, чтобы поле суммарной погрешности было 0.75 ≤ ωΣ ≤ 0.85 допуска размера. Наиболее проблемным является достижение точности при усвоении нового технологического процесса, потому что на этом этапе неизветны действительные значения погрешностей, формирующих суммарную точность. Здесь, на базе априорной информации и накопленного технологического опыта, выбирются подходящие условия для обеспечения точности. Следовательно, при усвоении технологических процессов необходимо определить в установленных условиях обработки конкретные значения суммарной погрешности и сделать оценку достигнутой точности [2,3]. Это значительно облегчается в условиях автоматического контроля размеров и предусмотренных расчетных и логических возможностей современных систем для ЧПУ, позволяющих путем подходящего программного обеспечения накоплять и статистически обрабатывать полученную информацию о рассеивании размеров.

248

На рис.1 приведена графическая модель формирования размеров на трех рассмотренных этапах. Размеры деталей под номером к до m получаются при условиях автоматической подналадки. Здесь суммарная погрешность включает погрешности, связанные с автоматической подналадкой, и погрешности, к которым подналадка нечувствительна, при этом ее значение составляет [4]: (1) ∆ Σ, p = ε неуч.и + ωн2 + ω м2

где ε неуч.и -не учитываемые погрешности измерительной системы;

ωн - поле рассеивания центра группирования размеров; ω м - мгновенное поле рассеивания размеров.

тн

нн

нр

Рис.1. Графическая модель получения размеров в этапах наладки Между двумя случайными полями существует следующая связь: ωн = q * I * ω м ,

где q - параметр процесса чувствительность ωн к “шуму” ωинф

(2) наладки, он показывает, какой является случайных факторов, влияющих на точность

подналадки ( ω н = Iωинф ).

I - параметр, определяющий на сколько увеличивается “шум” от

случайных погрешностей, связанных с измерением ( ωинф = I * ω м ). 2 ωизм

ωинф

= ω + m 2 м

2 2 + k изм , ∆ф * ω изм , ∆ф

(3)

где ωизм случайная погрешность измерительной системы; ωизм , ∆ф - случайная погрешность при измерении, порожденная отклонениями формы контролируемых поверхностей; m, p - соответствено число повторных измерений и число контролируемых сечений. Обычно при установленных условиях обработки с целью не потреблять машинное время m=p=1. При условиях точной обработки q = 0.55 − 0.65 , а I = 1.2 − 1.4 , как при средних значениях параметров

q и I получается ωн ≈ 0.8ω м , а для

249

∆ Σ, p = ε неуч.и + 1,3ω м .

Детали с номерами от 1 до k (рис. 1) обработаны при условиях этапа начальной наладки, а детали с номерами от m+1 до m+p – текучей наладки . Точность размеров на этапах начальной и текущей наладки будет равна точности, достигнутой при подналадке, если моментные центры группирования размеров X 1 и X 1, т находятся в переделах поля ωн . Из-за погрешностей, вызванных статистической наладкой, и не учтенной постоянной динамической погрешности, поля ω н ,1 и ω тн ,1

больше, чем ωн . Вероятная точность выражением:

первой

детали

обработанной

∆1.д = ε неуч.с + 2(ε д + Rz ) + ωс2 + ω м2 ,

партии

определяется (4)

где ε неуч.с - не учтенные систематические погрешности устройства для автоматической статической наладки; ε д – постоянная динамическая погрешность; Rz – средняя высота шероховатостей (величина, которая получается от разницы между налаживаемым в станке размером инструмента и контролируемым размером поверхности. По сравнению с погрешностью, полученой на этапе обработки подналадкой, точность первой детали отличается главным образом погрешностью статической наладки ∆ ∆ = 2(ε д + Rz ) . При устойчивых технологических системах и вводе прогнозного значения погрешности как коррекции в размер статической наладки вероятность брака сводится к минимуму. Риск брака нарастает, когда технологическая система имеет недостаточную устойчивость. Тогда предусматривается припуск на проведение дополнительной (пробной) обработки для удаления рассматривоемой погрешности. Невозможно сделать количественную оценку риска из-за отсуствия конкретных данных о ∆ ∆ . Соотношение уровня „шума” ωинф – значения измеряемого отклонения меньше и для более полной компенсации погрешности при первой детали коэффициент подналадки составляет b=1 [4,5]. При этом условии погрешность в подналадке после первой детали составляет ∆ К = ωинф , это приведет к погрешности второй детали: 2 (5) ∆ 2.д = ε неуч.и + ωинф + ω м2 , Разница между погрешностями, получаемыми при обработке второй детали и деталей, обработываемых подналадкой, отличается только в подкоренных величинах. Для оценки риска брака используется соотношение между ними.

2 ωинф + ω м2

ωн2

+ ω м2

(6)

Из графической модели, показанной на рис.1 видно, что кроме нарастания суммарной случайной погрешности ω Σ имеется и дополнительное смещение поля с работчего наладочного размера развивающегося переходного процесса. Оно является результатом расположения центра группирования Х 2 при второй детали за пределами

250

ωн . Компенсаци этого смещения требует определенного количества подналадочных циклов. Если Х 1 находится в переделах ωинф , его продолжительност охватывает 10-12 циклов. Она зависит не только от первоначального отклонения, но и от коэффициента подналадки b [1, 2]. При b → 1 , переходный процесс укорачивается и уменьшает смещение поля ω нн , но нарастает его величина и соответственно ω Σ . Вероятность брака в конце цикла становится равной нулю. Значения дополнительного смещения не превышает 0.1 ωинф [5]. При этих условиях можно определить предельное значение вероятности брака, которая возникает после обработки второй детали. В выражении ввиду дополнительного смещения добавляется 1.1 ωинф и представляется ω инф = I * ω м

и ω н = q * I * ω н и вычисливается для значений I =1.4 и q =0.65, являющимися предельными для этих параметров.

(1,1I ) 2 + 1 q I +1 2 2

≈ 1.4

(7)

При этом значении суммарное поле по направлению к смещению будет на 1,3σ за допустимыми переделами. Это будет соответствовать вероятному браку 11,5% после обработки второй детали и будет уменьшаться до 0% после 10-12 детали. Несмотря на то, что смещение можно принять линейным, вероятность брака будет уменьшаться ускорено в последовательных циклах. Уровень брака высок и возможность его уменьшения состоит в уменьшении погрешности измерения. Таким образом при I = 1.1 брак понизится до 2 ÷ 3%. Выводы: 1. При условии, что суммарная погрешность автоматической наладки находится в переделах поля рассеивания центра групирования размеров, которое формируется в установленный период управления точностью, нет возможности появления брака, связанного с начальной наладкой; 2. Несмотря на небольшую погрешность автоматической статической наладки, если нельзя прогнозировать с достаточной точностью динамическую погрешность, которая должна быть внесена как дополнительная коррекция, риск брака велик при обработке первой детали; 3. При условии, что допуск брака при первой детали невыгоден, тогда нужно предусмотреть возможность дополнительной обработки точных поверхностей; 4. Вероятность брака при автоматической начальной наладке уменьшается в рамках переходного периода, эта продолжительност зависит от точности начальной наладки (статическая и динамическая) и коэффициента подналадки; 5. Коэффициент подналадки уменьшает переходный период, но не уменьшает суммарной погрешности и соответственно риска брака; 6. Вероятность брака во время начальной наладки можно уменьшить и даже исключить, если уменьшить погрешност измерения, которая влияет на управление точностью наладки. Список литературы: 1. Patrick Waurzyniak, Senior Editor, With recent improvements that elevate CNC accuracy, manufacturers can increase metalcutting productivity, Manufacturihg engineering, vol142, 2009; 2. Георгиев В,. С. Ч. Салапатиева, Влияние на точността на процеса и размерната трайност на инструмента върху 251

ефективността на активния контрол с поднастройване Сб. Машиностроителна техника и технологии, АМТECH 03, TУ- Варна, 2003; 3. В.М. Шкіль, Обеспечения точности и технологической надежности автоматизированного контроля размеров обрабатываемых деталей на токарных станках с ЧПУ: Автореф. дис... канд. техн. наук: 05.02.08, Нац. техн. ун-т Украины "Киев. політехн. ін-т". - К., 2001. - 17 с.; 4. Енчев М. Д., Относно точността на автоматичното поднастройване, Международен конгрес – машиностроителни технологии, т3, Варна, 2006, с. 7-9; 5. Енчев М. Д., Осигуряване ефективността на автоматичния контрол, извършван на струговите машини с ЦПУ, Международен конгрес – машиностроителни технологии, т2, Варна, 2004, с. 80-84. ТОЧНОСТЬ АВТОМАТИЧЕСКОЙ НАЛАДКИ ТОКАРНЫХ СТАНКОВ С ЧПУ ЧАСТЬ 2: ТЕКУЩАЯ НАЛАДКА Замфиров Ив., Енчев М.,Колева Св. (Русенский университет им. Ан.Кынчева, г.Русе, Болгария) The article treats the questions related to the development of the system for automatic dimensional setting on the base of the coordinate’s measurements on the machine. The tasks, that has to be solved at the current setting are defined, and the errors are analyzed that must be taken into account for minimization of the risk of refuses Текущая наладка, в отличие от начальной, является событием, протекающим многократно во время обработки партии деталей, и для этой цели необходимо здесь обеспечить минимальную вероятность брака. В этой работе анализы базируются на графической модели, зависимостях и выводах в част 1 [1]. Точность текущей наладки определяется точностью, с помощью которой устанавливается существенная для статической наладки погрешность ∆ ∆ = 2(ε д + Rz ) [2]. Эта погрешность вводится как корекция после статической наладки. При условии, что для коррекции используется отклонение размера, измеренного после обработки первой детали, допущенная погрешность составляет ∆ К = ωинф . Для оценки точности при текущей наладке используется соотношение между погрешностью, которая получается после обработки первой детали при текущей наладке, и погрешностью, получаемой на установленном этапе подналадки. Для облегчения оценки, не оказывая существенного влияния на нее, принимается ωс = 0,5ω н [3, 4]. w=

2 + ωс2 + ω м2 ωинф

ω н2

+ ω м2

I 2 + 0,5 I 2 q 2 + 1 q I +1 2 2

= 1.45

(1)

Значение соотношения определяется 2.7σ большим полем погрешности после текущей наладки, что вызывает вероятность 10% брака. Этот брак недопустим, и для его уменьшения необходимо определить среднее отклонение, которое получается размерами при обработке l детали в рамках переходного этапа начальной наладки (без первого). После обработки заготовок при применении пульсирующей подналадки Х 1, п ,

Х 2, п , Х 3, п .... Х , п , измеряются их отклонения от рабочего наладочного размера.

252

Вычисляются размеры Х 1 , Х 2 , Х 3 .... Х  , которые получились бы при неактивном воздействии подналадки (рис.1). Между этими размерами существует следующая связь: X 1 = X 1.п = X 1 + x1 X 2 = Х 2. п + U 1 = X 1 + x 2 + a X 3 = X 3.п + U 1 + U 2 = X 1 + x3 + 2a . . .  −1

X  = X .п + ∑ U j = X 1 + xm + ( − 1)a , J =1

где x1 , x2 , x3 ...xm – случайные отклонения размеров;

Х 1 , Х 2 , Х 3 .... Х  – размер, на котором находится центр группирования размеров; U1 , U 2 , U 3 ……. U  – значения вводимых после подналадки корекций; a – интенсивность закономерных факторов.

Рис.1. Схема определения корекции после статиеской наладки Отклонения размеров подналадочных корекций должны иметь соответствующий знак. После суммирования и разделения  , получается: 

X . =

∑X j =1



j,п

∑ ( − 1)U j =1



= Х1 +

х1 + х2 + х3 .... + хm a + 2a.... + ( − 1)a +  

253

(2)

Коррекция, которую необходимо ввести непосредственно после статической наладки, должна быть равной отклонению мгновенного поля рабочего наладочного размера Х кор . = Х 1 . Ввиду того, что во время определения этого отклонения “шум” от случайных факторов и смещение центра групирования размеров от закономерных погрешностей, коррекция вычисляется по зависимости : 

X кор = X . =

∑X j =1



j,п



∑ ( − 1)U j =1



При этом получается допълнительная погрешность х1 + х2 + х3 .... + хm a + 2a.... + ( − 1) a ωинф. + = + 0.5( − 1) a    Первая деталь при текущей подналадке получается с погрешностью:

∆X кор. = X  − Х 1 =

∆ т.п. = ε неотч.и + 0.5( − 1)a +

ω 2 инф. 

+ ω 2с + ω 2 м

Чтобы исследовать, при какой величине пробной партии (  ) удовлетворяется требование точности при текущей наладке, вышеуказанная погрешность, сопоставляется с точностью, достигнутой при подналадке:

ε неотч.и

2 ωинф 1 2 2 . 2 q ωинф. + ω м = ε неотч.и + 0.5( − 1)a + + + ω с2 + ω м2 2 

Для упрощения анализа постоянная погрешность 0.5( − 1)а пренебрегается, учитывая, что при небоьших значениях  она будет незначительной. Преобразуется выражение (5), замещая ω инф = I * ω м и получается: q2I 2 =

I2 + ωc2 

(3)

Принимается ω c = с * ω м и выражается  : =

I2 q2I 2 − c2

(4)

На графике (рис.2) приведена связь между величиной поля статической наладки, задаваемой коэффициентом с и количеством  деталей, принимающих участие при определении коррекции. Связь исследована при двух разных уровнях влияния точности измерения (I). Из этой зависимости видно, что до значений ω c ≤ 0.5 количество деталей  , необходимых для определения Х кор. , не влияется существенно.

254

20 16 12 8 4 0 0

0.2

0.4

0.6

I=1.1

0.8 c

I=1.4

Рис.2. Влияние относительного изменения ω c и параметра I на количество деталей, необходимых для определения коррекции Соотношение между суммарными полями погрешностей при текущей наладке и погрешностью при подналадке дает возможность оценить первой детали, обработанной при текущей подналадке. 2 ωинф .

+ω +ω  = 2 2 q 2ωинф . + ωм

ν=

2 с

2 м

I2 + c2 + 1 l q2 I 2 +1

(5)

На рис.3 соотношение обеих погрешностей приведено в функции  при двух значениях параметра c.

1.4 1.3 1.2 1.1 1 0.9 0.8 0

c=0.2

c=0.5

n=1

Рис.3. Связь между точностью наладки и количество деталей, необходимых для определении коррекции 255

Точки персечения график с линией, построенной при ν = 1 , определяют минимальное количество деталей, необходимых для вычисления коррекции Х кор. Выводы: 1. Точность текущей подналаки зависит от точности, которой определена разница между размером статической наладки и действительным размером поверхности после обработки первой детали; 2. Точность статической наладки определяется требованием, чтобы его поля не было больше, чем половина суммарной случайной погрешности с целью осуществления наладки в нескольких циклах обработки; 3. Для обеспечения точности автоматической текущей наладки количество деталей, участвующих при определении коррекции, вводимой после статической наладки, порядка 2 до 4. Список литературы: 1. Замфиров Ив., Енчев М., Колева Св., Автоматическая наладка токарных станков с ЧПУ, XVI международная научно-техническая конференция, Севастополь, 2009; 2. Трищ Р. М., Обеспечение точности токарной обработки с использованием автоматического управления: Дис... канд. техн. наук: 05.02.08 / Украинская инженерно- педагогическая академия. - Х., 2000. - 183 л. 3. Салапатева С., Ленгеров А,. Четроков И., Георгиев В., Размерно настройване на металорежещи машини за обработване на партия детайли, Международен конгрес – машиностроителни технологии, т.3, Варна, 2006, с. 14-16; 4. Георгиев В,. С. Ч. Салапатиева, Изследване на процеса обстъргване за въвеждане на активен контрол с поднастройване при СТ 161, Трудове на научна сесия РУ -Русе, 2003, АНАЛИЗ УСЛОВИЙ СОЗДАНИЯ МНОГОРЕЗЦОВЫХ РАСТОЧНЫХ ГОЛОВОК С ВЫДВИЖНЫМИ ПЛАСТИНАМИ Замфиров Ив., Колева Св. (Русенский университет им. Ан.Кынчева, г.Русе, Болгария) An approach of rational measuring multiedge tools has been discussed. By applying the dimensional analysis, the precision of the body is connected with the input precision of the workpieces. The choice of the basis in constructing and manufacturing these tools has been substantiated. We have analyzed the conditions securing within admissible boundaries the radial and front run out of the cutting edges related to the technological basis of the tool. В последнее время в машиностроительной практике [4] непрерывно расширяется производство многорезцовых инструментов с выдвижными твердосплавными пластинами. При инструментах небольшого диаметра (20-50 mm) нельзя использовать режущие элементы (вкладыши, резцы), а пластины монтируются в гнезда, установлинные прямо в тело. Высокая точность выдвижных пластин может послужить исходным началом проектирования этих инструментов, но основной предпосылкой их эффективной эксплуатации является достижение функциональной взаимозаменяемости конструкции. В этом отношении налицо ряд затруднений конструктивного и главным образом технологического характера, которые ограничивают упомянутую положительную тенденцию в инструментальном производстве. В настоящей работе рассматриваются вопросы рационального определения размеров тел многорезцовых инструментов с выдвижными пластинами. С помощью 256

размерного анализа [2] точность тела обвязана с исходной точностью обработывамого отверстия. Обоснован выбор баз при конструировани и изготовлении инструментов. Проанализированы условия обеспечения в допустимых пределах расположения, радиального и торцевого биения режущих кромок относительно базы инструмента. Геометрическое условие построения многоррезцовых инструментов, работающих с разделением припуска по подаче, требует, чтобы режущие кромки всех пластин лежали на одной образующей конической поверхности (в частности, плоскости). Кроме того вершины пластин должны быть расположени по одной окружности. В зависимости от точности этой окружности инструменты делятся на две групы – размерные (зенкеры, расточные головки) и безразмерные (фрезы). При изготовлении первых необходимо обеспечить высокую точность, как относителного положения пластин (биение) так и образующей вершинной окружности. Определение размеров тел должно рассматриваться связанным с выбранными базами при изготовлении инструментов. Существующая многовариантность режущих пластин и геометрических условий их установления делают обобщенное решение задачи весьма сложным и неудобным для практического применения. Поэтому здесь рассматривается два типовых случая использавания расточных головок. На рис.1,а и б приведены схемы базирования и определения размеров при квадратной и трехугольной пластине с положительным передным углом γ  = 5 и главным установочным углом соответственно χ r = 75 и χ r = 90 . Замыкающим звеном AΣ размерной цепи является вектор радиуса растачиваемого отверстия, ось которого принято, что совпадет с осью головки. Его номинальное значение и предельные отклонения являются функцией двух типов размеров, представленных двумя параллельно связанными цепями. Размерная связь AΣ рассматрывается, учитывая ее стандартные размеры [3,4] m, d, r и ε, для которых заданы соответствующие допустимые отклонения в зависимости от класса точности пластин. С помощью второй цепи В Σ включены те размери тела и гнезда, которые определяют расположение пластины. Принято, что вершины пластины и гнездо совпадают. Основанием для этого является высокая точность Рис.1. Размерные цепи при квадратной (а) пластин ( Tε = ±30′ ) и точностные и треугольной (б) пластинах и схема базирования головки(в) возможности изготовления гнезда. Из рисунке видно, что

257

размерная связь выражается с помощью пространственной цепи. Она начинается с размерообразующей вершины (вид F) и проходит по лицевой стороне пластины у ее геометрической вершины к гнезду. Эти звенья не лежат в плоскости и направлении замыкающего звена. На схеме построены необходимые сечения и обозначены расчетные углы наклона пластины. Характерен размер В 1 , представляющий расстояние от геометрической вершины пластины (и гнезда) до геометрической вершины дна гнезда. На схеме приведен более неблагоприятный случай с использвания подложных пластин. Следуют нормализированные размеры В 2 и В 3 гнезда и два размера тела В 4 и В 5 . Последний размер представляет собой радиус технологической базовой шейки, которая исползуется при изготовления гнезда. Для определения номиналного значения исползуется известное уравнение [1] n

A∑ = ∑ ξ i Ai ,

(1)

i =1

где Ai - номиналыное значение очередного i-го звена; n - общее число составляющих

звеньев; ξ i - передаточное отношение, выражающее способ и степень влияния соответствующего звено. Если заданы А Σ , вид и размеры пластины и технологический размер В 5 , задача сводится к однозначно решаемой с одним неизвестным – размером В 4 . При указанном базировании этот размер можно легко и точно контролировать при наладке режущего инструмента. Другим преимуществом базирования является то, что размер B5 может быть измерен точно для каждого изготовляемого инструмента и его можно считать постоянным ( TB = 0 ). Допуск замыкающего звена вычисляется методом неполной взаимозаменяемости [1]. После определения передаточных отношений и преобразуваия, уравнения для TA 5

принимают следующий вид: для квадратной пластины с γ  = 5 и χ r = 75 (рис.1,а) TA2Σ = TA21 1 − cos 30 + TA22 cos 30 cos 413′ + TA23 cos 30 cos 413′ +

(

)

(

)

+ TA24 cos 75 cos 5 + TA25 cos 5 + TB21 tg16 cos 5 cos 75 + tg11 cos15 +

(2)

+ TB22 cos 75 cos 5 + TB23 cos15 + TB24 + TB25 - для треугольной пластины с γ  = 5 и χ r = 90 . (рис.1,б)

(

)

T A2Σ = T A21 1 − cos 30  + T A22 cos 30  cos 2  20′ + T A23 cos 60  cos 4  5′ + + TB21 tg 23 36′ cos 90 

+ TB22



cos 5 cos 90



+ TB23

+ TB24

+ TB25

(3)

Для получения количественного представления о величине допуска замыкающего звена, он вычислен для двух классов точности по ISO выпускаемых пластин – G и U. Допуски на размеры m и d для этих классов и обозначение выбранных пластин приведени в табл.1. Допуски радиуса закругления и толщины пластины не зависят от класса точности. Они соответствено Tr = TA = ±0,1mm и Ts = Ts = ±0,13mm . Вычисление проведено для двух случаев точности гнезда и тел – нормальная, согласно [1], при 1

258

которой

TB2 = TB3 = TB4 = 0,1mm

повышенная

Полученные результати приведени в табл.1.

TB2 = TB3 = TB4 = 0,05mm .

Таблица 1. Допуски пластин, гнезд и ожидаемая точность отверстия Схема УравнеРежущая Допуск р-ра Точность гнезда ние для пластина пластин(mm) m d Нормальная Повышенная ТΣ TD = 2TAΣ Ст. TD = 2TAΣ Ст. точн. точн. (mm) (mm) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Рис.1,а (2) SPGN120308 ±0,025 ±0,025 0,638 14 0,358 13 SPUN120308 ±0,20 ±0,13 1,043 15 0,898 15 Рис.1,б (3) TPGN160308 ±0,025 ±0,025 0,337 12 0,232 12 TPUN160308 ±0,13 ±0,08 0,611 14 0,560 14 В колонки 6 и 8 табл.1 нанесены удвоенные значения вычисленного допуска замыкаяющего звена TD = 2TA для диаметра обработываемого отверстия, а в колонки 7 Σ и 9 указана, для сравнения, соответствующая степень точности при номинальном размере в интервале 80-120mm. Это рассеивание диаметра отверстия вызвано лишь неточностью пластин и тел (гнезд). Полученные результати не могут служить базой для строгих выводов. Несмотря на это, очевидно, что взаимозаменяемые многорезцовые инструменты с выдвижными пластинами могут быть использованы только для чернововой обработки. Повышение точности тела не приводит к существенному эффекту для точности. При более высокой точности отверстия следует устанавливать регулирующие устройства для радиальной наладки пластин. При двух рассмотренных случаях более высокую точность обеспечивает треугольная пластина. Относителноe положение пластин в осевом направлении тоже должно быть достигнуто с высокой точностью. В обратном случае отдельные пластины снимают различный припуск и получается неуравновешенная силовая нагрузка головки. Торцевое биение пластин может быть проанализировано с помощью аналогичных размерных цепей. Сделанные расчеты показывают, что для рассмотренных случаев колебание режущих кромок в осевом направлении порядка 0,15-0,52mm, что очень велико для нормальной работы инструмента. Эта неточность, в отличие от радиальной, может быть сведена к приемлемым значениям (<0,1mm) чисто технологическим путем. На рис.1,в указана операционная схема последней операции обработки тела – шлифования торца и отверстия. Режущие пластины установлени в гнезда, при этом вершины (кромки), выставленные впереди других, определяют плоскость, представляющую собой основную базу. Схема реализируется с точностью при трех пластинах. При наличии двух режущих пластин, они определяют прямую линию и тогда приходится исползовать самоустановливающиеся опоры. При наличии более трех пластин плоскость определяется тремя пластинками, выставленными впереди других. Опорная база – это та же сама технологическая шейка как при изготовлении гнезд. Применение вышеупомянутого решения приводит к значительному уменьшению числа звеньев размерной цепи – практически постоянным является размер противолежащих режущих кромок до базового торца тела. Торцовое биение зависит от рассеивания только одного размера пластины и может быть сведено к значению 0.05mm, что полностью удовлетворяет практическим нуждам. 259

Выводы: 1. Обеспечиваемая точность в радиальном направлении взаимозаменяемых многорезцовых инструментов с выдвижными пластинками допускает использование этих инструментов лишь для черновой обработки. При более высокой точности отверстия следует устанавливать регулирующие устройства для радиальной наладки. 2. Многорезцовые инструмены, снабженные треугольными пластинами, предпочитаются перед квадратными, так как при равных условиях они обеспечивают более высокую точность. 3. Торцовое биение пластин можно свести к 0.05mm, если при доводочном шлифовании базовых торца и отверстия инструмент монтируется на вершинах (кромках) предварительно установленных пластин. 4. Рассмотренный способ применим для разных пластин и конструкций головки. Список литературы: 1. Гатев Г., Размерни вериги, С., Техника, 1979, 226 с. Стругарски ножове, фрези, свредели за машини с ЦПУ, 2. Р. Диков., Дефиниране на координатните системи при моделиране на пространствените размерни връзки. Сп. „Машиностроене и машинознание”, Варна, 2007, N 3, с.51-55. 3. Гнезда за твърдосплавни пластини, „Инструмент”-АД-Габрово, 1998. 4. SANDVIK Coromant, general catalog, 2005. ВЛИЯНИЕ БОРА НА КОРРОЗИОННУЮ СТОЙКОСТЬ ПОКРЫТИЙ НА ОСНОВЕ НИКЕЛЯ Звягинцева А.В. (каф. ТОГОЧС, ВГТУ, г. Воронеж, Россия) The summary the questions connected with studying of properties of nickel coverings at them by a pine forest Are considered. The interrelation between phase structure of an alloy, hydrogenation influence and physical and chemical properties (porosity, an internal pressure, corrosion stability) is established. It is established, what at small thickness (4 microns) most corrosion stability coverings Ni-B with the maintenance of a pine forest 0,3-0,9 %, thus them hydrogenation influence minimally also makes from 60 up to 100 sm3/100ú Повышение требований к качеству производства радиоэлектронной аппаратуры ставит перед технологами новые задачи по улучшению параметров технологического процесса за счет использования новых решений. В качестве примера можно привести процесс получения покрытий из сплава Ni-B, нашедшего применение в технологиях изготовления радиоэлектронной аппаратуры. Процесс гальванического осаждения сплава Ni-B получил достаточно широкое распространение для нанесения функциональных покрытий на элементы радиоэлектронной аппаратуры [1]. Не умоляя достоинств этого сплава, следует отметить, что практическое использование эта технология нашла только на ведущих предприятиях радиоэлектронной промышленности. Основная причина отсутствия широкого внедрения этого процесса заключается в том, что некоторые вопросы электрохимического восстановления сплавов из рекомендованных электролитов нуждаются в дополнительных исследованиях. Свойства покрытий, полученных из этих компонентов отличает их уникальность (высокая устойчивость к окислению при повышенных температурах, длительное сохранение способности к пайке, способность к свариваемости, устойчивость к коррозии) и поэтому необходимость дальнейших исследований процессов осаждения сплавов Ni-B весьма актуальна [2].

260

Целью работы является изучение влияния бора на наводороживание и коррозионно-электрохимические свойства гальванических покрытий никель-бор, осажденных из сульфаматных электролитов. Исследование проводили в сульфаматном электролите никелирования с использованием борсоединений класса высших полиэдрических боратов [3]. Режимы электролиза: i k =0,5-4,0 А/дм2; t эл-та = 30-50 оC; pH=3,5-4,5. Аноды – никель марки НПА – 1. Катоды – медь марки М – 1. Содержание бора в покрытиях Ni-B определяли спектрофотометрическим методом [4]. Наводороживание ( V H 2 , см3/100г) пленок толщиной (d) 4 мкм – методом вакуумной экстракции. Анодное поведение систем CuNi и Cu-Ni-B изучали потенциодинамическим методом (1 мВ/с) в 3 %-ном растворе NaCl. Электрод сравнения использовали хлорсеребряный (ХСЭ), вспомогательный из платины. Потенциалы приведены относительно ХСЭ. Определение пористости проводили методом наложения фильтровальной бумаги, пропитанной раствором состава (г/л): K 3 [Fe(CN) 6 ]-10; NaCl – 20. Число пор (n) выражали на 1 см2 поверхности. Результаты эксперимента и их обсуждение. Пористость покрытий является одной из важнейших характеристик, поскольку она влияет не только на физико-механические свойства, но также от этой характеристики зависит коррозионно-электрохимическое поведение системы: основа – покрытие. Нами было изучено влияние режимов электролиза на пористость покрытий Ni-B (до 1% бора) (табл. 1) Таблица 1. Влияние режимов электроосаждения на пористость систем: Cu-Ni и Cu-Ni-B Концентрация Режимы электролиза борсодержащей рН t эл-та , τ эл-за , d, i k , A/дм2 о добавки в С мин мкм 0,5 1,0 2,0 3,0 4,0 электролите, г/л Ni 4,0 40 10 4 35,2 23,8 17,1 9,8 5,5 20 8 23,8 17,8 10,4 5,9 2,3 0,01 4,0 40 10 4 15,1 20 8 23,0 16,9 11,1 5,1 1,6 4,0 30 20 8 47,5 36,1 19,8 9,1 3,9 3,5 40 20 8 15,2 5,8 4,8 4,5 2,9 40 10 4 29,5 23,3 20,4 16,0 15,6 0,05 4,0 20 8 25,0 22,4 16,4 8,3 5,7 30 12 20,9 18,1 12,3 4,2 1,6 4,5 40 20 8 9,5 3,4 3,4 2,0 1,9 4,0 50 20 8 35,1 27,1 13,9 13,2 6,2 0,10 4,0 40 10 4 22,3 20 8 29,5 26,1 18,3 15,6 12,9 Анализ приведенных данных (табл. 1) показывает, что с увеличением содержания бора от 0,1 до 1 % пористость возрастает, что связано с образованием структуры с неявновыраженной степенью кристалличности и большим внутренним напряжением. Причиной этого также является включение в покрытие большого количества водорода, вызванного повышением BT H2 [5].Уменьшение пористости осадков Ni-B по сравнению с никелевым происходит при содержании борсодержащей добавки в электролите 0,01 г/л, содержание бора в осадке Ni-B до 0,35 %. Введение в

261

электролит никелирования поверхностно-активной боросодержащей добавки изменяет механизм электрокристаллизации никеля. Формируемые покрытие Ni-B с содержанием бора до 0,5 % (табл. 2) характеризуются более мелкокристаллической структурой; ограничение кристаллов становится менее четким, исчезают ребра и углы и более ровным рельефом поверхности (коэффициент выравнивания профиля поверхности составляет:

∆R Ni 0 ∆R Ni − B 0

0.024 мкм = 2,18 , 0,011мкм

где ∆R Ni о и ∆R Ni-B о – разность между средними значениями шероховатости покрытия и подложки, мкм) [2]. Дальнейшее увеличение концентрации легирующего компонента бора в никелевом покрытии увеличивает дисперсность формируемых осадков. Для покрытий с содержанием бора 1 % исчезает преимущественная ориентация кристаллитов, характерная для никелевых покрытий; поверхность осадка неоднородная с отдельными сфероидальными зернами – стоматоидами. В этих условиях сплав с содержанием бора ≥1 % не обнаруживает кристаллических огранений и строение поверхности подобных покрытий классифицируется как неявно выраженное кристаллическое. При увеличении содержания бора в сплаве до 1 % растет дефектность структуры и наряду с нарушениями кристаллической решетки присутствуют макроскопические дефекты (поры, водородные камеры) [6]. С увеличением i k от 0,5 до 4,0 А/дм2 при равной толщине покрытия пористость уменьшается, как и внутренние напряжения в осадках, что связано со снижением BT H2 и уменьшением содержания бора. Кроме того, микроструктурные исследования показали, что при i k = 4,0 А/дм2 для осадков Ni-B характерна слоистая структура [1], что способствует быстрому перекрыванию пор. Повышение температуры электролита от 30 до 50оС снижает число пор для i k = 2 А/дм2 (d = 8мкм). Причиной этого факта является по всей вероятности уменьшение внутренних напряжений. Для i k 0,5-1 и 3-4 А/дм2 наблюдается увеличение n при температуре электролита 50 оС. Поэтому, можно говорить, что большую роль играет не абсолютное повышение температуры, а ее соотношение с i k от которого зависят условия тепломассопереноса. Например, для i k 3-4 А/дм2, согласно микроструктурным исследованиям, сложность осадков Ni-B уменьшается при t эл-та =50оС, что и определяет увеличение n. Зависимость пористости покрытия от кислотности электролита в интервале 3,54,5 ед. имеет максимум при pH=4,0 для t эл-та =40-50оС, и всех изучаемых i k . Максимум пористости совпадает с максимумом внутренних напряжений и коррелируется с данными по наводороживанию и содержанием бора в осадках от pH электролита. Исследование пористости покрытий показало, что уменьшение числа пор в осадках Ni-B по сравнению с никелевыми происходит за счет варьирования режимами электролиза, особенно i k и pH, приводящих к уменьшению вероятности образования пузырьков Н 2 и увеличение скорости их роста при изменении этих параметров. Исследование коррозионно-электрохимического поведения систем: Cu-Ni и CuNi-B солевой среде (3 % раствор NaCl) показало повышение коррозионной стойкости Ni-B пленок по сравнению с никелевыми пленками (табл. 2).

262

Таблица 2. Зависимость внутренних напряжений (σ), фазового состава и наводороживания от содержания бора в электролитическом сплаве Ni-B. Режимы электролиза: i k =2 A/дм2 ; рН=4,0; t эл-та =40 оС; d=4 мкм Содержа Фазовый состав d 311 , А ср, Размер σ V H2, о о ние бора А А зерён, МПа см3/10 в сплаве мкм 0г Ni-B, % 0 ГЦК решётка σ1,0624 3,5236 0,0675,7 104,0 никеля 0,20 0,35 Однофазное 50 68,7 покрытие: 0,62 1,0623 3,5233 0,02135 80,0 твёрдый раствор 0,12 бора в ГЦК 0,97 1,0621 3,5227 308 112,9 решётке σ-Ni

Для пленок Ni-B с содержанием бора 1 % коррозионный ток уменьшается ~ в 6 раз по сравнению с Nio, что можно объяснить рядом величин. Во-первых, влияние бора на коррозионно-электрохимическое поведение никеля связывается с переносом sp – электронов бора к никелю спаривание 3d никеля, что снижает способность к растворению в активной области [7,8]. Во-вторых, повышение коррозионной стойкости Ni – Bо по сравнению с Niо связано со структурными изменениями. Бор концентрируется по границам зерен и дефектам кристаллической решетки никеля, в результате образуется защитная плёнка на покрытии Ni-B и отрыв атомов никеля от решетки на плотных гранях кристаллита затруднен. Для определения суммарного коррозионного тока систем: Сu-Ni и Cu-Ni-B построены анодные поляризационные кривые и по найденным стационарным потенциалам из кривых E = f( τ ) определены токи коррозии [4,9], и некоторые их значения приведены в таблице 3. Таблица 3. Влияние содержания бора в плёнке Ni-B на коррозионноэлектрохимическоеповедение системы: Cu-Ni и Cu-Ni-B. Режимы электролиза: i k =2 A/дм2 ; t эл-та =40 оС; рН=4,0; τ эл-за =10 мин; d=4 мкм Содержание Содержание бора i кор , мкА/см2 борсодержащей в плёнке Ni-B, % (плотность тока добавки коррозии) в электролите, г/л Ni 0 0,31 0,01 0,35 0,10 0,05 0,62 0,06 0,10 0,97 0,05 Из данных табл. 3 следует, что при увеличении содержания бора от 0,35 до 0,62 % i кор. для Ni-B плёнок уменьшается значительно по сравнению с Ni-плёнкой. Однако повышение содержания бора в плёнке от 0,62 до 0,97% практически не влияет на i кор. Данное явление, для тонких плёнок, связано с увеличением пористости (число пор изменяется от 20,4 до 22,3 на 1 см2 покрытия) и ростом содержания водорода в осадке

263

от 80,0 до 112,9 см3/100 г. (табл. 1,2). Дальнейшее повышение содержания бора не приводит к значительному улучшению защитных свойств покрытия. С увеличением содержания бора от 0,35 % до 0,97 % растут внутренние напряжения в осадках Ni – B от 50 до 308 МПа, повышается относительное содержание водорода от 68,7 до 112,9 см3/100 г и происходят структурные изменения за счет внедрённых атомов бора и водорода: растут микро искажения кристаллической решетки никеля и уменьшается размер зерна (табл. 2). Экспериментально установлено: покрытие Ni-B при толщинах более 6 – 8 мкм. С содержанием бора 1,5-2 % самопроизвольно растрескивается из–за высоких внутренних напряжений макро- и микроуровня, возникающих в формируемой плёнке при электрокристаллизации в стационарных режимах электролиза. При легировании никеля бором до 1 % образуется твёрдый раствор бора и водорода, кристаллизирующийся с ГЦК решеткой α-никеля. Растворы такого типа могут быть ограниченными, поскольку при определённой концентрации растворённого вещества ( r Ni = 0,124 нм; r B = 0,091 нм; r H = 0,046 нм) напряжения на микро искажения решетки становятся столь значительными, что само существование твёрдого раствора маловероятно [10]. Выводы: Исследования влияния бора на наводороживание и коррозионноэлектрохимическое поведение никелевых плёнок, легированных бором до 1,5 %, показали следующие результаты: 1. Возникновение пористости в осадках Ni-B определяется в основном структурными особенностями, которые зависят от условий электрокристаллизации в присутствии поверхностно активной борсодержащей добавки. 2. Наиболее коррозионностойкими при малых толщинах (4 мкм) являются покрытия Ni-B с содержанием бора 0,3 – 0,9 %, при этом их наводороживание минимально. Легирование никеля бором до 1 % обеспечивает эффективную защиту от коррозии медных сплавов в солевой среде по сравнению с чистым никелем. 3. Содержание водорода в покрытии Ni-B до 1 % бора больше, чем в электролитическом никеле и составляет от 60 до 100 см3 /100 г. Список литературы: 1. Звягинцева А.В., Фаличева А.И. Гальванотехника и обработка поверхности. – М.: 1997. – Т.5, № 2 – с. 24 – 29. 2. Звягинцева А.В. Гальванотехника и обработка поверхности. М.:2007. – Т.XV, №1. – с. 16-22. 3. Пат № 2124072 Россия. Электролит для электрохимического осаждения функциональных покрытий Ni – B. А.В. Звягинцева, А.И. Фаличева. Заявка №93036355/02. Опубл. 27.12.98. Бюл. №36. 4. Звягинцева А.В. Электроосаждения никелевых покрытий, легированных индием или бором. – Воронеж: Автореф. … дис. к.т.н., - 1993. – 24 с. 5. Маккей К. Водородные соединения металлов. М.: Изд-во «Мир»,1968. – 244 с. 6. Гамбург Ю.Д. Электрохимическая кристаллизация металлов и сплавов. М.: Изд-во «Янус-К», 1997. – 384с. 7. Садаков Г.А. Гальванопластика. – М.: Машиностроение, 1987. – 288 с. 8. Садаков Г.А., Езикян А.Я., Кукоз Ф.Ч. / Электрохимия. – 1980. Т. 16. Вып. 12. – С. 1837-1840. 9. Розенфельд И.А., Жигалова К.А. Ускоренные методы коррозионных испытаний металлов. – М.: Металлургия. – 1966. – 347 с. 10. Солнцев Ю.П., Пряхин Е.М. Материаловедение: Учебник для вузов.- Спб.: ХИМИЗДАТ, 2004. – 736 с.

264

ПРОБЛЕМА МНОГОМЕРНОГО СТАТИСТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ ПОКАЗАТЕЛЕЙ КАЧЕСТВА В ТЕХНОЛОГИЧЕСКОМ ПРОЦЕССЕ Звягинцева А.В. (ВГТУ, г. Воронеж, Россия) Degree of achievement of the set functional parametres defines quality of coverings and quality of processes of their reception. Use of computer technics and the modern software allows to provide the reliable control of technological process taking into account quality indicators under production conditions, in a mode of real time. For detection of small displacement of technological process the methods based on use of control cards are more effective В настоящее время широкое применение находит гальваностегия, то есть нанесение покрытий в виде металлов и сплавов. При этом важной задачей является приготовление покрытий с заданными свойствами. Поставленная задача не может быть решена без знания механизма и закономерностей процессов электрокристаллизации металлов. Для регулирования скорости электрокрисаталлизации и получения осадков с заданными свойствами часто используют не простые, а комплексные электролиты и в растворы добавляют органические вещества, адсорбирующиеся на поверхности электрода. Электрохимические системы металлов и сплавов создаются с целью получения покрытий с заданным набором функциональных свойств. Степень достижения заданных функциональных параметров определяет качество покрытий и качество процессов их получения. Основной причиной неудач в создании электрохимических систем осаждения металлов являются несовершенная работа и недостаточность знаний при принятии решений. Одна из причин этого состоит в том, что факты часто путают с суждениями. Любой вид человеческой деятельности сопряжен с производством огромных массивов данных. Они накапливаются иногда целенаправленно, иногда сами собой, но всегда существует острая проблема превращения этих данных в информацию, позволяющую осознать факты, важные для принятия управленческих решений. Ключевую роль в процессе добывания фактов играют измерения, которые можно определить как приписывание чисел вещам. Принимать решения на основе фактов – значит отличать достоверные или надежные факты от ложных, сомнительных фактов или артефактов. Таким образом, принимая решения на основе фактов, мы снижаем до сих пор огромные потери от неэффективности управленческих решений и, одновременно, накапливаем информацию, которую постепенно превращаем в знания. "Статистическое мышление" предполагает цепочку взаимосвязанных процессов для принятия решения. Статистические методы анализа точности, стабильности и управления технологическими процессами, регламентированные нормативными документами, предусматривают контроль процесса лишь по одному показателю качества выпускаемого изделия. Между тем качество изделия обычно характеризуется несколькими показателями; эти показатели могут быть коррелированны между собой. В последнем случае независимый контроль по отдельным показателям может привести к значительным погрешностям; результат контроля часто оказывается неадекватным реальной ситуации: возможны как пропуски фактической разладки процесса, так и необоснованные остановки при выходе используемых статистик за контрольные пределы.

265

Использование компьютерной техники и современного программного обеспечения позволяет обеспечить надежный контроль технологического процесса с учетом множества коррелированных показателей качества непосредственно в производственных условиях, а при наличии электронных контрольно-измерительных устройств с соответствующим интерфейсом - в режиме реального времени. Практический инструмент для решения вопроса о необходимости такого вмешательства - контрольная карта - была предложена У. Шухартом: сигнал о разладке процесса подается при выходе контролируемого показателя за некоторую пороговую границу. Существенное влияние на выбор метода решения задач вероятностной диагностики технологического процесса оказывает наличие или отсутствие информации о распределении момента появления нарушения. При практическом проведении статистического контроля, как правило, априорное распределение этих вероятностей неизвестно. Таким образом, используется три основных подхода к решению задачи статистического контроля процесса и различные их модификации. Первый, базирующийся на критерии Неймана-Пирсона, представляет собой контрольную карту Шухарта - исторически самый первый метод диагностики технологического процесса. Второй подход основан на многократном применении последовательного анализа Вальда и реализован на практике в виде контрольных карт кумулятивных сумм. Наконец, третий подход к обнаружению нарушения процесса базируется на экспоненциальном сглаживании. Если контролируемые показатели качества оказываются зависимыми, использование независимого контроля отдельных показателей может привести к значительным погрешностям, связанным с двумя обстоятельствами. Во-первых, различны доверительные области: при независимом контроле это прямоугольный параллелепипед, стороны которого определяются границами регулирования карт Шухарта; с учетом корреляционных связей доверительная область представляет эллипсоид, главные оси которого повернуты относительно осей параллелепипеда: опытные точки, оказывающиеся внутри параллелепипеда, но вне эллипсоида, свидетельствуют о нормальном ходе процесса, хотя на самом деле процесс статистически неуправляем. Во-вторых, определение совместного уровня значимости (вероятности ложной тревоги) невозможно при контроле по отдельным показателям, коррелированным между собой. Обобщение контрольных карт Шухарта для независимой последовательности многомерных случайных векторов предложено Г. Хотеллингом. Сравнительно недавно разработаны и различные варианты обобщений для многомерного контроля алгоритмов кумулятивных сумм и экспоненциально взвешенных скользящих средних. Однако практическому использованию этих средств препятствует ряд обстоятельств: их недостаточная чувствительность к нарушениям процесса (определяется по количеству наблюдений от момента нарушения процесса до момента обнаружения этого нарушения - средняя длина серий), необходимость проведения специальных статистических испытаний для оценивания параметров некоторых средств, отсутствие статистических инструментов для многомерного контроля технологического рассеивания, методов диагностики и принятия решения при многомерном контроле, соответствующего программного обеспечения.

266

Рис.1. Контрольная карта Хотеллинга В качестве иллюстрации на рис.1 показана контрольная карта Хотеллинга, построенная с использованием системы STATISTICA. Предположим, нам необходимо контролировать концентрацию некоторого вещества на выходе химического процесса, который протекает в реальном времени, в течение 20 часов, и снимаем с датчиков нужную характеристику каждый час. Данные представлены в табл. 1. Таблица 1. Исходные данные 1 2 3 4 102 95 98 98 11 101

12 99

13 101

14 98

5 102

6 99

7 99

8 98

9 100

10 98

15 97

16 97

17 100

18 101

19 97

20 101

Особенностью процессов, протекающих в реальном времени, является то, что здесь не естественно группировать измерения. Поэтому нужно использовать карты для индивидуальных наблюдений. Считается, что процесс выходит из-под контроля, если значения концентрации превышают допустимый уровень и выходят за верхнюю контрольную границу.

267

Рис. 2. X- и MR карты для переменной concent На X-карте все точки попадают в область внутри контрольных границ. На контрольной карте скользящих размахов (MR карте) видно, что все точки находятся ниже контрольной границы. Это хороший результат. Можно сказать, что концентрация вещества в химическом процессе подчиняется требованиям статистического контроля. Следует иметь в виду, что карты для отдельных наблюдений не способны отражать малые изменения среднего уровня концентрации, которые, однако, могут играть существенную роль в химическом процессе. Поэтому для анализа этих данных нужно далее использовать контрольные карты накопленных сумм.

Рис. 3. Карта накопленной суммы для переменной concent

268

Из приведенного графика следует, что все точки данных попадают внутрь контрольного интервала. На карте изображена так называемая V-маска, имеющая следующий смысл. Если в наблюдаемом процессе имеется значимое смещение среднего значения, то точки выходят за пределы V-маски. В нашем случае точки не выходят за пределы маски, поэтому можно сделать окончательное заключение о том, что исследованный химический процесс удовлетворяет требованиям статистического контроля.

Рис. 4. Отчет по контрольной карте накопленной суммы

Рис. 5. Гистограмма средних переменных 269

В процессе производства в систему поступают разнообразные данные, описывающие в целом процесс производства. Основной задачей технолога является всесторонний контроль за производственным процессом. Так как данные разнородны, то следует использовать различные карты STATISTCA. На каждом этапе процесс может выйти из-под контроля, что приведет к потери качества продукции. Важно оперативно отреагировать на признаки изменения качества продукции. Также очень важно вести в компьютере архив с указанием причин неудовлетворительного качества и периодически проводить построение карт Парето, которые указывают наиболее типичные причины потери качества. Например, через определенные интервалы времени производится измерение температуры, и данные с датчиков заносятся в таблицу в режиме реального времени. Данные представлены в табл. 1. Таблица 2. Исходные данные № 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

t°

№

t°

№

t°

№

t°

№

t°

622.52 632.84 619.30 631.43 620.23 633.47 609.59 626.39 624.96 614.82 635.31 608.37

13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24

620.49 616.33 632.71 628.48 637.98 635.24 638.57 629.86 642.25 625.15 635.54 611.75

25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36

618.13 625.71 637.77 619.57 627.81 627.41 615.22 625.64 621.31 618.45 629.89 627.04

37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48

611.81 616.97 629.99 635.77 630.65 613.55 615.77 638.80 628.66 640.84 615.99 633.95

49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

607.03 604.74 628.59 646.77 610.20 632.96 617.98 599.90 645.94 605.07 599.72 599.49

Задача заключается в том, что нужно поддерживать температуру в пределах от 600 до 650 градусов. Если температура выходит за эти пределы, то происходит потеря качества. Очевидно, нужно иметь возможность заблаговременно отследить тенденцию к выходу температуры за указанные пределы и своевременно оповестить персонал о внештатной ситуации (в противном случае можно не успеть отрегулировать температуру и Рис. 6. X- и MR карты для переменной сохранить качество). Осуществим контроль за этим процессом. temperat Для оперативного контроля качества используются X- карты и R-карты. На X- карте все наблюдения, кроме 56-го, 59-го и 60-го, попадают в область внутри контрольных границ. На контрольной карте скользящих размахов (MR-карте) видно, что ниже контрольной границы находятся все 270

точки, кроме 57-й. Поэтому нельзя сделать вывод о том, что температура в конверторной печи подчиняется требованиям статистического контроля. Следует иметь в виду, что карты для индивидуальных или отдельных наблюдений не способны отражать малые изменения средней температуры, которые, однако, могут играть существенную роль в производственном процессе. Поэтому для анализа данных далее используем контрольные карты накопленных сумм.

Рис. 7. Карта накопленной суммы для переменной temperat На карте изображена так называемая V-маска, имеющая следующий смысл. Если в наблюдаемом процессе имеется значимое смещение среднего значения, то точки выходят за пределы V-маски. В нашем случае на 21-м наблюдении точки выходят за пределы маски, поэтому можно сделать заключение о том, что исследованный процесс не удовлетворяет требованиям контроля качества. Часто управление технологическим процессом осуществляется таким образом, что управляющее воздействие может быть оказано как на всю совокупность из p показателей качества, так и отдельно на некоторую группу из p 0 < p показателей, являющуюся подмножеством этой совокупности. В такой ситуации независимый контроль группы этих p 0 показателей привел бы к тем же погрешностям, что и использование карт Шухарта в предположении независимости показателей. Предлагается в этом случае проводить многомерный контроль с использованием регрессионных зависимостей между показателями группы из p 0 отдельно управляемых показателей и подмножеством всех остальных (p - p 0 ) показателей: мониторинг процесса осуществляется по регрессионным остаткам. Если остатки в регрессионных зависимостях, полученных для обучающей выборки в период отлаженного технологического процесса, и соответствующие остатки при оперативном контроле процесса обладают одинаковыми статистическими свойствами, то процесс считается статистически управляемым по рассматриваемой группе показателей и не требует вмешательства. При этом для диагностики процесса в зависимости от конкретной ситуации могут использоваться как карты Шухарта на регрессионных остатках, так и многомерные карты различных типов. 271

При контроле подмножества показателей на этапе предварительного анализа процесса по результатам n 0 наблюдений (обучающая выборка) строятся регрессионные зависимости между p 0 отдельно управляемыми показателями и остальными (p - p 0 ) показателями технологического процесса. В процессе контроля определяются регрессионные остатки, как разности между фактическими (измеренными) значениями показателей в мгновенной выборке, и расчетными значениями, найденными из регрессионной зависимости. Нарушения процесса, связанные с влиянием подмножества из p 0 показателей качества, диагностируются с использованием рассмотренных средств - как правило, многомерных контрольных карт Хотеллинга или экспоненциально взвешенных скользящих средних. При наличии нарушений технологического процесса соответствующие значения статистики оказываются вне контрольной границы, что свидетельствует о необходимости управляющего воздействия именно по этой группе показателей. Предлагаемая методика многомерного статистического контроля показателей качества технологического процесса включает четыре этапа: - предварительный анализ обучающей выборки на стадии отлаженного процесса с целью определения статистических характеристик процесса, выбора средств контроля и определения их параметров; при необходимости на этом этапе строятся регрессионные зависимости между показателями качества и анализируются свойства регрессионных остатков; - мониторинг технологического процесса по оперативным данным (результатам наблюдений) с использованием выбранных статистических инструментов; - диагностика процесса на наличие нарушений: определение вида нарушения и показателей качества, с которыми связано нарушение; информация о состоянии процесса поступает из блока мониторинга; информация об опасных неслучайных структурах, характерных для данного процесса поступает из блока предварительного анализа; в свою очередь из блока диагностики информация об отсутствии нарушений поступает в блок предварительного анализа для периодической корректировки статистических характеристик; - блок поддержки принятия решения: требуется остановка процесса или возможно продолжение работы; информация о наличии или отсутствии нарушений поступает из блока диагностики; из блока предварительного анализа вводятся данные о воспроизводимости процесса и степени опасности неслучайных структур различного вида; для поддержки принятия решения используется аппарат нечеткой логики. Программный комплекс многомерного статистического анализа и контроля предназначен для контроля до десяти показателей качества технологического процесса, в общем случае коррелированных между собой. Результат работы программы сообщение о наличии (или отсутствии) нарушений процесса на базе компьютерного статистического анализа данных по результатам мониторинга процесса и рекомендации по управляющему воздействию на технологический процесс. Результаты измерений вводятся в виде текстового файла данных, интерактивно или в режиме реального времени непосредственно по мере проведения измерений. Принятие решения о статистической управляемости процесса производится на основе компьютерного анализа данных по всем рассмотренным выше типам контрольных карт с учетом наличия на них неслучайных структур и воспроизводимости процесса. В качестве примеров рассмотрено влияние показателей электролиза (катодная плотность тока, концентрация легирующего компонента в электролите, температура и кислотность электролита) на физико-химические и физико-механические свойства (содержание легирующего компонента в сплаве на основе никеля, микротвердость,

272

наводороживание, внутренние напряжения, возникающие в покрытии, паяемость и свариваемость, шероховатость, коррозионная стойкость) при этом обеспечивался как контроль всей совокупности показателей, так и подмножества из первых трех показателей по регрессионным остаткам. Статистические методы анализа точности, стабильности и управления технологическими процессами активно применяются в машиностроении и приборостроении, в химической и пищевой промышленности, в электронике и радиотехнике, - везде, где имеет место серийный выпуск продукции. Методы, регламентированные нормативными документами, предусматривают контроль технологического процесса, как правило, лишь по одному (наиболее важному) показателю качества выпускаемого изделия. Между тем качество изделия обычно характеризуется несколькими показателями; эти показатели могут быть коррелированны между собой. В последнем случае независимый контроль по отдельным показателям может привести к значительным погрешностям вследствие различия доверительных областей и невозможности определения совместного уровня значимости. В результате возникают ошибки, связанные как с пропуском нарушения в технологическом процессе, ведущего к выпуску бракованной продукции, так и с необоснованной остановкой процесса для регулировки. Используется три основных подхода к решению задачи статистического контроля процесса и различные их модификации [1]. Первый, базирующийся на критерии Неймана-Пирсона, представляет собой контрольную карту Шухарта – исторически самый первый метод вероятностной диагностики процесса. Второй подход основан на многократном применении последовательного анализа Вальда и реализован на практике в виде контрольных карт кумулятивных сумм. Наконец, третий подход к обнаружению нарушения процесса базируется на экспоненциальном сглаживании. Обобщение контрольных карт Шухарта для независимой последовательности многомерных случайных векторов предложено Г. Хотеллингом. Сравнительно недавно предложены и различные варианты обобщений для многомерного контроля алгоритмов кумулятивных сумм и экспоненциально взвешенных скользящих средних [2]. Однако целый ряд вопросов, связанных с практической реализацией методов многомерного статистического контроля технологического процесса до настоящего времени не решен. В докладе проводится сравнительный анализ различных статистических инструментов многомерного контроля и предлагается метод оптимизации их выбора в зависимости от особенностей конкретного процесса. При одномерном контроле чаще всего используются двойные карты Шухарта, с помощью которых контролируется две статистических характеристики - изменение среднего уровня процесса и его технологическое рассеивание (характеризующееся размахом, стандартным отклонением или дисперсией). В многомерном контроле соответствующими характеристиками являются вектор средних значений показателей процесса и ковариационная матрица [3]. Непосредственно контроль изменений ковариационной матрицы исключительно громоздок, поэтому, учитывая, что, как правило, коэффициенты корреляции между показателями качества с течением процесса изменяются незначительно, возможен контроль технологического рассеивания по вектору стандартных отклонений. Часто управление технологическим процессом осуществляется таким образом, что управляющее воздействие (регулирование) может быть оказано как на всю совокупность показателей качества, так и отдельно на некоторую группу показателей, являющуюся подмножеством этой совокупности. В этом случае возможно проведение многомерного контроля с использованием регрессионных зависимостей между показателями группы из отдельно управляемых

273

показателей и подмножеством всех остальных показателей: мониторинг процесса осуществляется по регрессионным остаткам. Если остатки в регрессионных зависимостях, полученных для обучающей выборки в период отлаженного технологического процесса, и соответствующие остатки при оперативном контроле процесса обладают одинаковыми статистическими свойствами, то процесс считается статистически управляемым по рассматриваемой группе показателей и не требует вмешательства. Рассматриваемые ниже статистические инструменты предназначены для контроля процесса в условиях многомерной нормальности распределения показателей, что на практике часто нарушается (особенно для вектора стандартных отклонений). В этом случае используется нормализующее преобразование, основанное на применении распределений Джонсона. Применение контрольной карты Хотеллинга предполагает расчет для каждой t-й мгновенной выборки (t = 1, ..., m) статистики T t 2= n(`X t - m 0 )T S-1(`X t - m 0 ), где n – объем мгновенной выборки, `X t – вектор средних в мгновенных выборках, `X t = (`x t1,. ..,`x tp )T, `x tj – среднее значение в t-й мгновенной выборке по j-му показателю (j = 1,..., p); m 0 – вектор целевых средних, m 0 = (m 1,. .., m p )T, S – выборочная оценка ковариационной матрицы S. Граница критической области UCL = T kp 2 определяется в общем случае по формуле T kp 2 = p(m+1)(n-1)/(mn – m – p + 1)F 1-α (p,mn – m – p + 1) Карта Хотеллинга достаточно эффективна для обнаружения значительных смещений среднего уровня процессов, однако небольшие смещения часто ею игнорируются. В модифицированной карте Хотеллинга введем дополнительно предупреждающую границу UWL; область возможных значений контролируемой статистики разбивается при этом на три непересекающихся подмножества: при T t 2 < UWL - область A, в которой процесс статистически управляем, при UWL £ T t 2 < UCL - область W, в которой процесс находится в «переходном» состоянии (в зависимости от того, как определяется положение предупреждающей границы, нахождение нескольких точек в этой области может свидетельствовать о нарушении процесса), и T t 2 ³ UCL область С, в которой происходит нарушение процесса. Расчеты показывают, что такая карта на 10–23% чувствительнее обычной карты Хотеллинга. Для обнаружения малых смещений среднего уровня технологического процесса более эффективны методы, основанные на использовании контрольных карт многомерных кумулятивных сумм и экспоненциально взвешенных скользящих средних. Среди множества алгоритмов, предложенных для построения контрольных карт многомерных кумулятивных сумм, наиболее эффективным, как показали исследования, оказался алгоритм Пигнателло–Рунгера, где рассчитывается вектор кумулятивных сумм D t = å(`X l – m 0 ); l = t – d t + 1, …, t, и статистика MC t = max[0, (D t TS-1D t )1/2 – k MC d t ], где k MC = l / 2 (параметр нецентральности l = [n(m- m 0 ) T S-1 (m - m 0 )]1/2);

274

d t = d t-1 + 1 при MC t-1 > 0, в противном случае d t = 1. Процесс стабилен, если MC t меньше критического значения MC kp . Параметр MC kp , определяющий положение контрольной границы карты, оценивается по результатам статистических испытаний. Контрольная карта многомерных экспоненциально взвешенных скользящих средних. Вначале определяется вектор Z t = (1– k ME )Z t-1 + k ME (`X t –m 0 ), где Z 0 = 0, m 0 – вектор целевых средних, `X t – вектор средних значений в t-й мгновенной выборке, k ME – параметр сглаживания. Далее вычисляется статистика, аналогичная обобщенной статистике Хотеллинга ME t = Z t TS z -1Z t , где S z – ковариационная матрица величин Z t S z = {[ k ME /(2– k ME )] [1– (1– k ME )2t ]}S Процесс статистически управляем, если рассчитанное значение многомерной экспоненциально взвешенной скользящей средней (MEWMA) ME t меньше критического значения ME kp . Экспериментальное исследование эффективности применения предупреждающей границы в контрольной карте экспоненциально взвешенных скользящих средних, выявило существенное повышение чувствительности карты. Выводы 1. Рассмотренные статистические инструменты могут использоваться для контроля векторов средних значений, стандартных отклонений или регрессионных остатков. 2. В качестве показателя степени нарушения процесса рассматривается параметр нецентральности, а показатель чувствительности карты - средняя длина серий: количество мгновенных выборок от момента нарушения технологического процесса до момента обнаружения этого нарушения. 3. Тип наиболее эффективной карты зависит от значения параметра нецентральности и количества контролируемых показателей. При необходимости обнаружения малых смещений процесса, соответствующих в зависимости от р l = 0 … 2,5 наиболее эффективны карты многомерных экспоненциально взвешенных скользящих средних с предупреждающей границей. 4. В диапазоне l = 2,5 … 4,5 эти карты уступают по чувствительности обычным картам многомерных экспоненциально взвешенных скользящих средних. При l > 4,5 некоторое преимущество имеют карты Хотеллинга с предупреждающей границей. Список литературы: 1. Айвазян С.А., Бежаева З.И., Староверов О.В. Классификация многомерных наблюдений. – М.: Статистика, - 1974, - 240 с. 2. Айвазян С.А., Бухштабер В.М., Енюков И.С., Мешалкин Л.Д. Прикладная статистика: Классификация и снижение размерности. – М.: Финансы и статистика, 1989. – 607 с. 3. Кафаров В.В. Проблемы управления химическими процессами. - М.: Знание, 1978. - 64

275

с. 4.Саати Т. Принятие решений. Метод анализа иерархий. - М.: Радио и связь, 1993. 320 с. 5. Хармут Х. Применение методов теории информации в физике. - М.: Мир, 1989. - 344 с. 6. Бусленко Н.П. Математическое моделирование производственных процессов. - М.: Наука, 1964. - 364 с. 7. Кафаров В.В., Глебов М.Е. Математическое моделирование основных процессов химических производств. -М.: Высш. шк., 1991. - 400 с. 8. Аристов И.В. Имитационное моделирование миграционных процессов при электродиализной деминерализации растворов глицин-соляная кислота и аланин-соляная кислота// Сорбционные и хроматографические процессы. 2002. т.2. №2. С.257-264. АНАЛИЗ МАТЕМАТИЧЕСКИХ ПОДХОДОВ К ОПИСАНИЮ ДВИЖЕНИЯ СИЛЬНО РАЗРЯЖЕННЫХ ГАЗОВ Иванов И.А. (Белорусский национальный технический университет, г. Минск, Беларусь) Анализируются основные принципы построения математических моделей расчета сильно разряженных газовых потоков в вакуумных системах базирующихся на численных методах расчета. Расширение областей применения современной вакуумной техники и её усложнение повышают требования к качеству выполнения анализа сложных вакуумных систем на этапе их проектирования. Как показывает практика, применение подходов опирающихся на основные положения механики сплошных сред мало эффективно при анализе потоков сильно разряженных газов. Это связано с тем, что в данном случае нельзя строго ввести понятие градиента физических величин и средних параметров потока, определяемых в единице объёма вакуумной камеры. Фактически параметры движения молекул в камере постоянны и меняются скачком только при столкновении молекулы со стенкой [1]. Современные методы расчета потоков разряженных газов в вакуумных системах условно можно разделить на две группы: аналитические и численные. Аналитические методы базируются на осредненных параметрах состояния разреженного газа. Получаемые данными методами модели вакуумных систем относительно просты и широко используются при проектировании [2]. Однако существующие аналитические методы проверочного и проектировочного расчетов вакуумных систем требуют разработки более эффективных путей учета газовых нагрузок в системе и использование допущений при расчете проводимости сложных элементов вакуумной арматуры. Численные методы расчета во многом лишены этих недостатков, хотя их использование требует учета ряда требований, а именно: выбора адекватного математического аппарата для описания движения сильно разряженного газа и выбора алгоритма расчета, допускающего возможность программной реализации расчетного метода при соблюдении требуемой точности расчетов. Это определяет актуальность разработки универсальных численных методов расчета в области моделирования вакуумных систем. Цель статьи – проанализировать основные принципы построения математических моделей расчета сильно разряженных газовых потоков в вакуумных системах базирующихся на численных методах расчета. При анализе газовых потоков вакуумных систем распределение молекул газа и десорбированных молекул по скоростям подчиняется закону косинуса. Исходное положение, направление и величина вектора скорости отдельной молекулы

276

определяется с помощью статистических процедур. Движение молекул принимают прямолинейным до их столкновения со стенками вакуумной камеры или с другими молекулами потока. Форму поверхности вакуумных элементов задают уравнением (или системой уравнений) второго порядка. Вид уравнения, описывающего поверхность вакуумного элемента, сильно зависит от выбора системы координат и принятых при расчете допущениях. Например, в декартовой системе координат уравнение плоскости, перпендикулярной координатной оси OZ, имеет вид z = K, где K – некоторое число, определяющее координату точки пересечения плоскости с координатной осью. Среди численных методов, которые наиболее широко применяются при анализе вакуумных систем, можно выделить методы, основанные на решении уравнения Больцмана, метод угловых коэффициентов, нашедший широкое применение в инженерных расчетах, и метод Монте-Карло пробной частицы. Кинетическое уравнение Больцмана (было введено Л. Больцманом в 1872 году) – это уравнение, описывающее распределение молекул газа по скоростям v и координатам r, в зависимости от времени t – функция распределения f(v, r, t). Задача, которую решают с помощью данного уравнения – это определение среднего числа частиц со скоростями в интервале от v до v+Δv и координатами в интервале от r до r+Δr. Для случая зависимости параметров потока от одной пространственной переменной (x) и составляющей скорости v(x) уравнение Больцмана запишется в следующем виде. ∂f ∂f F ∂f  ∂f  , +v + =  x ∂t ∂x m ∂v ∂t  столкн  x где m – масса частицы. В левой части уравнения Больцмана первое слагаемое определяет скорость изменения функции распределения от времени. Второе слагаемое учитывает изменение функции f в результате перемещения частиц в пространстве. Третье слагаемое учитывает изменение f в результате действия на частицы газа внешних сил F. Правая часть уравнения Больцмана характеризует скорость изменения функции распределения за счет столкновений частиц. Правая часть зависит от функции f и характера сил взаимодействия между частицами.  ∂f   ∂t

(

)

 = ∫∫ f ′ ⋅ f ′ − f ⋅ f ⋅ v − v ⋅ dσ ⋅ dv ,  1 1 1 1  стлокн

где f/, f 1 / и f, f 1 – функции распределения молекул до и после столкновения, соответственно; v, v 1 – скорости молекул до и после столкновения, соответственно; dσ – эффективное сечение рассеяния молекул. Данный метод является одним из наиболее строгих и общих подходов к анализу течений сильно разряженных газов в вакуумных системах и может применяться при анализе газовых потоков в молекулярном, вязкостном и переходном режимах. Метод Монте-Карло (ММК) пробной частицы или метод статистических испытаний (предложен в 1949 году американскими математиками Н.Метрополисом и С.Уаламом) является методом численного решения задачи движения частиц путем моделирования некоторой характерной случайной функции. Метод применим только для анализа свободно молекулярного течения газов (Kn > 3…5). В этих условиях движение отдельных молекул газа подчинено законам статистической физики и носит 277

случайный характер. Поэтому данный метод полностью адекватен физической природе молекулярного переноса и дает удовлетворительные результаты. При расчете вакуумных систем ММК реализуют путем моделирования движения отдельных молекул в свободно молекулярных условиях течения газа с последующей статистической оценкой результатов этого моделирования. Движение каждой молекулы задают в форме уравнения прямой линии. Начальное распределение частиц (направление линии и величина скорости движения) задается случайным образом. Нахождение точки пересечения траектории движения молекулы газа с поверхностью вакуумного элемента достигается совместным решением уравнения поверхности этого элемента и уравнения прямой. Для найденной таким образом точки пересечения снова определяют случайное направление вылета. Так как молекулы не сталкиваются друг с другом, то они запускаются в систему по очереди. Вероятность P(1→2) прохождения молекулой вакуумного элемента от входного сечения 1 до выходного сечения 2 находится как среднее арифметическое значение случайной величины X при достаточно большом числе расчетов траекторий движения молекул N: 1 N P(1 → 2 ) = × ∑ X i , N i =1 где X i – значение случайной величины X для i-ого испытания. Тогда поток газа Q, проходящий через вакуумный элемент, определится следующим образом: Q = Q0 × P(1 → 2 ) , где Q 0 – поток газа, входящий в вакуумный элемент через входное сечение 1. Основным недостатком метода является необходимость проведения большого числа расчетов траекторий движения молекул. Например, при P(1→2) = 0,5 для достижения относительной погрешности расчетов 10% с доверительной вероятностью вывода 0,95, требуется не менее 2000 расчетов траекторий движения молекул [2]. Различные вариации ММК связаны с заданием условий взаимодействия молекулы со стенками вакуумного элемента, друг с другом или с частицами дополнительного потока, например – плазменного, вводимого в вакуумную систему. В последнее время метод получил широкое использование для анализа вакуумно-плазменных методов формирования покрытий различного функционального назначения [3, 4]. Метод угловых коэффициентов базируется на аналогии между основными закономерностями течения газа в системах с диффузно отражающими стенками и лучистого теплообмена в замкнутых средах. Вакуумную систему разбивают на ряд однородных поверхностей, имеющих по всей площади постоянные значения коэффициентов отражения ρ и поглощения γ. Угловое распределение молекул на входе в вакуумную систему (или её элемент) считают подчиняющимся закону косинуса. Тогда площадку dF i покидает поток молекул:

Qρi = Qgi + ρ × Qi+ , где Q gi - поток десорбции с поверхности dF i , Q i + - поток молекул, падающих на площадку dF i . Если таких поверхностей N, то со всех N-1 поверхностей на i-ую поверхность падает поток:

Qi+ =

∑ϕ

k =1, k ≠ i

278

× Qρk .

Величина φ ki оценивает вероятность попадания молекулы с поверхности dF k на поверхность dF i и называется дифференциальным угловым коэффициентом: dϕ ki =

cos(ψ ki ) × cos(ψ ik ) × dFi , π × r2

где r – радиус-вектор, соединяющий центры k-ой и i-ой площадок; ψ ki угол между нормалью к площадке dF k и радиус-вектором r; ψ ik - угол между нормалью к площадке dF i и радиус-вектором r. Достоинством угловых коэффициентов является то, что их величины определяются только геометрическими размерами системы. В настоящее время значения угловых коэффициентов рассчитаны для большинства форм поверхностей встречающихся в вакуумной технике, что делает данный метод незаменимым инструментом инженерных расчетов [2, 3]. При анализе геометрически сложных вакуумных систем методом угловых коэффициентов часто возникает необходимость уменьшения уровня детализации структуры при сохранении требуемой точности расчета. Для этой цели разработан метод эквивалентных поверхностей, примеры использования которого приведены в [3]. Метод позволяет замещать реальные компоненты вакуумной системы некоторыми эквивалентами простейшей формы, имеющими интегральные характеристики, отражающие газокинетические свойства анализируемого компонента. В качестве эквивалентов используют плоские поверхности, являющиеся граничными сечениями заменяемых элементов. Это не влечет существенного снижения достоверности полученных результатов, при анализе интегральных характеристик системы. В случае расчета распределенных дифференциальных характеристик применение данного метода нежелательно, так как эквивалентная поверхность отражает лишь интегральные характеристики замещенного элемента, а ее дифференциальные параметры принимаются так же, как у всех простых поверхностей, составляющих систему. Проведенный анализ основных принципов построения математических моделей расчета сильно разряженных газовых потоков в вакуумных системах базирующихся на численных методах расчета позволяет сделать следующие выводы. Численные алгоритмы рассмотренных методов полностью адекватны физической природе молекулярного переноса. Они учитывают, что движение отдельных молекул газа подчинено законам статистической физики и носит случайный характер. Кроме того, исходное положение, направление и величина вектора скорости отдельной молекулы определяется с помощью статистических процедур. Учет и накопление параметров потока ведется по каждой частице, и после окончания запуска всех частиц проводится анализ и статистическая оценка накопленных данных. При анализе геометрически сложных вакуумных систем разработан метод эквивалентных поверхностей, который позволяет замещать реальные элементы вакуумной системы некоторыми эквивалентами простейшей формы, имеющими интегральные газокинетические характеристики анализируемого вакуумного элемента. Список литературы: 1. Bird G.A. Molecular gas dynamics and the direct simulation of gas flows.- New York: Claredon Press, 1994.- 296 р. 2. Розанов Л.Н. Вакуумная техника.- М: Высшая школа, 2007.- 316 с. 3. Нестеров С.Б., Васильев Ю.К., Андросов А.В. Методы расчета вакуумных систем.- М: Изд-во МЭИ, 2004.- 219 с. 4. Groves J.F. Direct vapour deposition. Dissertation for the D.P. degree.- University of Virginia, 1998.- 350 p.

279

ОПРЕДЕЛЕНИЕ СРЕДНЕЙ ТЕМПЕРАТУРЫ НА КОТАКТНЫХ ПОВЕРХНОСТЯХ ДЕТАЛИ ПРИ ТОЧЕНИИ Ивченко Т.Г., Губин Т.И., Матушкина Е.И. (ДонНТУ, г. Донецк, Украина) The developed method of analytical determination of the cutting tools temperature allows taking into account the simultaneous action of the warmth sources on the front and back surfaces of the tool blade. The improvement of cutting tools effective exploitation is made by substantiation of optimal cutting conditions. Тепловые процессы в зоне резания оказывают существенное влияние на формирование поверхностного слоя деталей в процессе их механической обработки, в связи с чем исследования теплового состояния деталей весьма актуальны. Современные методы исследования тепловых явлений при резании достаточно хорошо разработаны. Основы теории теплового анализа [1] нашли свое развитие, прежде всего, для исследования теплового состояния режущего инструмента. Изучению источников теплоты и основных закономерностей формирования тепловых потоков на передней и задней поверхностях лезвия инструмента посвящены работы [2, 3]. Методика аналитического расчета температур резания в различных условиях обработки представлена в работе [4]. Однако, в этих работах отсутствует информация об определении температур в детали. Представляет интерес дальнейшее развитие методики определения тепловых потоков в зоне резания и температур применительно к обрабатываемой детали. Целью представленной работы является установление закономерностей формирования тепловых потоков в детали и определение средней температуры на ее контактных поверхностях. Источниками теплоты в зоне резания [1], представленными на рис.1, являются: - теплота деформации в зоне стружкообразования на плоскости сдвига – источник Jд с равномерным распределением плотности тепловыделения q д и равномерным распределением плотности тепловых потоков в стружку q дс и деталь q дд : q д = q дд + q дс ; - теплота трения на площадке контакта между стружкой и передней поверхностью лезвия инструмента – источник J1 с комбинированным распределением плотности тепловыделения q ТП ; - теплота трения между задней поверхностью лезвия инструмента и деталью – источник J 2 с нормальным нессиметричным распределением плотности тепловыделения q ТЗ . Ось X в рассматриваемой системе координат ориентируется в направлении передней поверхности; l - длина Рис. 1. Схема расположения источников контактной площадки в направления теплоты и распределения тепловых схода стружки; h - износ по задней потоков в зоне резания при точении поверхности; а - толщина среза; а 1 – толщина стружки; Φ- угол сдвига.

280

Для определения средней температуры контактной поверхности детали и задней поверхности лезвия инструмента необходимо выполнить анализ теплового состояния всех элементов системы резания – инструмента, стружки и детали. Плотности тепловых потоков на передней q 1 и задней q 2 поверхностях лезвия инструмента, равномерно распределенные по площадкам bxl и bxh (b – ширина среза), определяются из системы уравнений [2, 3]: q2 h  q1l  λ M 1 + λ N 2 = K1qд + 1,4 K 2 kl h (qТП − 1,3q1 )  и и ;  q h q l 2 1  M2 + N1 = K1qдTд + K 2 (qTЗ − 1,82q 2 )  λи λи

(1)

K1 = (1 + c )ω д kb ′ λдV ; K 2= 0,1 ω д h λд V , где λ д , λ и , ω д , ω и – коэффициенты теплопроводности и температуропроводности материалов детали и инструмента соответственно; M 1 , M 2 , N 1 , N 2 - безразмерные функции, определяющие нагрев площадок на передней и задней поверхностях лезвия инструмента; k - коэффициент усадки стружки; V - скорость резания; с - коэффициент, учитывающий подогрев слоев металла стружки за один оборот детали; Т д – безразмерная функция распределения температур в детали, вызванных теплотой деформации; b' - коэффициент относительного количества теплоты, уходящего в стружку. В результате решения системы уравнений (1) установлены аналитические выражения плотностей тепловых потоков на передней q 1 и задней q 2 поверхностях лезвия инструмента в зависимости от основных параметров процесса резания:

q1 = −

(K1Tu N 2 h + K 2 qTЗ N 2 h − 1,82 K1K 3λu − M 2 K 3 h ) ; (1,82 K 2 K 4 λu + M 2 K 4 h − N1 N 2lh λu )

K 3 = K1 + 1,42 K 2 qTП kl h ;

q2 =

(K 3 − K 4 q1 ) N 2h

;

(2)

K 4 = 1,85 K 2 kl h + N1l λu .

Безразмерные функции, определяющие нагрев контактных площадок: М 1,2 = (4,88+2,64η 1,2 0,5lg η 1,2 )β-0,85; N 1,2 = (0,04+0,02 η 1,2 0,6lg η 1,2 )В 1,2 (h/l), где η - безразмерная ширина среза: η 1 = b/l, η 2 = b/h (η 1,2 >1); β = 90° - γ - α - угол заострения; b = t/sinφ - ширина среза; t - глубина резания, φ - главный угол в плане; В 1,2 (h/l) - специальные функции: В 1 (h/l) = 2,85 - 0,9(h/l), В 2 (l/ h) = 2(l/ h)0,54 при β = 90° [3]. Коэффициент, учитывающий подогрев металла стружки за один оборот детали: с = 0,23exp[-40(0,15- φ 0 )2, (0,001< φ 0 <0,15); с = 0,23exp[-3,5(0,15- φ 0 )2, (0,15< φ 0 <2), где φ 0 - безразмерный критерий: φ 0 = 4,17∙10-9na2/ω д ; n – частота вращения. Безразмерная функция распределения температур в детали, вызванных теплотой деформации:

281

Tд = 1 + l 2 tgΦ 2a − l 2 tgΦ 2a , Φ = arcsin cos γ 

k 2 − 2k sin γ + 1  . 

Коэффициент относительного количества теплоты, уходящего в стружку:

(

)

b' = 1 1 + 1,5k

Peo ,

где Ре о - безразмерный критерий Пекле: Ре о = 103Va/60 ω д sinΦ. Плотности тепловых потоков от сил трения на площадках контакта между стружкой и передней поверхностью лезвия инструмента q 1Т , между задней поверхностью лезвия инструмента и деталью q 2Т , а также в зоне деформации q д равны: qTП = 10 6 V (PZ 0 sin γ + PN 0 cos γ ) 60kbl ; qTЗ = 10 6 3FV 6 π bh ;

qд = 10 6 VsinΦ[PZ 0 (k − sinγ ) − PN 0 cosγ ] 60abk ; qTП bl + qTЗ bh + qд abk = Q , где P Z0 = P z – F тр - разность тангенциальной силы резания и силы трения по задней поверхности лезвия; P N0 = P y – N - разность нормальной составляющей силы резания и нормальной силы на задней поверхности лезвия. Средняя температура контактной поверхности детали и задней поверхности лезвия инструмента может быть определена следующим образом [1]:

(

)

Θ д = (1 + c )Θ D Tu + 0.1 ω д h λд V (q 2T − 1.82q 2 ) ,

(3)

где Θ D – температура деформации: Θ D = 60ωkb ′qд / λдV . Выполнен расчет средней температуры контактной поверхности детали для следующих условий: обрабатываемый материал - сталь 45; в = 750МПа; коэффициент усадки k = 2,0; инструментальный материал Т15К6; параметры резцов: углы в плане ϕ = ϕ 1 = 45°; передний угол γ =-7°; задний угол α = 7°; угол заострения β = 90°; износ по задней поверхности h = 0,5 мм. Согласно представленной методике, Θ д =196оС. Таким образом, разработанная методика, а также созданное программное обеспечение расчетов, позволяют определять тепловые потоки в зоне резания и средние температуры контактной поверхности детали. Заключение. В представленной работе на основании анализа тепловых потоков в зоне резания установлены закономерности формирования тепловых потоков в детали, а также разработана методика определения средней температуры на контактных поверхностях детали. Методика может найти широкое применение для определения средних температур детали при любых видах механической обработки. Список литературы: 1. Резников А.Н., Резников Л.А. Тепловые процессы в технологических системах. - М.: Машиностроение, 1990. –288с. 2. Ивченко Т.Г. Исследование закономерностей формирования тепловых потоков зоне резания при точении // Надійність інструменту та оптимізація технологічних систем. Збірник наукових праць. Вип.20. – Краматорськ: ДДМА, 2006.- С.78-84. 3. Ивченко Т.Г. Влияние условий обработки на закономерности формирования тепловых потоков в зоне резания при точении // Наукові праці Донецького національного технічного

282

університету. Серія: Машинобудування і машинознавство. Випуск 5. - Донецьк, ДонНТУ, 2008.- С.23-29. 4. Ивченко Т.Г. Исследование общих закономерностей изменения температуры резания в различных условиях обработки// Прогрессивные технологии и системы машиностроения:– Донецк: ДонНТУ, 2009. Вып. 37. – С.84 – 89. ИССЛЕДОВАНИЕ ГАРМОНИЧЕСКОГО СОСТАВА ЭДС РЕЗАНИЯ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ИЗНОСА РЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА Ивченко Т.Г., Смирнова М.А., Матвиенко А.В. (ДонНТУ, г. Донецк, Украина) The method of determination of instantaneous values of signal with any harmonic composition based on decomposition in the row of Fur'e is presented. Using the indicated method the estimation of harmonic composition and no sinusoidal coefficient for signal at measuring of the cutting process parameters is executed. В настоящее время возможности изучения параметров процесса резания существенно расширяются с использованием современных измерительных комплексов с аналогово-цифровыми преобразователями, в связи с чем возникает необходимость совершенствования методического обеспечения как экспериментальных, так и теоретических исследований. Математический аппарат анализа сигналов весьма обширен и широко применяется на практике. В работе [1] на основании корреляционного и спектрального анализа решаются задачи исследования влияния электродвижущей силы - ЭДС резания на шероховатость обработанной поверхности. В работах [2, 3] предлагается способ определения гармонического состава сигналов (токов и напряжений), возникающих при измерении сил и температур резания в установившихся и переходных режимах. В результате выполненных исследований обоснована возможность расширения области применения известной в электрических системах методики определения гармонического состава фазных токов и напряжений [4]. Однако, в представленных методиках обработки сигналов, возникающих при измерении ЭДС, сил и температур резания, недостаточное внимание уделяется возможности сравнительного анализа их гармонического состава в зависимости от условий механообработки. Целью работы является совершенствование методики определения гармонического состава ЭДС резания и исследование закономерностей ее изменения в зависимости от износа режущего инструмента. Основной параметр процесса резания, исследуемый в работе – ЭДС, представляемая в виде осциллограмм, полученных при измерениях на токарном станке с ЧПУ 16К20Ф3 с помощью тензометрического усилителя ТА-5, тензометрических датчиков и аналогово-цифрового преобразователя модели ADC-16 ( PicoLog Ltd. Company). Условия проведения экспериментов: обрабатываемый материал - сталь 45; инструментальный материал Т5К10; диаметр обработки d = 45мм; режимы обработки: глубина резания t = 1мм; подача s = 0.4мм/об; скорость резания v = 80м/мин, частота вращения n = 200с-1. Измерения износа осуществлялось с помощью лупы к прессу Бринелля. Для каждого из зарегистрированных значений износов снимались осциллограммы Е экпс , представленные на рис. 1. Исходная величина ЭДС представляется в виде ряда Фурье:

283

∞

i (t ) = Ao + ∑ I mk cos(kωt − ϕ k ) = Ao + ∑ Bk sin kωt + ∑ C k cos kωt , k =1

k =1

(1)

k =1

где A 0 - постоянная составляющая, B k и C k - коэффициенты, определяемые как средние значения n дискретно выделенных величин на интервале: Ao =

2 T T 2 T /2 1 T /2 1 n ; B i (t ) sin( kωt )dt ≈ i ( s ) sin( ks ) ; ≈ i t dt i t ( ) ( ) = ∑ ∫ ∫ k s n n n T −T / 2 T −T / 2 n s =1

Ck =

2 T T 2 T /2 i (t ) cos(kωt )dt ≈ i ( s ) cos(ks ) . ∫ n n n T −T / 2

I mk ,ϕ k - амплитудное значение и начальная фаза ЭДС k-й гармоники:

I mk = Bk 2 + C k 2 ; ϕ k = arctg ( Bk / Ck ) .

Гармонический состав исходных осциллограмм по результатам разложения в ряд Фурье - Е теор также представлен на рис.1. В соответствии с указанной методикой разработана программа, позволяющая разложить исходную кривую ЭДС в ряд Фурье с различным количеством гармоник. Сравнение ЭДС исходных с осциллограмм Е экспi результатами теоретических расчетов Е теорi свидетельствует о достаточно хорошем совпадении (погрешность не превышает 10%), что подтверждает адекватность расчетов и эксперимента и возможность использования предложенной методики расчета на практике. Для анализа структуры гармонического ряда используется коэффициент несинусоидальности КН, определяемый как отношение значения ЭДС k-й гармоники Ik к действующему значению ЭДС - I HOM : К Н = Рис.1. Исходные осциллограммы ЭДС - Еэксп и 100I k /I HOM . Для сравнительного их гармонический состав по результатам разложения анализа структуры в ряд Фурье – Етеор для различных износов гармонического ряда в инструмента настоящей работе предлагается ввести относительный коэффициент несинусоидальности К о , представляющий собой отношение оцениваемого коэффициента несинусоидальности

284

К Н к коэффициенту, принятому за базу для сравнения К Нбаз : К о = К Н /К Нбаз . В качестве базы для сравнения принимается вариант обработки при h 0 = 0,05мм: Графики относительных коэффициентов несинусоидальности для различных износов инструмента приведены на рис. 2. Графики свидетельствуют о том, что по мере износа инструмента в структуре гармонического ряда выделяется группа гармоник, значительно превышающая остальные, причем с повышением износа диапазон выделяющихся гармоник сужается. Для наибольшего из исследованных значений износа h 5 = 0,5мм установлено, что для 13 гармоники значение относительного коэффициента несинусоидальности К о3 существенно превышает остальные, то есть степень влияния этой гармоники на результирующий сигнал весьма значительна и отражает характерные изменения, связанные с особенностями сравниваемых вариантов. Заключение. Таким образом, на основании предложенного относительного коэффициента несинусоидальности К о может быть осуществлен сравнительный Рис. 2. Графики относительных коэффициентов несинусоидальности для анализ структуры гармонического ряда параметров процесса резания при различных износов различных условиях обработки. Предложенная методика может найти широкое применение для исследования и математического описания сигналов, полученных с помощью натурных осциллограмм при измерении параметров процесса резания в различных условиях обработки, а также моделирования и управления процессами механообработки в целом. Список литературы: 1. Матвиенко А.В., Феник Л.Н. К вопросу о влиянии ЭДС резания на шероховатость обработанной поверхности // Прогрессивные технологии и системы машиностроения. - Донецк: ДонНТУ, 2006. - Вып. 32. - С.74-77. 2. Смирнова М.А., Матвиенко А.В., Ивченко Т.Г. Применение методики определения гармонического состава сигналов при анализе параметров процесса резания // Надійність інструменту та оптимізація технологічних систем. Вип.21. – Краматорськ: ДДМА, 2007.- С.312-318. 3. Смирнова М.А. Определение гармонического состава токов и напряжений при измерении сил резания в механообработке // Наукові праці Донецького національного технічного університету. Серія: Машинобудування і машинознавство. Випуск 4 (124) - Донецьк, ДонНТУ, 2007.- С.49-55. 4. Смирнова М.А. Методика определения гармонического состава и симметричных составляющих токов и напряжений в переходных режимах электромеханических систем // Практика и перспективы развития партнерства в сфере высшей школы. - Донецк: ДонНТУ. Том 3. 2007. – С.320 - 329.

285

СОДЕРЖАНИЕ Авдейчик О.В., Березун О.А., Струк А.В. ИНФРАСТРУКТУРА РЕГИОНАЛЬНЫХ ИННОВАЦИОННЫХ КЛАСТЕРОВ……. 6 Авдюшина А. Е., Звягинцева А.В. СИСТЕМА ОБЕСПЕЧЕНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ ТЕПЛОВЫХ ЭНЕРГОУСТАНОВОК…………………………………………………………………… 21 Азаров В.Н., Бессараб О.И ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ СКОРОСТИ ОСЕДАНИЯ МЕЛКОДИСПЕРСНОЙ ПЫЛИ ДЛЯ ПРЕДПРИЯТИЙ МАШИНОСТРОЕНИЯ И СТРОЙИНДУСТРИИ……………………………………………………………………. 27 Азаров В.Н., Есина Е.Ю., Азаров А.В. ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДА «РАССЕЧЕНИЯ» ПРИ АНАЛИЗЕ ДИСПЕРСНОГО СОСТАВА ПЫЛИ В ВОЗДУХЕ РАБОЧЕЙ ЗОНЫ ПРЕДПРИЯТИЙ СТРОЙИНДУСТРИИ И МАШИНОСТРОЕНИЯ………………………………………. 30 Акашев З.Т. АННОТАЦИЯ К ПЕРИОДИЧЕСКОЙ СИСТЕМЕ ЭЛЕМЕНТОВ И МЕТОДОЛОГИЯ ПОВЫШЕНИЯ КАЧЕСТВА ХИМИЧЕСКИХ СПЛАВОВ.............. 33 Акашев З.Т., Данияров Н.А. ПРОБЛЕМА ОБЪЕДИНЕНИЯ ФИЗИКИ ГЛАЗАМИ ГЕОМЕХАНИКА…………….. 37 Акашев З.Т., Акашев А.З., Акашев Е.А. ВЛИЯНИЕ ГЛОБАЛЬНЫХ ВЗРЫВНЫХ ВОЛН В СФЕРАХ ЗЕМЛИ НА РАЗВИТИЕ МИРОВОЙ ЦИВИЛИЗАЦИИ…………………………………………….. 41 Алимов М.А., Думанский А.М СТРУКТУРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ВЯЗКОУПРУГИХ СВОЙСТВ ОДНОНАПРАВЛЕННОГО КОМПОЗИТА…………………………………………….. 46 Анисович А.Г., Румянцева И.Н., Бевза В.Ф., Ажаронок В.В. ИЗМЕНЕНИЕ СТРУКТУРЫ КАРБИДНЫХ ФАЗ ЖЕЛЕЗО-УГЛЕРОДИСТЫХ СПЛАВОВ В ИМПУЛЬСНОМ МАГНИТНОМ ПОЛЕ………………………………… 50 Архипов В.Е., Москвитин Г.В., Петрова И.М., Поляков А.Н. СВОЙСТВА ИЗНОСОСТОЙКИХ ПОКРЫТИЙ, ПОЛУЧЕННЫХ МЕТОДОМ ГАЗОТРАНСПОРТНОГО СВС…………………………………………………………… 54 Асадаускас С., Стончюс А., Мороз Є.О., Григуцявiчєнє А., Бражiнскiєнє Д. ПОРІВНЯННЯ ЛЕТЮЧОСТІ МАСТИЛ ВIДНОВЛЮВАЛЬНОГО ПОХОДЖЕННЯ ЗА ДОПОМОГОЮ МЕТОДА ТОНКОГО ШАРУ……………………………………… 58 Базров Б.М. К СОЗДАНИЮ ЕДИНОГО БАНКА ДАННЫХ СРЕДСТВ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ МЕХАНОСБОРОЧНОГО ПРОИЗВОДСТВА……………………… 62

286

Байков А.В., Чернышев Е.А., Михайлов А.Н., Феник Л.Н. ВЛИЯНИЕ КОНСТРУКЦИИ РАБОЧЕЙ ПОВЕРХНОСТИ ТОРЦОВЫХ ШЛИФОВАЛЬНЫХ КРУГОВ НА ПОКАЗАТЕЛИ ОБРАБОТКИ КРУПНОГАБАРИТНЫХ ДЕТАЛЕЙ……………………………………………………. 64 Бакулин В.Н., Мартыненко С.И. ПУТИ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ПРОГРАММНЫХ ПРОДУКТОВ ДЛЯ РАСЧЕТОВ ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ……………………………………………….. 68 Бакулин В.Н., Инфлянскас В.В. МОДЕЛИРОВАНИЕ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ТРЕХСЛОЙНЫХ ОБОЛОЧЕК ВРАЩЕНИЯ ПРИ ДЕЙСТВИИ ЛОКАЛЬНОЙ НАГРУЗКИ……………………………………………………………………………….. 72 Бакулин В.Н.,Колесников Г.Н. МОДЕЛЬ РАСТЯЖИМОГО ТРОСА С РАСПРЕДЕЛЕННОЙ МАССОЙ ПРИ ВЫСОКОСКОРОСТНОМ ВОЗДЕЙСТВИИ КАК СИСТЕМА С ВЫКЛЮЧАЮЩИМИСЯ СВЯЗЯМИ…………………………………………………… 75 Бакулин В.Н., Борзых С.В., Анфалов А.С. ДИНАМИКА ОТДЕЛЕНИЯ И БЕЗОПАСНОГО УВОДА КОРАБЛЕЙСПАСАТЕЛЕЙ ОТ МЕЖДУНАРОДНОЙ КОСМИЧЕСКОЙ СТАНЦИИ…………… 78 Бахадиров Г.А., Ризаев А.А., Аманов Т.Ю., Абдукаримов А. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ДИНАМИКИ ВАЛКОВОЙ ПАРЫ……………….. 82 Белоус А.И., Овчинников В.И., Реут О.П., Петлицкая Т.В., Дорошкевич Е.А., Петлицкий А.Н. ВЛИЯНИЕ ФАКТОРОВ ВЫСОКОСКОРОСТНОГО СОУДАРЕНИЯ ПОТОКОВ ЧАСТИЦ НА ИЗМЕНЕНИЕ СВОЙСТВ МАТЕРИАЛОВ И ДЕГРАДАЦИЮ ЭЛЕМЕНТОВ МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ……………………………………………….. 86 Берлинер Э.М., Таратынов О.В. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА СБОРКИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ САПР………. 90 Бетеня Г.Ф., Анискович Г.И., Голубев В.С., Давидович А.Н. СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ И УПРОЧНЕНИЯ БЫСТРОИЗНАШИВАЮЩИХСЯ ДЕТАЛЕЙ РАБОЧИХ ОРГАНОВ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ МАШИН………………………………………………. 94 Бокота А, Пекарска В. ЧИСЛЕННЫЙ АНАЛИЗ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ В СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЯХ ПРИ ЛАЗЕРНОЙ СВАРКЕ С ПОДОГРЕВОМ…………………….. 98 Болдар Л.Н. ЯКІСТЬ СІЛЬСЬКОГОСПОДАРСЬКОЇ ПРОДУКЦІЇ І РЕСУРС СКЛАДНОЇ СІЛЬСЬКОГОСПОДАРСЬКОЇ ТЕХНІКИ……………………………………………… 102 Болдырева О.Н., Звягинцева А.В., Федянин В.И.

287

ДИНАМИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ОЦЕНКИ НАДЕЖНОСТИ МЕТАЛЛОКОНСТРУКЦИЙ…………………………………………………………….. 105 Броварный Д.П. ПЛАНИРОВАНИЕ ПРОВЕДЕНИЯ ДОРОЖНЫХ РАБОТ ПУТЕМ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧИ О "РАНЦЕ"…………………………………………………………………….. 108 Булахтин К.В., Самсонов Ю.П. РЕЖИМЫ РАБОТЫ РОТОРА ТУРБОАГРЕГАТА ПРИ ЕГО ВНЕЗАПНОЙ РАЗБАЛАНСИРОВКИ…………………………………………………... 109 Буленков Е. А., Михайлов А. Н. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МАРШРУТИЗАЦИИ ИЗДЕЛИЙ ДЛЯ УМЕНЬШЕНИЯ КОНСТРУКТИВНОЙ СЛОЖНОСТИ МНОГОНОМЕНКЛАТУРНЫХ РОТОРНЫХ МАШИН……………………………………………………………………. 110 Буленков Е. А., Михайлов А. Н. САМОСТОЯТЕЛЬНАЯ РАБОТА СТУДЕНТОВ ВО ВРЕМЯ АУДИТОРНЫХ ЗАНЯТИЙ………………………………………………………………………………… 111 Бутенко В.И. НАНОТРИБОЛОГИЯ, ЕЕ МЕСТО В НАУКЕ И ТЕХНИКЕ…………………………. 112 Вагапов И.К., Ганиев М.М., Шестаков С.Д. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ УДАРНОЙ ОБРАБОТКИ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ КОРРОЗИОННОЙ СТОЙКОСТИ СТАЛИ…………………………… 115 Войнаровски Юзеф 300- ЛЕТИЕ СО ДНЯ РОЖДЕНИЯ ЛЕОНАРДА ЭЙЛЕРА И ЕГО ДОСТИЖЕНИЯ В ОБЛАСТИ МЕХАНИКИ………………………………………………………………. 118 Волочко А.Т., Изобелло А.Ю., Макарова Ж.Е. ДИСПЕРГИРОВАНИЕ СТРУКТУРЫ СИЛУМИНА ДИСПЕРСНЫМИ ЧАСТИЦАМИ И АТОМАРНЫМ АЗОТОМ…………………………………………… 120 Волчкевич Л.И. УЧИТЬ, НЕВЗИРАЯ НА КРИЗИС………………………………………………………. 122 Микулаш Гайдук, Ян Сэмйон, Владимир Балаж, Марек Вагаш ПРОЕКТИРОВАНИЕ АВТОМАТИЧЕСКОГО УСТРОЙСТВА ДЛЯ ВЫРЕЗЫВАНИЯ РЕЗЬБЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ КОНТАКТОВ………………………. 124 Гадаборшева Т.Б., Кораблина Ю.В. УЛУЧШЕНИЕ СОСТОЯНИЯ ВОЗДУХА РАБОЧЕЙ ЗОНЫ ГАЛЬВАНИЧЕСКИХ ЦЕХОВ ПУТЕМ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ МЕСТНОЙ ВЫТЯЖНОЙ ВЕНТИЛЯЦИИ…………………………………………………………………………… 127 Гарост А.И., Романова Н.В. РЕШЕНИЕ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ПРОБЛЕМ ТЕХНОСФЕРЫ ПРИ СОЗДАНИИ НЕТРАДИЦИОННОЙ ТЕХНОЛОГИИ ПЕРЕРАБОТКИ ИЗДЕЛИЙ ИЗ

288

ВЫСОКОПОЛИМЕРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ…………………………………………… 129 Геча В. Я., Голубева Т. Н. Хроматов В. Е. КОЛЕБАНИЕ ЭЛЕКТРОПРОВОДЯЩЕЙ ПЛАСТИНЫ В МАГНИТНОМ ПОЛЕ….. 134 Гинявичюс Р., Гинявичене В.-Б. ОЦЕНКА КАЧЕСТВА ПОДГОТОВКИ МАГИСТРАНТОВ…………………………... 139 Горбатых В. П., Иванов С.О. , Банник Ю.А. НАДЕЖНОСТЬ МЕТАЛЛА. ДЕТЕРМИНИРОВАННЫЙ ПОДХОД………………… 143 Гордєєв О.Ф., Полінкевич Р.М., Томчук В.М ЗАГАЛЬНИЙ ПІДХІД ТА ВИБІР ПОЧАТКОВИХ ПАРАМЕТРІВ ШПИНДЕЛЬНИХ ОПОР ДЛЯ БАГАТОКРИТЕРІАЛЬНОЇ ОЦІНКИ ЕКСПЛУАТАЦІЙНИХ ВЛАСТИВОСТЕЙ…………………………………………….. 148 Горецкий Г.П., Александров В.В., Алёшин Н.А. СОЗДАНИЕ ЛИТЕЙНО-ДЕФОРМАЦИОННОЙ ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КРУПНОГАБАРИТНЫХ ИЗДЕЛИЙ ОТВЕТСТВЕННОГО НАЗНАЧЕНИЯ………. 152 Горобец И.А., Голубов Н.В., Калашников В.И., Лапаева И.В КОНЦЕПЦИЯ УРОВНЕВОГО ОБРАЗОВАНИЯ НА БАЗЕ CALS – ТЕХНОЛОГИЙ……………………………………………………………………………. 155 Гулиев А.Ф., Гамбарова Г.М. ВНУТРЕННЕЕ ШЛИФОВАНИЕ ВОССТАНОВЛЕННЫХ ДЕТАЛЕЙ НЕФТЕПРОМЫСЛОВОГО ОБОРУДОВАНИЯ……………………………………….. 160 Гуменюк Л.О., Лотиш В.В СИСТЕМА УПРАВЛІННЯ ТУНЕЛЬНОЮ ПІЧЧЮ ДЛЯ ВИПАЛУ ЦЕГЛИ НА БАЗІ SWITCH ТЕХНОЛОГІЇ…………………………………………………………….. 164 Гусев Е.Л. МЕТОДЫ ЧИСЛЕННОГО РАСЧЕТА И ОПТИМАЛЬНОГО СИНТЕЗА СЛОИСТО-НЕОДНОРОДНЫХ КОМПОЗИЦИЙ ДЛЯ ТРУБОПРОВОДНЫХ СИСТЕМ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ ЭКСТРЕМАЛЬНЫХ ФАКТОРОВ ВНЕШНЕЙ СРЕДЫ……………………………………………………………………………………. 168 Гусев Е.Л. ЗАДАЧИ ЭКРАНИРОВАНИЯ СЕЙСМИЧЕСКИХ ВОЛН СЛОИСТОНЕОДНОРОДНЫМИ СТРУКТУРАМИ И МЕТОДЫ ИХ РЕШЕНИЯ……………….. 172 Гусев Е.Л. , Вольпян О.Д. МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРЕДЕЛЬНЫХ ВОЗМОЖНОСТЕЙ СЛОИСТОНЕОДНОРОДНЫХ КОМПОЗИЦИЙ, ОСНОВАННЫЕ НА ПРОДОЛЖЕНИИ РЕШЕНИЯ ПО ПАРАМЕТРУ…………………………………………………………… 175 Гусейнов С.С., Мустафаев С.М., Мамедов А.Т., Гулиев А.А. РАЗРАБОТКА ПОРОШКОВОГО Fe-B СПЛАВА……………………………………… 181

289

Данилова В.А., Мороз О.К. ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА ОВЛАДЕНИЕ ИНОСТРАННЫМ ЯЗЫКОМ СТУДЕНТАМИ НЕЯЗЫКОВЫХ ВУЗОВ И ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ МОТИВАЦИЯ... 188 Девойно О.Г., Кардаполова М.А., Комаров А.И., Яцкевич О.К. РЕНТГЕНОСТРУКТУРНЫЙ АНАЛИЗ КЕРАМИЧЕСКИХ ПОКРЫТИЙ ИЗ ДИФФУЗИОННО ЛЕГИРОВАННОГО ОКСИДА АЛЮМИНИЯ……………………. 192 Демин В. П., Коваленко В.И., Сахби Зантур ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИЕ ТЕХНОЛОГИИ В ПРОМЫШЛЕННОСТИ……………… 197 Диденко Д.И., Рыбинская Т.А., Шаповалов Р.Г ПОВЕРХНОСТНО-УПРОЧНЯЮЩАЯ ОБРАБОТКА ИНДЕНТОРАМИ ОПТИМАЛЬНОГО ДИАМЕТРА ИЗ УСЛОВИЯ СТЕПЕНИ ИХ ГИБКОСТИ………. 202 Донченко М.А., Лукьянов Ю.Н., Плохов И.В СТРУКТУРНЫЙ АНАЛИЗ РЫЧАЖНО-КУЛАЧКОВОГО МЕХАНИЗМА ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ДВИЖЕНИЯ МЕТОДОМ ГРАФОВ……………………………. 205 Доценко К. И. ИССЛЕДОВАНИЕ ИЗНОСА ТОКОСЪЕМНЫХ МАТЕРИАЛОВ В ТРИБОСИСТЕМЕ МЕДЬ-МЕДНОГРАФИТОВЫЙ КОМПОЗИТ……………………. 209 Доценко К. И., Полищук В. С, Сагдеева Ф. Н., Яценко Г. С. ИССЛЕДОВАНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК КОМПОЗИЦИОННЫХ МАГНИТОАБРАЗИВНЫХ ПОРОШКОВ ПРИ ФИНИШНОЙ ОБРАБОТКЕ СТАЛИ ШХ15……………………………………………. 213 Думанский А.М., Таирова Л.П., Алимов М.А. АНАЛИЗ ДЕФОРМИРОВАНИЯ СЛОИСТЫХ УГЛЕПЛАСТИКОВ………………… 217 Дюбрюкс С.А., Борзов Д.Б., Титов В.С. АППАРАТНО-ОРИЕНТИРОВАННЫЙ ПОДХОД К ВЫЯВЛЕНИЮ ПАРАЛЛЕЛИЗМА В ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫХ ПРОГРАММАХ СО СВЯЗЯМИ ПО УПРАВЛЕНИЮ И ЦИКЛАМИ…………………………………………………………. 221 Ермишкин В.А., Минина Н.А., Томенко А.К. ТЕРМОАКТИВАЦИОННЫЙ АНАЛИЗ ДИЛАТОМЕТРИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ СПЛАВА Al-15% Zn……………………………………………….. 225 Ермишкин В.А., Мурат Д.П., Тамайо П., Кулагин С.П., Кольцов А.Г., Томенко А.К. КРИОМЕХАНИЧЕСКОЕ УПРОЧНЕНИЕ ДУПЛЕКСНОЙ СТАЛИ 2205MFA……... 230 Жалгасбеков А.З., Данияров Н.А., Балгабеков Т.К., Тогизбаева Б.Б., Мамаева Т.Б., Карсакова А.Ж., Гриб И.Ю. К ВОПРОСУ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ САМОХОДНЫХ ГОРНЫХ МАШИН КАК ОБЪЕКТОВ ДИАГНОСТИРОВАНИЯ НА ГРУППЫ…………………………………. 236

290

Жорник В.И. ВЛИЯНИЕ НАНОРАЗМЕРНЫХ АЛМАЗОСОДЕРЖАЩИХ ДОБАВОК В ПЛАСТИЧНЫЕ СМАЗКИ НА ТРИБОТЕХНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИТОВ……………………………………………………….. 240 Замфиров Ив. ВОЗМОЖНОСТИ СОЗДАНИЯ НАСТРОЕЧНЫХ БАЗ ПУТЕМ ПОДРЕЗАНИЯ КОНЕЧНОГО ТОРЦА СТУПЕНЧТЫХ ВАЛОВ………………………………………. 244 Замфиров Ив., Енчев М., Колева Св. ТОЧНОСТЬ АВТОМАТИЧЕСКОЙ НАЛАДКИ ТОКАРНЫХ СТАНКОВ С ЧПУ. ЧАСТЬ 1 НАЧАЛЬНАЯ НАЛАДКА……………………………………………………. 248 Замфиров Ив., Енчев М.,Колева Св ТОЧНОСТЬ АВТОМАТИЧЕСКОЙ НАЛАДКИ ТОКАРНЫХ СТАНКОВ С ЧПУ ЧАСТЬ 2: ТЕКУЩАЯ НАЛАДКА………………………………………………………. 252 Замфиров Ив., Колева Св. АНАЛИЗ УСЛОВИЙ СОЗДАНИЯ МНОГОРЕЗЦОВЫХ РАСТОЧНЫХ ГОЛОВОК С ВЫДВИЖНЫМИ ПЛАСТИНАМИ…………………………………………………… 256 Звягинцева А.В. ВЛИЯНИЕ БОРА НА КОРРОЗИОННУЮ СТЙКОСТЬ ПОКРЫТИЙ НА ОСНОВЕ НИКЕЛЯ…………………………………………………………………………………… 260 Звягинцева А.В. ПРОБЛЕМА МНОГОМЕРНОГО СТАТИСТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ ПОКАЗАТЕЛЕЙ КАЧЕСТВА В ТЕХНОЛОГИЧЕСКОМ ПРОЦЕССЕ………………. 265 Иванов И.А. АНАЛИЗ МАТЕМАТИЧЕСКИХ ПОДХОДОВ К ОПИСАНИЮ ДВИЖЕНИЯ СИЛЬНО РАЗРЯЖЕННЫХ ГАЗОВ…………………………………………………….. 276 Ивченко Т.Г., Губин Т.И., Матушкина Е.И. ОПРЕДЕЛЕНИЕ СРЕДНЕЙ ТЕМПЕРАТУРЫ НА КОТАКТНЫХ ПОВЕРХНОСТЯХ ДЕТАЛИ ПРИ ТОЧЕНИИ…………………………………………. 280 Ивченко Т.Г., Смирнова М.А., Матвиенко А.В. ИССЛЕДОВАНИЕ ГАРМОНИЧЕСКОГО СОСТАВА ЭДС РЕЗАНИЯ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ИЗНОСА РЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА……………………... 283

291

АЛФАВИТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ А

Авдейчик О.В., 6 Абдукаримов А. 82 Авдюшина А. Е., 21 Ажаронок В.В. 50 Азаров А.В. 30, 27 Азаров В.Н., 30 Акашев А.З., 41 Акашев Е.А. 41 Акашев З.Т. 33, 37, 41 Александров В.В., 152 Алёшин Н.А. 152 Алимов М.А. 217, 46 Аманов Т.Ю., 82 Анискович Г.И., 94 Анисович А.Г., 50 Анфалов А.С. 78 Архипов В.Е., 54 Асадаускас С., 58 Б Базров Б.М. 62 Байков А.В., 64 Бакулин В.Н., 68, 72, 75, 78 Балгабеков Т.К., 236 Банник Ю.А. 143 Бахадиров Г.А., 82 Бевза В.Ф., 50 Белоус А.И., 86 Березун О.А., 6 Берлинер Э.М., 90 Бессараб О.И., 27 Бетеня Г.Ф., 94 Бокота А, 99 Болдар Л.Н. 102 Болдырева О.Н., 105 Борзов Д.Б., 221 Борзых С.В., 78 Бражiнскiєнє Д. 58 Броварный Д.П. 108 Булахтин К.В., 109

Буленков Е. А., 110, 111 Бутенко В.И. 112 В Вагапов И.К., 115 Владимир Балаж, 124 Войнаровски Ю., 118 Волочко А.Т., 120 Волчкевич Л.И. 122 Вольпян О.Д., 175 Г Гадаборшева Т.Б. 127, Гамбарова Г.М., 160 Ганиев М.М., 115 Гарост А.И., 129 Геча В. Я., 134 Гинявичене В.-Б. 139 Гинявичюс Р., 139 Голубев В.С., 94 Голубева Т. Н. 134 Голубов Н.В., 155 Горбатых В. П., 143 Гордєєв О.Ф., 148 Горецкий Г.П., 152 Горобец И.А., 155 Гриб И.Ю. 236 Григуцявiчєнє А., 58 Губин Т.И., 280 Гулиев А.А., 181 Гулиев А.Ф., 160 Гуменюк Л.О., 164 Гусев Е.Л., 175, 168, 172 Гусейнов С.С., 181 Д Давидович А.Н. 94 Данилова В.А., 188 Данияров Н.А., 236, 37 Девойно О.Г., 192 Демин В. П., 197 Диденко Д.И., 202 Донченко М.А., 205 Дорошкевич Е.А., 86

292

Доценко К. И. 209, 213 Думанский А.М., 217 Дюбрюкс С.А., 221 Е Енчев М., 248, 252 Ермишкин В.А., 225, 230 Есина Е.Ю., 30 Ж Жалгасбеков А.З., 236 Жорник В.И. 240 З Замфиров Ив. 244, 248, 252, 256 Звягинцева А.В. 21, 260, 265, 105 И Иванов И.А. 276 Иванов С.О., 143 Ивченко Т.Г., 280, 281 Изобелло А.Ю., 120 Инфлянскас В.В. 72 К Калашников В.И., 155 Кардаполова М.А., 192 Карсакова А.Ж., 236 Коваленко В.И., 197 Колева Св. 248, 256, 252 Колесников Г.Н. 75 Кольцов А.Г., 230 Комаров А.И., 192 Кораблина Ю.В. 127 Кулагин С.П., 230 Л Лапаева И.В., 155 Лотиш В.В., 164 Лукьянов Ю.Н., 205 М Макарова Ж.Е. 120 Мамаева Т.Б., 236

АЛФАВИТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ Мамедов А.Т., 181 Марек Вагаш., 124 Мартыненко С.И. 68 Матвиенко А.В., 283 Матушкина Е.И. 280 Микулаш Гайдук, 124 Минина Н.А., 225 Михайлов А. Н. 110, 111, 64 Мороз Є.О., 58 Мороз О.К. 188 Москвитин Г.В., 54 Мурат Д.П., 230 Мустафаев С.М., 181 О Овчинников В.И., 86 П Пекарска В. 98 Петлицкая Т.В., 86 Петлицкий А.Н. 86 Петрова И.М., 54 Плохов И.В., 205 Полищук В. С, 213 Полінкевич Р.М., 148 Поляков А.Н. 54 Р Реут О.П., 86 Ризаев А.А., 82 Романова Н.В. 129 Румянцева И.Н., 50 Рыбинская Т.А., 202 С Сагдеева Ф. Н., 213 Самсонов Ю.П. 109 Сахби Зантур, 197 Смирнова М.А., 283 Стончюс А., 58 Струк А.В. 6 Т Таирова Л.П., 217 Тамайо П., 230

Таратынов О.В. 90 Титов В.С. 221 Тогизбаева Б.Б., 236 Томенко А.К. 224, 230 Томчук В.М., 148 Ф Федянин В.И. 105 Феник Л.Н. 64 Х Хроматов В. Е. 134 Ч Чернышев Е.А.,64 Ш Шаповалов Р.Г., 202 Шестаков С.Д. 115 Я Ян Сэмйон, 124 Яценко Г. С. 213 Яцкевич О.К. 192

293

XVI международная научно-техническая конференция «МАШИНОСТРОЕНИЕ И ТЕХНОСФЕРА ХХІ ВЕКА» Сборник трудов Том 1

ISBN 966-7907-25-2

Компьютерная верстка сборника – асп. Лахин А.М.

Пописано к печати 01.07.2009. Ризографическая печать Уч.-из. л. 19,35

Формат 60х84 1/ 16 Усл. печ. л. 17,59 Тираж 350 экз.

Бумага XEROX Заказ № 1

Издательство ЧП “Технополис” Свидетельство о внесении в государственный реестр субъекта издательского дела ДК № 1221 от 05.02.2003. 83000, г. Донецк, пр. Дзержинского 1 Тел. (062) 305-01-04, (062) 301-08-40 E-mail: tm@mech.dgtu.donetsk.ua