Машиностроение и техносфера XXI века. Том 2, 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 2 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. 2. – 289 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.

ИССЛЕДОВАНИЕ СПЕЦИАЛЬНЫХ ЛЕКСИЧЕСКИХ КОНСТРУКЦИЙ ПРИ ИЗУЧЕНИИ ДЕЛОВОГО ЯЗЫКА СТУДЕНТАМИ ТЕХНИЧЕСКИХ УНИВЕРСИТЕТОВ Каплюхин А.А., Павлыш В.Н., Онацкая Н.Г., Митасова Э.Ф. (ДонНТУ, г. Донецк, Украина) The problem of definition of stages of presentation of prefix verbs during studying of business-like language by students of technical universities is considered. Актуальность работы определяется тем, что в процессе изучения делового русского языка студентами технических университетов значительные трудности в понимании специальных текстов возникают из-за специфики построения фразеологических конструкций. Цель данной статьи – выявить проблематику и определить место специальной лексики в системе выделения этапов презентации таких лексических конструкций, как приставочные глаголы, в аудитории технического вуза. Для студентов технических вузов русский язык является средством овладения конкретной специальностью, в связи с чем на первый план выдвигается проблема отбора материала для презентации и способов его подачи. В плане общеупотребительной лексики обращение к этой проблеме продиктовано объемом глагольной лексики, поэтому при составлении необходимых обучающих материалов (особенно для студентов 1-го курса) следует обращаться к справочникам-корнесловам, отбирать наиболее коммуникативно ценные глаголы, составляющие основу речевого высказывания независимо от его тематики. Следовательно, материал-объем приставочных глаголов должен быть минимизирован, четко определены количества значений приставок и сами значения приставок. Многие методические сборники могут быть отправной базой исследования, но требуют определенной коррекции, связанной с учетом прогнозируемой степени овладения языком, более четкой должна быть дифференциация семантических групп – глаголов, сочетающихся той или иной приставкой в том или ином значении [1]. В связи с этим следует иметь в виду, что в теории и практике преподавания русского языка как специального (делового) в первую очередь следует рассматривать глаголы, в которых префиксы имеют четко выраженное семантическое значение, служащее смысловой дифференциации производных однокоренных глаголов. Идея взаимосвязанности семантики и грамматики представляется в этом плане совершенно необходимой. Исходя из семантики (глагола и аффиксов), следует проследить два существенных момента: 1) механизм словообразования; 2) сочетаемостные возможности полученной лексемы. Таким образом, в настоящее время, очевидно, следует говорить о проблеме семантизации изучения приставочных глаголов в нефилологических вузах в объеме общеупотребительной и общенаучной лексики [2,3]. Нижевысказанные положения будут проиллюстрированы конкретным материалом. Следующий аспект рассмотрения приставочных глаголов – приставочные глаголы в языке специальности. Проблема создания языковой базы студентов для активного их участия в учебном процессе по избранной специальности до сих пор относится к числу самых актуальных и недостаточно разработанных. В этой связи совершенно необходимой представляется взаимосвязь между кафедрой русского языка и специальным кафедрами в плане отбора материала.

Исходя из вышеизложенного, используя уже известный способ презентации приставочных глаголов «от приставок – к глаголу», предлагается в работе над каждой приставкой (с учетом специальной лексики) выполнять определение основных значений приставок на материале общеупотребительной и общенаучной лексики. Включение специальной лексики расширяет словарный запас студентов, а также – что немаловажно – позволяет проследить системность языковых явлений, богатые словообразовательные и сочетаемостные возможности русской лексики, а также наглядно показать студентам, как «работает» этот механизм в языке их специальности. Целесообразно, очевидно, начинать не с текста, а с презентации отдельных словосочетаний и предложений – сначала для наблюдения и анализа, а затем для закрепления и контроля материала [4]. Таким образом, студенты-нефилологи должны изучить (или повторить, но уже в системе) основные значения глагольно-именных приставок – используя как общеупотребительную, так и общенаучную, специальную лексику. Далее предлагаются для анализа уже большие специальные тексты – как строго научного, так и научнопопулярного характера, акцентируя при этом внимание на приставочных глаголах. В проанализированных текстах число приставочных глаголов очень велико, а в отдельных текстах оно может составлять 1/3 и даже доходить до 40%. Описание таких текстов для презентации в иностранной аудитории может составлять предмет специального исследования. Ограничимся одним предложением: «Наличие рабочих каналов приема ухудшает избирательные свойства преобразователя». Кроме того, следует отметить, что, обращаясь к языку специальности, студенты пополняют свой лексический запас – в том числе словами, не являющимися терминами, а образованными по словообразовательным законам русского языка, например: рассогласование, подложка, запредельный, волновод и др. С точки зрения семантики эти слова легко «расшифровываются». Известны случаи так называемого переосмысления слова – слово в этом случае становится термином: обработка сигналов, возмущения перерывается и т. п. В текстах по специальности присутствует большое количество однокоренных образований, поэтому для лексического анализа слов рекомендуется брать целые гнезда глаголов (второй путь исследования: от глагола к приставкам), каждое из таких гнезд представляет собой законченное целое и включает, помимо глагола, образованные от него причастия и деепричастия, а также существительные. Таким образом, можно анализировать префиксальное воздействие на исходный однокоренной глагол. Подводя итог изложенному выше, проиллюстрируем основные положения данной статьи конкретным материалом. Для этого рассмотрим главные моменты презентации в студенческой аудитории темы «Основные значения приставки ОТ-», разработанной с учетом специальностей технических вузов. Данная разработка для студентов I курса предполагает расширение их знаний в области лексики, словообразования и синтаксиса. I. Значение приставки ОТ- - «отделение части от целого». 1. Примеры для наблюдения типа: У прибора нет ручки, ее кто-то отбил. 2. Наблюдение за подгруппами. Подгруппа А: делать, быть, ломать, включать и др. Список можно продолжить. От данных исходных глаголов образовать глаголы с приставкой ОТ, определить их вид, дать видовые пары. Где возможно, образовать возвратные глаголы с приставкой ОТ-, прокомментировать их, составить с ними предложения. От полученных приставочных глаголов образовать все возможные формы причастий и деепричастий.

Подгруппа Б: отбавить, отлить, отсыпать, откачать и др. Выявить их семантику, определить вид, выполнить ряд грамматических и речевых упражнений. Подгруппа В: отклеить, отпарить, оторвать, отсоединить. Выполнить ряд упражнений для наблюдения за семантикой глаголов и их сочетаемостью. Дать свои примеры. 3. Составить небольшой словник (1) глаголов совершенного и несовершенного вида с приставкой ОТ- - в 1-ом значении, используя материал, приведенный выше. Определить, как семантически различаются глаголы подгруппы А, Б, В. 4. Продолжить составление словника (2), используя общенаучную и специальную лексику, зафиксировать падеж зависимых форм. Например: отбор цветов, отбор носителей, естественный отбор, откачивать газ, откачка воздуха, откачка информации. Список содержит до 28 единиц. Значения слов с приставками ОТдаются списочно, что позволяет активизировать самостоятельную работу студентов. 5. Ряд упражнений на закрепление единиц из «Словника-2»: образование глагольных форм, отглагольные образования, упражнение на подстановку необходимых форм и т. п. Отметим, что аналогичным образом строится работа по определению и закреплению остальных значений. II. Значение – «неполное (частичное) удаление предмета, движение в сторону от чего-либо» (типа А: отойти, отклониться и др.; типа В: отбросить, откинуть, оттолкнуть и др.), а также специальная лексика: ответвление мощностей, ответвитель, ствол электронов, линии задержки с отводами, отвод тепла, теплоотводы и др. III. Значение – «полная законченность, исчерпанность, завершенность, т. е. финитивность» (типа А: отгреметь, отключить, отзвучать и др.; типа Б: отходить, отработать, отслужить; типа В: отрегулировать, отремонтировать, отладить), а также специальная лексика: отсуммировать; двоичные коды, которые нельзя отсуммировать и др.. IV. Значение – «возвращение звука, света, образа (например, типа А: откликнуться, ответить и др.; типа Б: отсвечивать, отражаться и др.; типа В: отдать, отблагодарить и др., при этом обратить внимание на пересечение значений III и IV), а также отпечатывание и др. 6. Заключительные задания. Данные задания предлагают упражнения на дифференциацию значений глаголов с приставкой ОТ- акцент на специальную лексику. Выводы. Предложенное исследование представляет попытку систематизации данного материала для курса делового языка с учетом специальности студента. В плане общеупотребительной лексики обращение к этой проблеме продиктовано большим объемом глагольной лексики, которая встречается в текстах по специальности. В данной статье предложены рекомендации относительно того, как правильно отбирать наиболее коммуникативно ценные глаголы, помогающие студенту овладеть языком специальности. Именно поэтому в статье рассматриваются те глаголы, префиксы которых имеют четко выраженное семантическое значение, служащее смысловой дифференциацией производных однокоренных глаголов. Список литературы. 1. Барыкина А.Н., Добровольская В.В., Мерзон С.Н. Изучение глагольных приставок. Изд. 2-е, - М.: Рус. Яз., 1981. 2. Барыкина А.Н.,

Добровольская В.В, Мерзон С.Н. Сборник упражнений по глагольному словообразованию. Естественно-научный профиль, - М., 1982. 3. Мотина Е.Н. Язык и специальность: лингвометодическая основа обучения русскому языку студентовнефилологов. – М., 1983. – 170 с. 4. Плотникова Г.Н. Лингвометодические основы обучения русскому словообразованию. – Екатеринбург: Изд-во Урал. Ун-та, 1994, 144с. ФОРМИРОВАНИЕ ГАЗОТЕРМИЧЕСКИХ ПОКРЫТИЙ НА ЖЕЛЕЗНОЙ ОСНОВЕ ЛАЗЕРНЫМ ЛЕГИРОВАНИЕМ БОРИДАМИ Кардаполова М.А., Девойно О.Г., Дьяченко О.В., Василенко А.Г. (БНТУ, г. Минск, Беларусь) Influence additional alloying elements and parameters of laser processing on a microstructure of coverings of system Fe-Cr-B-Si is investigated. Оптимальный комплекс свойств материала почти всегда представляет собой компромисс между требуемыми характеристиками поверхности (износостойкость, стойкость против коррозии и др.) и необходимыми объемными показателями (механическая прочность, вязкость и др.). Поэтому изделие с оптимальными свойствами может быть получено созданием гетерогенных структур в результате поверхностной обработки. С этой точке зрения представляют интерес методы лазерной термообработки, которые обладают рядом преимуществ по сравнению с традиционными видами поверхностного упрочнения. К ним относится локальность воздействия и возможность точного дозирования энергии, что позволяет производить упрочнение и восстановление рабочих зон без объемного разогрева деталей. Лазерная химико-термическая обработка (ЛХТО) позволяет заменить поглощающее покрытие тонким слоем легирующих веществ с целью повышения и варьирования физико-механических и эксплуатационных свойств покрытий. Создаются слои с высокой твердостью и износостойкостью при одновременном восстановлении размера изношенных деталей. Повышение эксплуатационных характеристик получаемых покрытий при лазерном легировании достигается не только структурными превращениями, но и за счет создания нового сплава с отличным от матричного материала химическим составом [12]. Лазерный нагрев с оплавлением поверхности позволяет вводить дорогие и дефицитные легирующие элементы в небольших количествах только в тонкие поверхностные слои наиболее ответственных частей изделий. При этом вводиться могут не только атомы того или иного элемента, но и различные химические и интерметаллические соединения в качестве упрочняющих и других фаз [13]. Поверхностным легированием достигается экономия дефицитного сырья, поскольку достаточно ввести небольшое количество добавок в тонкий поверхностный слой, чтобы существенно изменить его свойства. ЛХТО применяют для упрочнения поверхности покрытия, устранения его дефектов (поры, микротрещины) и получения требуемого рельефа (волнистость, шероховатость) для повышения прочности сцепления покрытия с основой, изменения физико-механических, химических, электромагнитных свойств поверхности, образования в поверхностном слое метастабильных фаз определенного состава, в том числе новых металлических сплавов, которые невозможно получить другими методами вследствие несовместимости их с жидкой фазой, для повышения глубины легированного слоя и т. п.

Технологический процесс включает подготовку поверхности, нанесение покрытия газотермическим методом, нанесение легирующей обмазки, лазерное оплавления покрытия с обмазкой и механическая обработка покрытия. Целью работы является исследование формирования газотермических покрытий на основе железа лазерным легированием. Выбор компонентов для лазерного легирования Поскольку исчерпывающей теории образования покрытий при ЛХТО не существует, оценка эффективности обмазок произведена в соответствии со следующими технологическими критериями: трещинообразование после кристаллизации, пористость, композиционность структуры, т.е. равномерность распределения микрочастиц высокой твердости в пластичной твердорастворной матрице. Как правило, покрытие, обладающее хорошей композиционностью, имеет и хорошее качество поверхности после кристаллизации: отсутствуют микронеровности и волнистость, покрытие обладает хорошей жидкотекучестью. Используя эти критерии в качестве оптимальных, приняли следующие обмазки: системы Mo–B, Ta–B, В 4 С. Анализ литературных данных показал, что фазы выбранных систем обладают следующими особенностями физических свойств. Во-первых, между коэффициентами термического расширения (КТР) фаз на основе железа и названных фаз существует аномально высокое различие. Это приводит к образованию в покрытиях сжимающих остаточных напряжений, повышающих их износостойкость. Во-вторых, фазы систем MO–B и TA–B очень хорошо смачиваются расплавами на основе Fe [118], а с В 4 С у железа полное взаимодействие. В соответствии со всем вышеперечисленным оптимальными оказались обмазки на основе боридов молибдена, боридов тантала и карбида бора. Названные покрытия имеют небольшую пористость, не склонны к трещинообразованию при лазерном оплавлении и содержат металлоподобные соединения – бориды и карбиды в форме равномерно распределенных равноосных мелкодисперсных частиц. Влияние параметров лазерной обработки и легирующих компонентов на микроструктуру Основным фактором, влияющим на формирование обработанного лазерным излучением слоя, являются высокая скорость нагрева поверхностного слоя (104–106 К/сек), обусловленная большой плотностью энергии и скоростью охлаждения, достигаемыми за счет теплоотвода в массу металла. Высокие скорости нагрева металла приводят к сдвигу точек фазовых превращений, имеющих диффузионную природу. Большая скорость охлаждения расплавленной зоны приводит к неполному протеканию диффузионных процессов, образованию большого числа зародышей и формированию поэтому мелкозернистой и неравновесной структуры [50]. Рассмотрим влияние скорости движения луча лазера относительно детали (скорости луча лазера) на структуру покрытий. Скорость варьировалась в диапазоне:V 1 =0,83⋅10-3м/с,V 2 =1,67⋅10-3м/с, V 4 = 3,33 ⋅ 10-3 м/с, V 5 = 5 ⋅ 10-3 м/с с коэффициентом перекрытия k 1 = 0,8 при плотности мощности q=1,01·109 Вт/м2. На рисунке 1 показаны структуры оплавленных лазером покрытий без легирования при различных скоростях луча лазера. Получено два типа микроструктуры: при скоростях V 1 и V 2 – дендритные с осями первого и второго порядков, а с увеличением скоростей движения луча лазера до V 4 и V 5 – пересыщенные квазиэвтектические. Наименьшая скорость луча лазера V 1 привела к тому, что покрытие находилось в условиях лазерного нагрева достаточно долго и скорости кристаллизации карбидных и боридных фаз, α-твердого раствора железа выравнились. Покрытие полностью проплавилось с образованием литой структуры с осями дендритов первого, второго и

третьего порядков (рисунок 1, а). С повышением скорости луча лазера и уменьшением времени нахождения в расплаве дендритная структура измельчилась (рисунок 3.6, б). Дальнейшее повышение скорости луча лазера уменьшила время кристаллизации покрытий, карбидоборидная фаза выделилась в виде квазиэвтектики (рисунок 1, в), которая с увеличением скорости до V 5 измельчилась (рисунок 1, г). Данная тенденция справедлива как для покрытий без обмазок, так и легированных TaB, MoB и B 4 C. Варьирование скоростями луча лазера при легировании покрытия B 4 C, привело к таким изменениям структуры, как: V 1 – литая равновесная, V 2 – дендритная. С повышением скорости до V 4 – пересыщенная боридная и карбидоборидная структура, которая при V 5 измельчилась. Увеличение скорости луча лазера повлияло на структуру покрытия легированного TaB следующим образом: V 1 – отмечена литая равновесная структура с отдельными вкраплениями дендритов твердого раствора, V 2 – дендритная, которая с увеличением скорости до V 4 измельчилась – и при V 5 образовалась пересыщенная боридная структура. С повышением скорости лазерного луча уменьшилось время, проплавления покрытия. Вследствие этого образовался пересыщенный раствор, из которого при остывании покрытия выпали бориды.

а)

б)

в)

г)

Рис. 1. Микроструктура покрытий, полученных оплавлением плазменных покрытий из порошка ПР-Х4Г2Р4С2Ф, без легирования при различных скоростях луча лазера а) V1 =0,83⋅10-3 м/с (х 400); б) V2 = 1,67⋅10-3 м/с (х 400); в) V4 = 3,33⋅10-3 м/с (х 400), -3 г) V5В= 5⋅10 м/с (х 400) покрытии, легированном MoB, при V образовалась крупная дендритная 1

структура, которая с повышением скорости лазерного луча измельчилась. Самая мелкая дендритная структура наблюдалась тогда, когда скорость лазерного луча достигла V 2 . Наличие дендритного каркаса в структуре покрытий, по-видимому, должно способствовать повышению их износостойкости. Легирование TaB, MoB и B 4 C фактически не изменило картину биметаллического покрытия. Это говорит о том, что

дополнительное введение обмазок, по-видимому, легирует твердый раствор на основе железа и в меньшей степени влияет на количество карбидоборидной фазы. Влияния режимов лазерной обработки на фазовый состав покрытий Свойства зоны легирования зависят от концентрации легирующих элементов и получения фаз различной степени стабильности и дисперсности, образующихся в процессе охлаждения. Режимы лазерного облучения: плотность мощности излучения, его диаметр и коэффициент перекрытия, а также концентрация легирующих компонентов в обмазке определяют строение и состав зоны термического влияния. Результаты определения фазового состава исходного порошка для напыления под последующее лазерное легирование покрытий в зависимости от режимов лазерной обработки и состава легирующих обмазок приведены в таблицах (1–3.14). В случае лазерного легирования скорость луча лазера, его диаметр и коэффициент перекрытия были взяты на максимальном и минимальном уровне. Соответственно: V 1 =0,83·10-3 м/с, V 3 =2,5·10-3м/с,d l =1·10-3м, d 2 = 3·10-3 м, k 1 =0,8, k 2 =1,2 . Таблица 1. Порошок в состоянии поставки Фазы Количество легирующих элементов, % α-Fe 39,1 γ -Fe 6,7 Бориды Fe 23,5 Карбид Fe 9,8 Карбиды V,Cr,B 4 C 9,5 Бориды 11,3 Таблица 2. Состав фаз в зависимости от режимов обработки для оплавленных горелкой и лазером плазменных покрытий без легирования (при d 1 =1,0·10-3 м, k 1 = 0,8) Режимы обработки Оплавленные лазером плазменные НапыленФазы покрытия ное и оплавленное горелкой V 1 =0,83·10-3 V 2 =1,67·10-3 V 5 =5·10-3 покрытие α-Fe 30,3 30,6 35,1 21,5 γ -Fe 25,9 25,1 20,7 6,1 Бориды Fe 13,9 14,9 15,0 16,8 Карбид Fe 7,1 7,5 7,6 10,4 Карбиды V,Cr,B 4 C 13,7 14,5 15,6 27,0 Бориды Cr 7,6 8,0 7,0 16,7 Н, ГПа 9,39 10,5 11,21 10,15 Таблица 3. Состав фаз после нанесения плазменных покрытий и лазерного легирования ТаВ Режимы обработки V 1 =0,83·10-3 V 3 =2,5·10-3 V 1 =0,83·10-3 V 3 =2,5·10-3 Фазы -3 -3 -3 d l =1,0 ·10 d l =1,0 ·10 d 2 =3,0 ·10 d 2 =3,0 ·10-3 k 1 =0,8 k 1 =0,8 k 1 =0,8 k 1 =0,8 α-Fe 8,9 3,7 3,2 14,1 γ -Fe 1,2 0,9 2,8 5,9 Борид Та 7,3 3,2 3,2 9,6

Продолжение таблицы 3 Фазы Бориды Fe Та Карбид Fe Карбиды V,Cr,B 4 C Бориды Cr Н, МПа α-Fe γ -Fe Борид Та Бориды Fe Та Карбид Fe Карбиды V,Cr,B 4 C Бориды Cr Н, МПа

V 1 =0,83·10-3 d l =1,0 ·10-3 k 2 =1,2 18,7 18,5 9,8 9,4 26,0 11,4 7,6 3,9 5,6 14,7 12,8 6,7 33,3 15,5 10,1

Режимы обработки V 3 =2,5·10-3 V 1 =0,83·10-3 -3 d l =1,0 ·10 d 2 =3,0 ·10-3 k 2 =1,2 k 2 =1,2 26,5 25,0 19,7 18,0 7,8 7,5 5,0 5,7 33,3 34,3 11,7 10,5 13,8 15,5 3,2 5,6 10,3 7,0 17,6 15,0 12,6 11,2 10,7 13,1 16,3 18,1 15,4 14,6 10,9 10,5

V 3 =2,5·10-3 d 2 =3,0 ·10-3 k 2 =1,2 19,3 17,0 8,3 9,2 16,6 11,4 8,8 6,1 5,8 17,3 13,0 10,8 24,0 14,2 12,0

Таблица 4. Состав фаз после нанесения плазменных покрытий и лазерного легирования МоВ Режимы обработки -3 V 1 =0,83·10 V 3 =2,5·10-3 d l V 1 =0,83·10-3 V 3 =2,5·10-3 Фазы d l =1,0 ·10-3 =1,0 ·10-3 d 2 =3,0 ·10-3 d 2 =3,0 ·10-3 k 1 =0,8 k 1 =0,8 k 1 =0,8 k 1 =0,8 α-Fe 12,6 24,8 15,8 19,7 γ -Fe 10,5 7,9 18,7 4,4 Борид Mо 7,9 8,0 9,1 6,4 Бориды Fe 17,1 16,0 15,7 19,0 Мо 13,7 8,6 5,7 10,0 Карбид Fe 8,6 7,6 7,6 7,8 Карбиды V,Cr,B 4 C 16,7 17,9 20,3 18,5 11,7 7,6 7,2 14,2 Бориды Cr Н, МПа 11,7 11,9 11,2 11,5 α-Fe 2,8 17,5 18,8 26,3 γ -Fe 2,5 5,2 10,5 4,2 Борид Mо 9,0 9,2 7,6 8,7 Бориды Fe 22,5 17,3 15,7 21,7 Мо 14,7 11,6 8,8 8,3 Карбид Fe 12,9 8,1 8,8 7,2 Карбиды V,Cr,B 4 C 17,2 17,2 22,7 19,4 Бориды Cr 8,6 12,6 6,5 3,2 Н, МПа 11,9 11,1 11,8 12,2

Таблица 5. Состав фаз после нанесения плазменных покрытий и лазерного легирования В 4 С Режимы обработки -3 V 1 =0,83·10 V 3 =2,5·10-3 V 1 =0,83·10-3 V 3 =2,5·10-3 Фазы d l =1,0 ·10-3 d l =1,0 ·10-3 d 2 =3,0 ·10-3 d 2 =3,0 ·10-3 k 1 =0,8 k 1 =0,8 k 1 =0,8 k 1 =0,8 α-Fe 24,7 25,7 28,2 35,2 γ -Fe 2,6 5,0 6,2 2,6 Бориды Fe 29,5 29,1 27,1 27,1 Карбид Fe 11,5 13,0 8,5 11,6 Карбиды V,Cr,B 4 C 23,3 21,9 22,1 19,3 Бориды Cr 8,4 3,7 8,1 4,2 Н, МПа 12,2 12,4 12,1 12,1 α-Fe 24,2 30,6 24,2 24,6 γ -Fe 6,4 2,5 4,1 4,7 Бориды Fe 28,6 27,9 22,3 25,1 Карбид Fe 8,4 10,1 9,0 9,7 Карбиды V,Cr,B 4 C 25,8 23.3 23,6 26,3 Бориды Cr 6,3 6,7 14,0 12,6 Н, МПа 11,4 11.8 11,9 12,9 Исходный состав порошка α-железа 39,1 %, γ-железа 6,7 %, карбидоборидной фазы 54,1 %. Оплавление плазменных покрытий газовой горелкой привело к резкому уменьшению количество α- железа 21,5 %, увеличению карбидоборидной фазы 70,9 % и практически не влияет на количество γ-железа – 6,1 %. При оплавлении покрытий без легирования рост скорости с V 1 = 0,83·10-3 м/c до V 5 = 5·10-3 м/с при плотности мощности q = 1,01·109 Вт/м2 привел к увеличению количества α-железа с 30,3 до 35,1 % и уменьшению γ-железа с 25,9 до 20,7 % и увеличению упрочняющей фазы с 42,3 до 45,2 %. Легирование покрытий ТаВ, В 4 С и МоВ не привело к установлению четкой корреляционной зависимости между скоростью и количеством α - и γ-железа. Количество упрочняющей фазы с увеличением плотности мощности и скорости возросло с 79 до 83,7 % в первом случае, и с 62,2 до 73,6 % во втором, с 65,1 до 74,8 % в третьем случае. В покрытиях после лазерного легирования МоВ рост плотности мощности и скорости луча лазера с 0,83 ⋅ 10-3 м/с до 2,5 ⋅ 10-3 м/с привел к увеличению количества α-железа в 1,3 – 2 раза. Количество γ-железа уменьшилось в данном случае в 4,2 раза. Сильная легированность порошка, по всей вероятности, и привела к выявлению определенных зависимостей. С увеличением скорости луча лазера возросла микротвердость. Она увеличилась с уменьшением диаметра луча и максимальна при наиболее «жестких» режимах. С увеличением диаметра луча вследствие его расфокусировки микротвердость снизилась. При коэффициенте перекрытия 0,8 произошло уменьшение микротвердости из-за узкой зоны отпуска, образовавшейся при наложении дорожек друг на друга. Для проведения эксперимента использован план N = 23 для трех качественных факторов (скорость луча лазера, диаметр луча, коэффициент перекрытия). Результаты планируемого эксперимента обработаны на ПЭВМ. Полученные уравнения регрессии приведены в таблицах 6,7. В качестве входных параметров использовали: 11

X 1 – скорость луча лазера 0,83 · 10-3 – 2,5· 10-3 м/с ; X 2 – диаметр луча лазера 1· 10-3 – 3· 10-3 м; X 3 – коэффициент перекрытия лазерных дорожек 0,8 – 1,2. В качестве выходных параметров – служили фазовый состав покрытий и их микротвердость. Таблица 6. Зависимость фазового состава покрытия от режимов лазерного легирования ТаВ Количество Фаза Уравнения регрессии вещества Fe Y 1 = 16,108–0,158X 1 + 2,358X 2 – 2,991X 1 X 2 10,92–15,32 Бориды Ta Y 2 = 7,225 + 0,646X 1 – 0,588X 2 – 1,838X 1 X 2 5,33–5,45 Y3 = 19,229 + 0,788X1–3,038X3–1,813X1X2 + Бориды Fe 16,62–21,84 + 1,454 X1X2X3 Ta Y 4 = 15,333 – 2,875X 3 + 0,467X 1 X 2 X 3 12,93–18,68 Fe 3 C Y 5 = 9,746 + 1,054X 2 + 1,404X 2 X 3 10,09–12,20 Карбиды Cr, V Y 6 = 22,476 – 2,958X 1 – 1,358X 2 + 5,575X 1 X 2 23,74–32,37 Бориды Cr Y 7 = 14,9 – 1,5X 1 – 1,483X 2 + 0,067X 1 X 2 11,98–17,95 Y М = 11,1+0,44X 1 –0,19X 3 +0,163X 1 X 2 +0,175X 1 X 3 + Нμ, ГПа 11,52–12,03 +0,34X 2 X 3 Таблица 7. Зависимость фазового состава покрытия от режимов лазерного легирования МоВ Количество Фаза Уравнения регрессии вещества Fe Y 1 = 24,642 + 4,809X 2 – 1,341X 1 X 2 18,49–28,11 МоВ Y 2 = 8,642 + 0,438X 1 – 0,354X 2 + 0,396X 1 X 2 8,95–9,12 Y 3 = 18,121 + 0,396X 1 + 1,129X 3 + 1,971X 1 X 2 – Бориды Fe 17,19–21,93 – 0,529X 2 X 3 + 0,846X 1 X 2 X 3 Мо Y 4 = 11,091 – 1,908X 2 + 0,575X 1 X 2 9,76–13,57 Y 5 = 8,0483 – 0,883X 1 – 0,658X 2 +0,683X 3 + Fe 3 C 6,94 – 7,08 + 0,558X 1 X 2 – 0,365X 1 X 3 –0.592 X 2 X 3 Карбиды Cr, V Y 6 = 18,925 – 0,858X1 +1,383X2 + 0,642X3 – 0,75X1 X2 16,97–19,34 Бориды Cr Y 7 = 7,825 – 2,542X 2 – 2,071X 1 X 2 3,21–8,29 YМ =11,7 + 0,09X3 + 0,16X1X2 – 0,11X1X3 + 0,24X2X3 + Нμ, ГПа 11,94–12,22 + 0,14X1X2X3 Таблица 8. Зависимость фазового состава от параметров лазерного легирования В 4 С Количество Фаза Уравнения регрессии вещества Fe Y 1 =30,067 + 1,325X 1 – 1,133X 2 29,88–30,26 Бориды Fe Y 3 = 26,05 – 2,317X 2 23,73–28,37 Карбиды Fe Y 5 = 9,125 + 0,821X 1 + 0,041X 2 8,26–9,99 Карбиды Y 6 =23,142–1,1X 1 –0,517X 2 +1,133X 3 –0,492X 1 X 3 + 23,64–23,66 V,Cr,B 4 C +1,008X 2 X 3 + 0,483X 1 X 2 X 3 Бориды Cr Y 7 = 10,092 – 1,235X 1 – 3.341X 2 + 0,767X 1 X 2 6,28 –15,44 Y М = 12,225 + 0,275X2 – 0,225X3 + 0,275X1X3 + Нμ, ГПа 12,23–2,78 + 0,225X1X2X3

Результаты фазового анализа показывают, что в поверхностном слое как в покрытиях без легирования, так и после лазерного легирования ТаВ, МоВ и В 4 С при скоростях луча лазера 0,83·10-3 м/с и 3,33·10-3 м/с образовалась мелкодисперсная структура α-фазы с небольшим количеством остаточного аустенита (5 – 10% γ-фазы). Наличие последнего свидетельствовало о дополнительном насыщении решетки железа углеродом и легирующими элементами. При легировании ТаВ МоВ и В 4 С образуются непрерывные твердые растворы в системах Fe 2 B – Mo 2 B, Fe 2 B – Ta 2 B, Fe 2 B – Cr 2 B. Выводы На основании анализа литературных и экспериментальных данных, справочных коэффициентов термического расширения и углов смачивания ТаВ, МоВ и В 4 С железом, проведенного термодинамического анализа обоснован выбор обмазок на основе ТаВ, МоВ и В 4 С для лазерного легирования плазменных покрытий из самофлюсующихся порошков на основе железа. Установлено, что технологические параметры лазерной обработки изменил микроструктуру всех типов покрытий. При скорости V 1 = 0,83·10-3 матрица представляет собой литую равновесную структуру. Увеличение скорости до V 5 = 5·103 м/с ведет к образованию пересыщенного твердого раствора на основе железа с вкраплениями карбидов и боридов в виде квазиэвтектики. Микротвердость при этом увеличивается с 9,39 до 11,21 ГПа в плазменных покрытиях без легирования, с 7,7 до 8,5 ГПа – в клеевых покрытиях. Лазерное легирование повышает микротвердость, которая достигает наивысших значений 12,86 ГПа в плазменных покрытиях после лазерного легирования В 4 С. Установлено, что технологические параметры лазерной обработки, в частности скорость луча лазера, влияют на состав покрытий. Покрытие, оплавленное на скорости V 1 = 0,83⋅10-3 м/с при плотности мощности q = 1,01·109 Вт/м2, представляет собой смесь α и γ-железа, обогащенного Cr (3,18–3,98 %). С ростом скорости до V 5 = 5⋅10-3 м/с количество Cr увеличилось в 1,5 раза, что привело к повышению микротвердости покрытия с 9,5–10,1 ГПа до 11,04–15,5 ГПа. Технологические параметры лазерной обработки оказывают влияние на количество упрочняющих фаз в покрытии. На основании экспериментальных данных и анализа уравнений регрессии доказано, что с ростом скорости движения луча лазера увеличивается количество упрочняющей фазы, состоящей из карбидов Fe, V, Cr, B и боридов Fe, Cr, с 42,3 % до 93,7 % (ТаВ), 62,2–73,6 % (В 4 С). Список литературы. 1. Влияние легирующих добавок в покрытии при лазерной обработке на адгезионную прочность покрытий системы Fe–Cr–B–Si / Н.Н. Дорожкин, М.А. Кардаполова, О.В. Дьяченко, Т.М. Абрамович, С.А.Донских, Ю.А. Симонов // Вестник Таганрогского государственного педагогического института.–Таганрог – № 1. – 2006. – С. 127–134. 2. Дорожкин, Н.Н. Зависимость адгезионной прочности покрытий на железной основе от режимов лазерной обработки / Н.Н. Дорожкин, М. А. Кардаполова, О.В. Дьяченко // Математические модели физических процессов и их свойства: сб. науч. трудов 11-й межд. науч.-техн. конф. – Таганрог. – 2005 .– С. 21–27.

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ВОЗМОЖНОСТИ ПРОЦЕССА КОМБИНИРОВАННОЙ ОБРАБОТКИ ШЛИФОВАНИЕМ И ВЫГЛАЖИВАНИЕМ

Киселев Е.С., Романов С.А., Лексин Е.Н., Благовский О.В. (УлГТУ, г. Ульяновск, Россия) The results of research of efficiency of combined processing of blanks by grinding and burnishing are presented. It is established, that synchronous combined machining allows to get optimal value compressing residual stresses with retention required roughness of surface. Повышение качества и надежности машин требует решения задачи улучшения эксплуатационных свойств исполнительных поверхностей деталей технологическими методами. Методы механической обработки резанием дают возможность изменять параметры качества обрабатываемых поверхностей в сравнительно узких пределах. Изменение условий обработки (режимов резания, инструментального материала и т.д.) позволяет несколько расширить возможности этих методов. Значительно большими возможностями в технологическом управлении качеством поверхности обладают такие прогрессивные методы, как, например, отделочно-упрочняющая обработка, в основе которой заложено поверхностное пластическое деформирование (ППД), в частности выглаживание. Широкие возможности и целесообразность применения этого метода определяются не только условиями обеспечения высокой производительности, но и созданием поверхностей с оптимальной несущей способностью. Одной из важнейших характеристик состояния поверхностного слоя (ПС) деталей машин являются технологические остаточные напряжения (ОН), возникающие в нем в процессах абразивной и лезвийной обработки и обработки методами ППД на этапе изготовления детали. Они являются результатом неравномерной пластической деформации ПС под воздействием силы резания (деформирования), температуры и структурно-фазовых превращений после снятия нагрузки, вызвавшей эту деформацию [2]. Кроме того, в технологических процессах изготовления деталей часто необходимо обеспечить требуемую шероховатость поверхности, в связи с чем на заключительных этапах вводят операции шлифования. В силу того, что шлифование является теплонапряженным процессом, проблема предотвращения нежелательных растягивающих ОН является весьма актуальной. Нами предлагается новый способ комбинированной обработки заготовок деталей типа тел вращения, включающий операции шлифования и выглаживания в конце цикла круглого наружного шлифования с продольной подачей на этапе выхаживания, при котором обработку ведут шлифовальным кругом и выглаживающим индентором, относительно которых перемещается обрабатываемая заготовка. Выбор операции шлифования продиктован необходимостью получения высокого качества поверхности детали, не достигаемого лезвийной обработкой. В качестве выглаживающего элемента используется твердосплавная пластина, имеющая с обрабатываемой заготовкой полосовой контакт, причем выглаживающему элементу сообщают ультразвуковые колебания (УЗК), которые существенно снижают затраты на трение в зоне обработки, а следовательно – снижают теплосиловую напряженность. Использование твердосплавной пластины объясняется стремлением достичь более высокой производительности обработки, кроме того, использование таких пластин более выгодно с экономической точки зрения по сравнению, например, с алмазными инденторами.

Целью испытаний является выявление оптимальных условий для формирования в ПС деталей сжимающих ОН и распространения их на максимальную глубину, а также достижения требуемой шероховатости путем изменения элементов режима обработки (скорость заготовки, усилие прижима выглаживателя и наложения на выглаживатель УЗК. В процессе исследований оценивали также ОН на приборе СИТОН – АРМ и шероховатость на приборе Калибр – 283. Исследования проводили на экспериментальной установке, созданной на базе круглошлифовального станка мод. 3М151В. Станок оснащен устройством для УЗ выглаживания (рис. 1) и тензометрической аппаратурой для измерения составляющих сил шлифования и выглаживания.

Рис. 1. Общий вид устройства для выглаживания: 1, 3 – винт; 2 – ползун; 4 – волновод; 5 – корпус устройства подачи вы-глаживателя; 6 – крон-штейн; 7 – выглажива-тель (твердосплавная пластина марки UC6010 фирмы MITSUBISHI) На первом этапе исследований определяли влияние относительного положения круга и пластины на шероховатость поверхности по параметру Ra, а также величину, знак и глубину залегания технологических ОН. Рассматривались три схемы взаимного положения круга и пластины: друг напротив друга, опережение круга, опережение пластины (рис. 2). В качестве обрабатываемого материала использовали заготовки из сталей 40Х, 95Х18 и Р18. Эпюры ОН в ПС обработанных деталей и графики шероховатости поверхности представлены на рис. 3–5.

Рис. 2. Возможные схемы относительного положения круга и выглаживателя: 1 – шлифовальный круг; 2 – обрабатываемая заготовка; 3 – выглаживатель; а – круг расположен перед пластиной; б – круг и пластина расположены друг напротив друга; в – круг расположен за пластиной. 15

Рис. 3. Эпюры ОН в ПС обработанных заготовок из стали 40Х: а, б, в – варианты относительного положения (см. подпись к рис. 2); I и II – соответственно эпюры осевых и касательных напряжений Как показывают приведенные результаты, наиболее предпочтительной с точки зрения получения малых высотных параметров шероховатости поверхности является схема, при которой круг расположен позади выглаживателя (схема на рис. 2, в). Вероятно, это объясняется тем, что в двух других случаях частицы шлама, образующегося в процессе шлифования, под действием мощных воздушных потоков попадают в зону ППД, где выглаживатель прижимает их к обрабатываемой поверхности заготовки. Рис. 4. Влияние относительного Последняя схема позволяет избежать положения круга и выглаживателя на указанных недостатков за счет удаления среднее отклонение профиля кругом небольшой части материала поверхности: а, б, в – варианты заготовки величиной порядка нескольких относительного положения (см. подпись микрометров, не оказывая существенного к рис. 2) влияния на размеры полученной детали. Уменьшение параметра Ra шероховатости с увеличением усилия прижима объясняется переходом от частичного сглаживания неровностей за счет пластического осаживания их выступов и подъема впадин при малом усилии прижима к деформированию не только впадин, но и основного металла при большем усилии, что приводит к зарождению пластической

волны, срезаемой шлифовальным кругом [3]. Однако для получения наиболее высоких по абсолютной величине сжимающих напряжений рекомендовано использовать схему, при которой выглаживатель расположен позади круга. Полученный при этом параметр шероховатости Ra при наибольшем усилии прижима выглаживателя в 150 Н не превышает 2,5 мкм. В любом случае выбор той или иной схемы взаимного положения круга и пластины определяется требованиями чертежа и служебным назначением детали. На втором этапе исследований решалась задача нахождения оптимальных параметров технологического воздействия в процессе комбинированной обработки заготовок из сталей 95Х18 и Р18. В качестве критериев оценки технологической эффективности также выступали технологические ОН в ПС Рис. 5. Влияние относительного положения круга детали, измеренные в двух и пластины на среднее отклонение профиля направлениях и шероховатость обработанной поверхности заготовки из стали: 1, поверхности по параметру Ra. 3, 5 – 95Х18; 2, 4, 6 – Р18; 1, 2 – вариант На рис. 6 а, б показаны расположения а по рис. 2; 3, 4 – вариант б; 5, 6 – эпюры остаточных напряжений, вариант в; ⁪ – без наложения УЗК; ▄ – с из анализа которых следует, что наложением УЗК увеличению глубины резания при шлифовании соответствует появление в ПС детали растягивающих, либо снижение по абсолютной величине сжимающих ОН. Очевидно, связано это в первую очередь с повышением температуры металла ПС в процессе шлифования, предшествующего комбинированной обработке, в связи с чем в ПС формируются большие по величине растягивающие ОН. Увеличение параметра шероховатости Ra обработанной детали (рис. 9, а) с повышением глубины резания при шлифования связано, вероятно, с увеличением натяга в технологической системе на этом этапе. Увеличение глубины резания с 0,02 до 0,10 мм способствует увеличению параметра Ra на 32%. Влияние скорости продольной подачи стола при комбинированной обработке на формирование ОН показано на рис. 7 а, б; на среднее отклонение профиля обработанной поверхности – на рис. 9, б. В обоих случаях зависимости данных критериев от параметра Vc имеют экстремальный характер с явным минимумом при Vc=30 мм/мин. При уменьшении скорости от 100 до 30 мм/мин уменьшение параметра Ra и увеличение сжимающих ОН связано с понижением температурной напряженности процесса; при дальнейшем уменьшении процесс шлифования начинает носить характер врезного, вследствие чего профиль круга копируется на обрабатываемой поверхности и ее шероховатость увеличивается. Разность ОН по максимальной величине достигает 25%, для шероховатости по параметру Ra – свыше 70%.

Рис. 6. Влияние глубины резания на формирование осевых (а) и касательных (б) ОН в ПС обработанной заготовки

Рис. 7. Влияние скорости продольной подачи стола на формирование осевых (а) и касательных (б) ОН в ПС обработанной заготовки

Из анализа эпюр ОН (рис. 8 а, б) следует, что с уменьшением скорости заготовки Vз сжимающие напряжения повысились на 60%, параметр Ra уменьшился на 70% (рис. 9 в).

Рис. 8. Влияние окружной скорости заготовки на формирование осевых (а) и касательных (б) ОН в ПС обработанной заготовки

Рис. 9. Зависимость среднего отклонения профиля обработанной поверхности от режимов комбинированной обработки: a – глубины резания t; б – продольной подачи стола Vс; в – окружной скорости заготовки Vз

На рис. 10 представлены эпюры остаточных напряжений после шлифования заготовки из стали 95Х18 по перечисленным ранее режимам. Исходя из представленных результатов, для комбинированной обработки заготовок из стали 95Х18 и ей подобных можно рекомендовать следующие режимы: t=0,02 мм; Vс=30 мм/мин; Vз=20 м/мин. Таким образом установлено, что введение в технологический процесс изготовления детали операции выглаживания является инструментом для формирования в ПС благоприятных с позиции эксплуатационных свойств детали сжимающих ОН при сохранении требуемой шероховатости поверхности, а в некоторых случаях и ее снижения. С целью увеличения производительности данного процесса рекомендуется операции шлифования и выглаживания проводит одновременно, с наложением на выглаживающий индентор (пластину) УЗК. Рис. 10. Эпюра остаточных напряжений в ПС слое детали из стали 95Х18 Список литературы: 1. Основы технологии машиностроения: учебник для вузов / Ямников А.С.,Федоров Ю.Н., Шейнин Г.М. и др.; под ред. А.С. Ямникова. – Тула: Изд-во ТулГУ, 2006. – 269 с. 2. Киселев Е.С., Ковальногов В.Н. Механическая обработка заготовок в условиях критического тепломассопереноса. Избранные труды Российской школы по проблемам науки и технологий. – М.: РАН, 2008. – 250 с. 3. Смелянский В.М. Механика упрочнения деталей поверхностным пластическим деформированием. – М.: Машиностроение, 2002. – 300 с. БОЛОНСКИЙ ВЕКТОР В РАЗВИТИИ ФРАНЦУЗСКОГО ТЕХНИЧЕСКОГО ФАКУЛЬТЕТА ДонНТУ Клягин Г.С. (ДонНТУ, г. Донецк, Украина) Приведен опыт Донецкого национального технического университета (ДонНТУ) в области международного сотрудничества и в реализации принципов Болонской декларации на примере французского технического факультета (ФТФ). Размышления о важности и специфичности работы по организации обучения на иностранных языках основаны на практическом опыте ФТФ. Профессиональная эволюция специалиста любой отрасли не мыслится сегодня вне международного контекста. Такой подход предполагает, что специалист хорошо говорит на европейских языках и умеет выполнять свои профессиональные задачи с использованием достижений мировой науки и технологий.

С пониманием воспринимая новые тенденции глобального развития, ДонНТУ в существующих социально-экономических условиях стремится ответить на профессиональные запросы будущих инженеров. Одним из практических шагов в этом направлении стало кардинальное изменение концепции лингвистической политики в университете. В ДонНТУ лингвистическая подготовка является приоритетной составляющей общеинженерной подготовки и строится с учетом новых подходов к ее содержанию. Появление полидисциплинарных наук благоприятствует развитию и использованию трасдисциплинарного подхода в обучении. Речь идет о новом образе мышления, которое охватывает различные дисциплины, на пересечении которых формируются новые знания, умения и навыки, в том числе это касается и иностранных языков [1, с.186-191]. В ДонНТУ работа по подготовке специалистов и магистров с учетом указанного контекста началась достаточно давно, уже более 15 лет назад. У нас в разное время были созданы немецкий, французский и английский технические факультеты, польское отделение, на которых студенты начали углубленно изучать иностранные языки, что позволило им слушать лекции по фундаментальным и техническим дисциплинам на этих языках. Каждый факультет имеет свои особенности в развитии. Но все эти факультеты объединяет одно: в современном меняющемся на глазах мире молодежь должна иметь дополнительные возможности на рынке труда, позволяющие ей более эффективно строить профессиональную карьеру. Эта идея последовательно реализуется в разносторонней деятельности этих факультетов. Опыт, накопленный ФТФ, первый подобного рода на Украине, с нашей точки зрения, является показательным. В основе его создания лежит инициатива преподавателей, которые в разное время работали за рубежом и преподавали на французском языке технические дисциплины. Были сформулированы цели и задачи нового факультета. В феврале 1994 года была набрана первая экспериментальная группа студентов для ускоренного изучения французского языка. Первому декану и его команде пришлось сразу же решать множество организационных и учебнометодических проблем. ФТФ сегодня - это около 300 студентов, 30 преподавателей-специалистов с опытом работы за рубежом, кафедра французского языка - 11 преподавателейлингвистов. Первый выпуск специалистов на факультете состоялся в 1998 году. Факультет не ведет собственного набора студентов. На факультет зачисляются уже поступившие в университет студенты, выбравшие свои специальности по направлениям: ”Экология”, "Электромеханика", "Электротехника", "Металлургия", "Инженерная механика". Кроме освоения своей специальности, студенты ФТФ получают углубленные знания по французскому языку и уже со второго курса слушают на нем лекции по общеинженерным и фундаментальным дисциплинам, выполняют курсовые и квалификационные работы на французском языке. Преподаватели-инициаторы создания ФТФ имеют возможность совершенствовать свой французский язык, использовать приобретенный за рубежом богатый опыт. На ФТФ впервые в ДонНТУ стали создаваться группы студентов, где изучение французского языка начинается практически с "нуля". Специфические цели ФТФ потребовали от преподавателей французского языка коренного пересмотра содержания

курса французского языка, разработки новых рабочих программ, поиска новых подходов и методик, адаптированных к условиям технического вуза. В высшем учебном заведении технического профиля речь идет об обучении иностранному языку со специфической целью. Преподаватель иностранного языка задается массой вопросов. Каковы цели лингвистической подготовки? Что рассматривать как научное: публику, язык или область знаний? Что такое французский научный и технический язык? Какой дидактический материал выбрать? Каковы ожидания ответственных за лингвистическую подготовку лиц? Каково содержание и принципы международного сотрудничества? Научный язык, представляет ли он альтернативу распространению французского языка? Можно ли применить коммуникативный подход к любому типу публики? Научные работники, ученые, исследователи, имеют ли они действительно специфические языковые потребности? На что делать акцент при оценке лингвистической компетенции? Какое содержание выбрать? Существует ли специализированное общение? Как быть, если публика относится к разным сферам и областям науки? Это далеко неполный перечень вопросов, на которые необходимо искать адекватный ответ. Для разработки и апробации новых подходов и новых методик в ДонНТУ были выполнены две государственные научно-методические работы: "Концепция и новые технологии обучения иностранному языку со специфической целью с учетом технической ориентации высшего учебного заведения" и "Современные информационные и коммуникационные технологии в лингвистической подготовке с учетом технической ориентации вуза". Исследования охватили обширную проблематику, связанную с языковой подготовкой современных специалистов. В результате работы по данной тематике дисциплина "Технический перевод" приобрела новое содержание, основанное на новых подходах в ее трактовке, и была переименована в дисциплину "Французский язык научных и технических профессий". Существенные изменения коснулись и методики преподавания языка. Прежде всего, это связано с принятыми Советом Европы общеевропейскими рекомендациями по языковой подготовке (Cadre Européen commun de référence pour les langues : apprendre, enseigner, évaluer) и, соответственно, с новыми подходами к самой проблеме освоения языка. Кроме того, использование ресурсов Internet, информационных и коммуникационных технологий во многом определяет новое содержание лингвистической подготовки [3, с.169-175]. Кафедрой французского языка были разработаны рабочие программы по французскому языку в соответствии с новой концепцией языковой подготовки, принятой в ДонНТУ. В рамках этой концепции предусматриваются следующие курсы: общеязыковая подготовка, французский язык делового и профессионального общения, дополненный специализированным модулем "Создание предприятия"; французский язык научных и технических профессий. Учебным планом предусмотрена также специальная лингвистическая практика. При этом курс французского языка делового и профессионального общения приобретает междисциплинарный и трансдисциплинарный статус. Речь идет не только о получении знаний в языке, но и знаний вокруг языка. Стоит особо остановиться на причинах, почему образование НА французском языке в ДонНТУ приобрело существенное значение и стало востребованным наряду с достаточно хорошо обеспеченным и структурированным курсом французского языка [4, с.172-175]. Использование французского языка как языка образования, как особого

языкового инструмента для более глубокого освоения профессиональноориентированных дисциплин, доступа к оригинальным французским источникам научно-технической информации, постоянного совершенствования в профессиональном плане является уже жизненно необходимой потребностью. Французский язык, документы и французские учебники используются параллельно с обычными дидактическими инструментами на родном языке для преподавания или изучения содержания той или иной дисциплины. Это позволяет менять методологические и дидактические подходы, использовать их во всем разнообразии, благоприятствовать развитию абстракции и концептуализации (второй язык, является намного более абстрактным, чем первый, который более загружен эмоциональностью). И наконец, это также дает возможность повторно вникнуть в гносеологию технической дисциплины и таким образом благоприятствовать новым концептуальным построениям. Использование этих двух лингвистических кодов (вместо одного) помогает также глубже понять культуру другой страны. Специальная литература достаточно компактна в том, что касается возможных методологий, применимых к получению образования на двух языках, родном и иностранном. Наконец, нужно поставить еще один вопрос (и здесь решающую роль могут играть национальные приоритеты) - все ли дисциплины могут изучаться на двух языках? Исходя из нашего опыта, ответить на этот вопрос можно утвердительно. Имеются только выгоды от расширения перечня предметов, изучаемых на двух языках на протяжении всего периода образования. Преподавание/обучение на иностранном языке придает преподавателю новый статус и побуждает его к постоянному совершенствованию и поиску средств развития своих компетенций в языке. Такая работа связана с функциональным оперативным проведением в жизнь знаний и навыков, их тестирования в реальных ситуациях обучения. Лингвистические выгоды здесь очевидны и подтверждаются опытом ФТФ. С созданием ФТФ в ДонНТУ оформилось и активно развивается "французское" направление международной деятельности. Факультет работает в тесном контакте с Посольством Франции в Украине и заявляет о себе как о серьезном партнере в международном сотрудничестве, которое приобретает конкретные формы. Имеются связи с учебными заведениями Франции, Бельгии, России, Чехии, Польши, Болгарии. Подписан ряд Конвенций о сотрудничестве. Подписаны Конвенция о сотрудничестве с университетом города Намюр (Бельгия) и дополнительный Протокол в области методологии и методики французского языка в контексте устойчивого развития, Рамочный Договор с Университетом Химических технологий и металлургии (г. София, Болгария). За эти годы по инициативе ФТФ в университете педагогическими миссиями побывал ряд зарубежных специалистов. В результате их активной работы преподаватели и студенты смогли повысить свой научный и педагогический уровень, получить новые знания по проблемам методики преподавания французского языка, делового и профессионального французского языка, глобализации, управления качеством, устойчивого развития. Университет включился в новое направление работы по осуществлению проекта совместной кафедры UNESСО-PRELUDE под эгидой ЮНЕСКО [2, с.2-75]. Инновационный опыт и положительные результаты работы кафедры французского языка ДонНТУ позволили ее коллективу успешно провести в период с 1999 по 2004г. шесть Всеукраинских Олимпиад по французскому языку для студентов неязыковых вузов.

В ДонНТУ под эгидой Парижской торгово-промышленной Палаты (ПТПП) с марта 1997г. работает экзаменационный центр, в котором ежегодно сдают международный экзамен студенты и преподаватели и получают соответствующие Сертификаты и Дипломы, признаваемые более чем в 125 странах мира. С момента создания экзаменационного центра около 75 кандидатов подтвердили свою компетенцию во французском языке научных и технических профессий, в деловом французском языке. В рамках Конвенции с ПТПП работает также Центр тестирования уровня языковой компетенции (Centre de Test d’évaluation de français (TEF). В 2005 году наш университет первым в Украине стал членом Межуниверситетского агентства франкофонии (Agence Universitaire de la Francophonie (AUF). В ноябре 2006 года был подписан единственный такого рода в Украине Договор между ДонНТУ и сетью французских инженерных вузов ”N+i”. Программа “ N+i ” адресована студентам инженерного профиля, имеющим уровень подготовки в области науки и техники как минимум 4 года в инженерном цикле. Для наших студентов полученное в Украине образование дополняется подготовкой в течение полутора-двух лет (3-4 семестра) во Франции в других областях (языки, культура страны, производственная деятельность, социальные и технические дисциплины, менеджмент и т.д.). По завершении этого образования в соответствии с рекомендациями комиссии по присуждению титула инженера ("Сommission des Titres d’Ingénieurs, CTI") украинские студенты получат инженерный диплом французского вуза с присвоением степени магистра- Master, (в соответствии с системой LMD Болонского процесса). Остановимся еще на одной, важной с нашей точки зрения, стороне деятельности вуза. Университеты технического профиля сталкиваются сегодня с реальностью, к восприятию которой ранее они не были подготовлены. Речь идет о новой, предопределенной им национальной задаче. Университет должен пересмотреть свою роль в культурном воспитании молодежи; роль, которую он пока не воспринимает всерьез с учетом реально существующего контингента студентов. Профессиональная подготовка будущего специалиста остается, конечно же, приоритетной задачей. Но в современных условиях процессы глобализации диктуют новый тип поведения в деловом мире и требуют от специалиста более высокого собственного уровня культуры, а также знаний особенностей культуры стран-партнеров по сотрудничеству. Такую профессиональную подготовку можно дать только при условии междисциплинарного подхода к учебно-воспитательному процессу. Кроме того, крайне важно, чтобы каждый студент согласился с необходимостью развития своей личности, поиска для себя знаний за стенами университета, а наша задача – предоставить ему такую возможность. В ДонНТУ эта проблема рассматривается в контексте культурного развития каждого студента, пришедшего в его стены. Работа эта непростая, требующая ежедневных усилий не только преподавательского корпуса, но и самого студента. В процессе развития ФТФ оказалось, что цели, связанные с углубленной языковой подготовкой, не охватывают всех запросов студентов, особенно в сфере культуры, творческого самовыражения и межличностного общения. Руководство ДонНТУ, по-новому осмысливая культурную миссию университета, живо откликается на творческие студенческие идеи и старается оказывать посильную помощь в их реализации. Прежде всего, в университете был осуществлен пересмотр подходов в изучении дисциплин с целью предоставления студентам больших возможностей для раскрытия их творческого потенциала. Продуманы и внедрены с участием и по инициативе самих студентов такие виды внеаудиторной работы: университетские и всеукраинские

олимпиады, научно-технические конференции (ежегодно по итогам научноисследовательской работы студентов в университете издаётся сборник лучших научных студенческих докладов), международные творческие конкурсы и культурные акции, издание студенческой газеты, театральная деятельность на иностранном языке, творческие выставки. С первых дней жизни факультет стал создавать свои собственные традиции. Был создан студенческий печатный орган - первая газета на французском языке "Sans frontières", название которой в переводе означает "Без границ" и подчеркивает открытость факультета внешнему миру, вынося студенческое общение за рамки факультета. Появление газеты - это отражение потребности студентов в общении, причем общении на иностранном языке. В настоящее время с помощью французского посольства газета распространяется среди французских центров в Украине, передается в вузы-партнеры. Надеемся, что она поможет студентам ФТФ приобрести новых друзей как в Украине, так и в других в том числе и франкоговорящих странах. Студенчество ДонНТУ активно поддержало мероприятия, организованные в рамках Европейского года языков, а также активно участвует в ежегодном праздновании международного Дня франкофонии, других культурных мероприятиях, организуемых Посольством Франции в Украине, ПТПП. Особенно мы гордимся успехами франкоязычного театра. Созданный в 1994 году, он стал подлинным центром студенческого творчества. Студенты-актеры, а также молодые преподаватели смогли найти свой репертуар: сейчас это уже 14 сыгранных спектаклей французских и украинских авторов. Мастерство любительского театра было оценено широкой публикой не только в стенах университета, но также и на международных фестивалях во Франции (гг. Сен-Годенс, Лион) и в Украине (гг. Киев, Ялта, Днепропетровск). Неоднократно труппа завоевывала Гран-При за постановку спектаклей, а также за лучшее исполнение мужских и женских ролей. Чрезвычайно интересным оказался международный проект под названием «Ревизор». По предложению французской стороны (лицей Lycée de Bagatelle, г.Сен-Годенс) были подготовлены две версии спектакля по пьесе Н.В.Гоголя « Ревизор ». Украинская версия была представлена французским театром ДонНТУ. Спектакль вначале был показан на международном фестивале франкофонных театров в апреле 2002г. в Ялте и получил восторженные отзывы присутствовавших на фестивале французских режиссеров и средств массовой информации. Затем спектакль был сыгран во Франции. Франкоязычный театр ДонНТУ, являясь сегодня членом Международной ассоциации университетских театров, выполняет и другие важные функции : утверждение специфики театра в техническом университете, укрепление солидарности и развитие сотрудничества с другими университетскими театрами в мире, влияние на процессы обучения и воспитания, связи с профессиональными театрами, выбор репертуара, участие в школах режиссерского и актерского мастерства, международная организаторская деятельность. Инициативы студентов активно поддерживаются руководством факультета. Здесь каждый может проявить свои таланты и способности. Французский технический факультет отличается демократичностью во всем: будь то общение со студентами, вопросы учебы или внеуниверситетской деятельности. Отражая ритм современной жизни, требования к подготовке инженера "без границ", можно с полным правом сказать, что факультет родился во время. Он подхватил дыхание времени и перемен, принятое его педагогической командой профессионалов-новаторов. Новое поколение талантливых студентов, живущих не только учебой, душой приняло "французский "

уклад жизни факультета. Именно благодаря им факультету удается оставаться молодым вопреки законам природы и уверенно смотреть в будущее. Список литературы: 1. Klyagin Gennadiy & Voskoboinikova Nina. Linguistic Aspect in the Context of Globalization of the Training of Engineering.- The Sixth INRUDA International Symposium on the Role of Universities in Developing Areas "Partnerships in development: technology & social science, universities, industry & government" (Paris, France, 8-11 June, 1999). Edited by Samuel Aroni and John Hawkins UCLA. p.186-191. 2. Klyaguine G., Voskoboynikova N. et autres. Pour une citoyenneté responsable de l’enseignement supérieur (на французском языке). Доклад на Всемирной конференции по высшему образованию CMES +5 (23-25 июня 2003г., Париж, Франция). Изд. ЮНЕСКО, Париж, 2003.- 75с. 3. Kliaguine G.S , Voskoboynikova N.P. « Un nouveau ensemble didactique » у збірнику праць міжнародної науково-практичної конференції „Професійно-орієнтоване навчання іноземним мовам у технічному вузі” (27 квітня 2005 р., м. Донецьк) / Донецьк: ДонНТУ, 2005. – с.169 – 175. 4. Клягин Г.С. "Преподавать на французском языке? Это не так просто…" в сборнике трудов ХІІІ международной научно-технической конференции "Машиностроение и техносфера ХХІ века" (11-16 сентября, г. Севастополь). В 5-ти томах.- Донецк: ДонНТУ, 2006. Т.2.- с. 172-175.

АНАЛИЗ ОСНОВНЫХ СТРАТЕГИЙ ЗАМЕЩЕНИЯ ДАННЫХ ОТНОСИТЕЛЬНО ВОЗМОЖНОСТИ ИХ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ В КМУУ Ковалёв С.А., Шишко С.Н. (ДонНТУ, г. Донецк, Украина) Replacement strategy is the main part of any unit which uses cache technology. The area of cache technology usage defines the replacement strategy which is more efficient for it. It depends on each area of caching provides its own features and demand some approximation of replacement strategy. When cache-memory uses in CMCU it is useful to know which strategy we can use. It is analyses the main strategies, which gives ability to know about specific usage of them in CMCU. В основе любой цифровой схемы лежит принцип микропрограммного управления, который основывается на совместной работе управляющего и операционного автомата. Одним из способов организации управляющего автомата является микропрограммный автомат, который представляет собой комбинацию автоматов с жёсткой и программируемой логикой. Такой автомат имеет максимальное быстродействие и минимальную ёмкость управляющей памяти и называется комбинационным микропрограммным устройством управления (КМУУ) [1]. Одним из способов повышения быстродействия КМУУ является использование в его структуре кэшпамяти, предназначенной для хранения наиболее часто используемых микрокоманд, и имеющей более высокое быстродействие по сравнению с основной памятью. За счёт этого сокращается общее время доступа к блокам микрокоманд. Одним из важнейших элементов определяющих эффективность использования кэш-памяти является стратегия замещения данных, которая обычно реализуется аппаратно.

Рис. 1 – Общая структурная схема КМУУ с кэш-памятью Автомат адресации реализуется с помощью комбинационной схемы КС и регистра памяти РП и формирует адреса микрокоманд, которые хранятся в управляющей памяти УП. Счётчик адреса микрокоманд СТ и управляющая память УП являются автоматом с программируемой логикой и естественной адресацией микрокоманд. Для хранения наиболее часто используемых микрокоманд используется кэш-память К. Предлагается проанализировать несколько основных стратегий замещения данных, которые используются в различных областях кэширования относительно возможности их использования в КМУУ. Мерой эффективности стратегии замещения является количество возникающих промахов т.е. ситуаций при которых выбираемая микрокоманда не находится в кэшпамяти. Билэйди (Bilady) показал в [2], что теоретический максимум эффективности определяется стратегией OPT. Эта стратегия имеет теоретический характер, поскольку невозможна в практической реализации. Суть этой стратегии в том, что каждой строке кэш-памяти сопоставляется число, изменяющееся в каждом такте работы и равное числу тактов работы устройства, начиная с текущего момента до момента использования любых данных из блока, хранящегося в данной строке. В случае кэшпромаха замещается строка, имеющая максимальное значение этого числа. Причина невозможности практической реализации стратегии заключается в том, что в общем случае невозможно точно определить, к каким блокам основной памяти произойдет обращение в следующих тактах работы устройства. Среди других стратегий имеющих практический характер можно проанализировать следующие: FIFO (First-in, First-out). При этой стратегии замещения замещается блок микрокоманд, который наиболее давно находится в кэш памяти [3]. К недостаткам этого алгоритма можно отнести тот факт, что продолжительность нахождения микрокоманды в кэш памяти далеко не всегда подразумевает то что эта микрокоманда понадобится снова. Одним из способов реализации этой стратегии в КМУУ может быть использование блока регистров такта присутствия БРТП. При очередной загрузке блока микрокоманд в кэш-память, в соответствующем БРТП устанавливается число m = N – 1, где N – число строк в кэш-памяти. Это число декрементируется с каждым тактом работы устройства до тех пор, пока m станет равным 0, после чего происходит замещение блока микрокоманд.

LRU (Least Recently Used). При использовании этой стратегии в КМУУ замещается блок микрокоманд, к которому дольше всего не было обращений [4]. Колво промахов ограничено следующим образом: FLRU ≤ kFOPT Здесь k - количество блоков микрокоманд помещающихся в кэш, а FOPT количество промахов стратегии OPT [5]. Одним из способов реализации этого алгоритма в КМУУ может быть использование блока регистра такта обращения БРТО. В этом блоке содержится порядковый номер такта, в котором происходило последнее на данный момент обращение к микрокоманде из блока, размещенного в соответствующей строке кэшпамяти. Эта информация поступает от счётчика тактов, который находится в кэш контроллере. При очередном кэш-промахе замещается строка, имеющая наименьшее значение в регистре такта обращения. Недостатком данного алгоритма является значительная сложность аппаратной реализации, резко возрастающая с увеличением числа строк кэш-памяти и числа микрокоманд, так как разрядность БРТО должна быть достаточной для хранения максимального номера такта. LFU (Least Frequently Used). В данной стратегии замещается блок микрокоманд с наименьшим количеством обращений [6]. При реализации данной стратегии в КМУУ может быть использован счётчик числа обращений к блокам микрокоманд. При этом замещению подлежит микрокоманда с наименьшим значением счётчика. Разрядность счётчика определяется как rCT ≈ maxq ( Bi ) , где q ( Bi ) - среднее количество обращений к блоку. Таким образом, разрядность счетчика определяется максимальным числом обращений к блоку. К недостатку этой стратегии можно отнести тот факт, что блоки микрокоманд к которым в текущий период времени не производятся обращения, могут по прежнему удерживаться в кэш-памяти за счёт большого числа ранее накопленных обращений. MRU (Most Recently Used). Эта стратегия вытесняет из кэш-памяти блок микрокоманд, который использовался последним [7]. При использовании его в КМУУ можно использовать блок регистров такта обращения БРТО. Но в отличие от LRU при очередном кэш-промахе замещается строка, имеющая наибольшее значение в регистре такта обращения. К недостатку алгоритма относится тот факт, что замещаемый блок микрокоманд, который использовался последним, может быть затребован снова в ближайшее время. LIFO (Last-in, First-out). Стратегия заключается в замещении микрокоманды помещённой в кэш последней [8]. Одним из способов реализации этой стратегии в КМУУ может быть использование дополнительного бита в блоке регистров тэгов. При каждой очередной загрузки в кэш-память блока микрокоманд, бит соответствующего регистра тэга устанавливается в единицу и подлежит замещению при следующем кэшпромахе. Довольно неэффективное использование кэш-памяти, так как при каждом кэш-промахе замещается тот же блок микрокоманд, который поступил в кэш-память последним, а остальные блоки не замещаются на протяжении выполнения алгоритма. NRU (Not Recently Used) [9]. Основное отличие данной стратегии от стратегии LRU в том что, в общей стратегии LRU анализируются блоки микрокоманд в течении всего интервала времени и замещается блок к которому дольше всего не было обращений. А в стратегии NRU анализируются блоки микрокоманд только в течение последнего временного интервала. В случае с КМУУ замещается блок, который выполнялся наиболее давно в течении n последних тактов работы устройства. Параметр

n может быть постоянным или изменяющимся, причём последний может значительно повысить эффективность кэш-памяти. NFU (Not Frequently Used). Блоки микрокоманд, согласно данной стратегии, используя модификацию Aging, анализируются и замещаются в течении определённого промежутка времени [10]. Тем самым исключается ситуация когда блоки микрокоманд могут удерживаться в кэш-памяти за счёт большого числа ранее накопленных обращений. Вместо простого инкрементирования счётчика числа обращений, происходит сначала сдвиг его влево (деление на 2), затем добавляется бит числа обращений в левую часть двоичного числа. Например, если блок микрокоманд имеет биты обращений 1,0,0,1,1,0 в течении 6 последних тактов работы, то его счётчик обращений будет выглядеть следующим образом 10000000, 01000000, 00100000, 10010000, 11001000, 01100100. Ближайшее к текущему времени обращение к блоку микрокоманд имеет более высокий приоритет по сравнению с блоком микрокоманд, обращение к которому происходило давно. Random. Заключается в случайном выборе замещаемой строки [8]. К достоинствам алгоритма относится относительная простота аппаратной реализации, так как нет необходимости накапливать и анализировать статистические данные о частоте и порядке использования блоков в кэш-памяти. Относительно КМУУ можно использовать только генератор случайных чисел для выбора замещаемой строки и нет необходимости в использовании дополнительных блоков регистров. Недостаток алгоритма в том, что не учитывается возможная высокая вероятность обращения к замещаемому блоку в ближайшее время. Second-chance. Данная стратегия является модификацией стратегии FIFO. В общей стратегии FIFO замещается блок микрокоманд, который наиболее давно находится в кэш-памяти, не зависимо от того было к нему обращение или нет. При реализации стратегии Second-chance, блокам микрокоманд даётся второй шанс, т.е. если блок микрокоманд, который находился в кэш-памяти наиболее долго и подлежит замещению, не имел ни одного обращения к себе, то он ставится в конец очереди так, как будто это вновь прибывший блок и процесс повторяется [10]. В случае с КМУУ можно также использовать БРТП по аналогии FIFO, но уже с дополнительным битом обращения. Таким образом, проводится проверка бита. Если он установлен, то происходит замещения блока, если нет, то блоку даётся второй шанс. Clock. В общем случае данная стратегия является более эффективной модификацией стратегии FIFO, чем стратегия Second-chance, т.к. нет необходимости постоянно ставить блок микрокоманд в конец очереди. Стратегия Clock хранит циклический лист страниц в памяти с итератором, указывающим на блок микрокоманд который находится в кэш-памяти наиболее продолжительное время. Поиск блока для замещения осуществляется путём циклического просмотра всех блоков находящихся в листе. Если итератор находит блок микрокоманд с нулевым битом обращения, то этот блок замещается новым блоком, иначе если бит обращения равен единице, то он устанавливается в ноль и итератор увеличивает своё значение на единицу, пока не будет найден блок с нулевым битом обращения [8]. Реализация в КМУУ стратегии Clock может быть идентичной реализации стратегии Second-chance. В результате анализа основных стратегий замещения данных можно сделать вывод, что все эти стратегии могут быть использованы при организации КМУУ с кэшпамятью. Причём модификации и комбинации некоторых из них могут повышать эффективность работы кэш-памяти. С точки зрения затрат оборудования наиболее эффективной является стратегия Random, так как в отличие от других стратегий в ней

отсутствуют блоки дополнительных регистров необходимых для сбора и анализа различного рода статистических данных. Список литературы: 1. Баркалов А.А., Матвиенко А.В. Реализация микропрограммного устройства управления композицией автоматов с жесткой и программируемой логикой // Микропроцессорные средства, разработка и применение. – К.: ИК АН УССР, 1985. – С. 38-42. 2. Belady L.A. A Study of Replacement algorithms for Virtual-Storage Computer //IBM Systems Journal. – 1966 – Vol. 5, No. 2. –P. 78-101. 3. Abraham Silberschatz, Peter Baer Galvin, Greg Gagne. Operating Systems Concepts (Seventh Edition).: Wiley 2005. p. 339. 4. Mattson R.L., et al. Evaluation techniques for storage hierarchies // IBM Systems Journal. -1970. -Vol. 9, No. 2. -P. 78-117. 5. Sleator D.D., Tarjan R.E. Amortized efficiency of list update and paging rules // Communications of the ACM. 1985. -Vol. 28, No. 2. -P. 202-208. 6. Effelsberg W., Haerder T. Principles of Database Buffer Management // ACM Trans. on Database Systems. -1984. -Vol. 9, No. 4. -P. 560-595. 7. Thorington J.M.Jr., David J. IRWIN, An Adaptive Replacement Algorithm for Paged Memory Computer Systems // IEEE Transactions on Computers. October 1972. -Vol. 21, No. 10. -P. 1053-1061. 8. Douglas W. Jones 22C:116, Lecture Notes, Sept. 8, 1995 9. Song Jiang and Xiaodong Zhang TPF: a dynamic system thrashing protection facility. Software-Practice and Experience Softw. Pract. Exper. 2002; 32:295–318 (DOI: 10.1002/spe.437). 10. Tanenbaum, Andrew S. Modern Operating Systems (Second Edition). New Jersey: PrenticeHall 2001. ТЕХНОЛОГИЯ И ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ КОМПЛЕКСНОЙ ПЕРЕРАБОТКИ ОТХОДОВ АЛЮМИНИЯ Кожанов В.А., Бредихин В.Н., Маняк Н.А.,Кульбида Е.П. (Донецк, ДонНИПИЦМ, ДонНТУ, Украина) New developments are presented of the process and equipment concerning the aluminium scrap and waste treatment. The application of developed process and special types of units has allowed increasing the recovery of metal and reducing the ecological load of the environment Введение. Жизненный цикл любого изделия, машины, аппарата заканчивается по причине морального или физического их износа. Лом (отходы потребления), в большинстве случаев, это сложное, многокомпонентное сырьё, при переработке которого требуется специальные технологические схемы и соответствующее аппаратурное оформление. При этом решаются не только технологические проблемы - получения качественных конечных продуктов- металлов и неметаллов, но и экологические, в первую очередь, решение проблем охраны окружающей среды. Анализ современного состояния. Алюминиевый лом содержит в своём составе металлы и неметаллы, поэтому одна из основных задач в начале технологического процесса это разрушение связи между этими компонентами с использованием операций фрагментирования, дробления, измельчения - т.е. получение механической смеси материалов[1].Механическая смесь материалов проходит цикл операций сепараций, при которых происходит выделение полезного компонента и металлургический передел.

Однако следует отметить что фрагментирование, дробление и измельчение алюминиевого лома не простая задача, т.к. компоненты лома обладают диаметрально противоположными прочностными механическими характеристиками (вязкость, твёрдость, пластичность и др.)[2]. Постановка задачи. С целью получения при дроблении механической смеси в ДонНИПИЦМ разработан технологический ряд дробильных агрегатов (фрагментаторов, дробилок) для алюминиевых отходов имеющих различное физическое состояния. Металлургическая переработка подготовленного лома имеет значительное количество экологических проблем. При этом чем дешевле шихта, т.е. чем меньше затраты на её подготовку, тем дороже металлургический передел. Однако затраты на подготовку шихты, в конечном счёте, значительно снижает как технологические, так и экологические проблемы в последующих операциях. Основная часть исследоаний. Дроблёный лом в дальнейшем проходит ряд технологических сепарационных операций по удалению железа, проводников тока, бумаги и разделения дроблёного алюминиевого лома на сплавы (группы сплавов) шихта для металлургического передела. В данном сообщении агрегаты для фрагментирования, сепарации и дробления стружки, шлака и кабельного лома не рассматриваются. На рис.1 представлена линия дробления кускового алюминиевого лома с использованием дробилки АДЗА175х160, а в табл.1 даны технические характеристики дробильных агрегатов, которые решают аналогичные задачи[3]. лома №

Таблица 1. Техническая характеристика агрегатов для дробления алюминиевого Наименование показателей Производительность при дроблении: литейных алюминиевых сплавов деформируемых алюминиевых сплавов Максимальные размеры исходного сырья, не более: деформируемый лом • длина • ширина • толщина стенки литейный лом: • длина • ширина • толщина стенки Номинальные размеры ротора: • длина по дискам • Ø по окружности молотков Размер щелей колосниковых решёток: • нижней, под ротором • верхней, над ротором

Единица измерени я т/час

Тип агрегата АДЗА АДЗА 129×150 175×160 4÷6 2÷3

6÷8 4÷5

2000 1400 10

3000 1400 10

500 300 30

500 300 50

мм

1,50 1,29 200×80 186×138

1,63 1,75 145×80 186×130

Продолжение табл. 1 5. Масса молотка 6. Частота вращения ротора 7. Мощность привода вращения ротора Скорость подачи лома валками загрузочного устройства 9. Общее усилие прессования валками 10. Масса агрегата без запчастей, в т.ч.: • дробилки • загрузочного устройства 11. Габаритные размеры агрегата: • длина × ширина× высота 8.

кг мин-1

50,0 600 250

кВт мм/сек т т

70,0 600 315

146,7 2,0 56,5 41,8 14,7

146,7 3,0 85,7 62 23,7

7×8×4

11×10×6

Рис. 1. Линия дробления алюминиевого лома: 1 – загрузочное устройство, 2 – дробилка, 3 – магнитный сепаратор подвесной, 4 – магнитный сепаратор шкив-ной, 5 – немагнитная фракция, 6,7 - магнитная фракция, 8 – фильтр аспирационный. В настоящее время основными агрегатами для плавки алюминиевых отходов являются пламенные отражательные печи. Однако стремление сократить потери металла при переплаве шихты с развитой, загрязнённой поверхностью (лом, стружка, шлак и т.п.) и большое газообразования послужило основной причиной для разработки

роторных печей с горизонтальной осью вращения (рис.2), а в дальнейшем разработки роторных печей с наклонной осью вращения, рис. 3.

Рис. 2. Роторная печь вмести-мостью 16т по алюминию Разработан технологический ряд печных агрегатов роторных печей с горизонтальной и наклонной осью вращения, различной вместимостью в диапазоне 5÷20т по алюминию. В табл.2, представлены технические характеристики таких печей[4,5].

Рис.3. Роторная наклонная печь вместимостью 5т по алюминию (компьютерная сборка): 1-вход газовой горелки, 2– выход газов, 3–печь роторная поворотная, 4– тракт газоотводящий, 5– венец зубчатый с приводом вращения печи.

Таблица 2. Технические характеристика роторных наклонных печей № Тип печи Наименование Единица п/п показателей измерения ПРНА-0,54 ПРНА-5 1. Вместимость печи т 0,54 5,0 2. Максимальная глубина мм 500 1040 ванны 3. Вид топлива Природный газ,35600кДж/м3 5. Горелочное устройство Тип ГБФ-0,45 ГБФ-2,2 6. Тепловая мощность: • мин/ ном МВт 0,19/0,45 0,9/2,2 7. Загрузочное окно мм Ø 680 Ø 1400 8. Привод вращения печи Тип фрикционная цепная 9. Мощность привода кВт 4,0 15,0 вращения печи 10. Частота вращения мин-1 2÷10 2 корпуса печи 11. Привод наклона печи Тип Гидравлический 13. Масса без запчастей в т.ч.: т 5,6 40,0 •метал.конструкций 2,2 24,2 • футеровки 3,4 15,8 14. Габаритные размеры: длина×ширина×Ø бандаж 3,4×2,0×1,4 6,2×4,0×2,5 высота при загрузке м шихты 2,5 3,7 высота при сливе металла 3,3 4,7 Этот тип печей имеет значительные преимущества перед всеми типами печей эксплуатируемыми в настоящее время для плавки лома цветных металлов и в первую очередь для плавки шлаков и загрязнённых отходов. Преимущества роторных печей с наклонной осью вращения заключаются в следующем: • сокращение расхода флюса (соли) на 50%; • увеличение производительности печи на 70%; • увеличенное загрузочное окно; • отсутствие дополнительных выпускных окон для слива шлака, т.е. снижение газовых выбросов в цех на 20÷25%. Для ускорения процесса плавки и повышения теплотехнического КПД печные агрегаты оснащены устройствами виброционных питателей для подачи дробленого лома в печь, а также приспособлениями для очистки расплава и безокислительной разливки металла на облегчённые конвейера в слитки массой 4÷6 кг, рис.4 [4,5]. Одной из последних разработок в технологии переработки алюминиевого лома является агрегат по обработки шлака. Перед металлургами на протяжении многих лет стояла задача: максимально очистить расплав от оксидов при этом получить минимальное количество шлака с минимальным содержанием в нём металлической составляющей[6].

Рис. 4. Устройство очистки и безокис-лительной разливки металла в изложницы 1-синхронизатор, 2-блок безокислитель-ного розлива, 3-блок фильтрования, 4-конвейер разливочный Как видим эти требования взаимно исключающие. Поэтому шлак содержит до 50% металла и возврат его является первостепенной задачей при металлургическом переделе. Для извлечения металлической составляющей из шлака, т.е. отделения оксидной части от металлической необходимо проводить как можно быстрее после извлечения шлака из печи, т.к. извлеченный из печи шлак попадает в атмосферу богатую кислородом и при остывании (до 300оС) в течении 5÷10 мин. металлическая часть интенсивно переходит в оксидную. При остывании шлака протекает неуправляемая химическая термитная реакция. Температура шлака повышается до 1500оС, при этом кислород, азот и диоксид углерода образуют с алюминием оксиды, нитриды и карбиды алюминия. В процессе термитных реакций в шлаке сгорает порядка 1% в минуту Рис.5. Пресс для разделения металлического алюминия. Следовательно, металлической и оксидной состав- в это время остывающий шлак не только ляющих алюминиевого шлака способствует снижению извлечения металла (усилие 80 т): 1 – рама пресса, 2 – из-за перехода его в оксидную форму, но и пуансон, 3 – изложница с горячим происходит значительное образование шлаком, 4 – изложница для жидкого газов- т.е. создаются дополнительные металла, 5 – гидроцилиндр. экологические проблемы. Разработанное устройство основано

на прессование горячего шлака, когда под воздействием давления жидкий металл отделяется от твёрдой составляющей (оксидная и солевая часть) и перемещается в сторону наименьшего давления, рис.5. Прессование горячего шлака является самой совершенной технологией при переработке лома и отходов на сегодняшний день, табл.3. Представленная технология решает не только технологическую задачу максимальное извлечение металла, но решает и экологическую задачу – снижает в 2÷3 раза выбросы пыли и газа, требует малых заводских площадей, имеет низкие капитальные и эксплуатационные затраты. Таблица 3. Техническая характеристика установки алюминиевых горячих шлаков ПОГАШ-80 1. Номинальное усилие прессования, тс 2. Номинальное давление рабочей жидкости в гидросистеме, кгс/см2 3. Максимальный ход штока гидроцилиндра, мм 4. Размеры камеры прессования, мм • длина × ширина 5. Объём шлаковницы, дм3 6. Время цикла охлаждения, мин. 7. Установленная мощность электрооборудования, кВт 8. Масса пресса без оснастки и маслостанции, т 9. Габаритные размеры, м • длина (при открытой двери) × ширина×высота

по

переработке 80 160 500 1,8×8,6 270 5÷10 30 7,0

2,4(4,2)×1,7×3,1

Выводы. Разработана современная технология и оборудование, которые позволяют проводить весь комплекс шихтоподготовительных и металлургических операций при переработке лома и отходов, содержащих алюминий. Предложенная технология и комплекс оборудования внедрены на ряде предприятий стран СНГ. Использование роторных наклонных печей сокращает расход флюса (соли) на 50%; производительность печи увеличивается на 70%; снижаются объемы газовых выбросов в цех на 20÷25%; загрузочное окно увеличивается на 30÷50%, что позволяет загружать крупногабаритный лом. При переработке алюминиевого лома извлечение металла в готовую продукцию составляет 90÷93% при этом загрязнение окружающей среды как твёрдыми, так и газообразными продуктами сокращается в 2÷3 раза. Список литературы: 1. Колобов Г.А., Бредихин В.Н., Чернобаев В.М. Сбор и обработка вторичного сырья цветных металлов. Учебник для вузов./ - М.: Металлургия, 1993.-228 с. 2. Бредихин В.Н., Шевелев А.И. Современные технологии для переработки отходов цветных металлов. –М.: ЦНИИЭИЦМ, В.1,1991.-74с. 3. Смирнов В.А.,Бредихин В.Н., Шевелев В.А., Обогащение руд и отходов цветных металлов. Монография, ДонНТУ-Донецк, Кальмиус, 2008.500с. 4. Контракт на разработку печного оборудования для ООО «Русский металл», Россия, ДонНИПИЦМ, Донецк, 2004. 5. Колобов Г.А., Бредихин В.Н., Маняк Н.А., Шевелев А.И. Металлургия цветных металлов, Монография, ДонНТУ, -Донецк, Кальмиус, 2007,462с.

ОПТИМИЗАЦИЯ КОНСТРУКЦИИ СБОРНОЙ КОЛОННЫ ПОДЪЁМНОГО УСТРОЙСТВА ДЛЯ СПАСАТЕЛЬНЫХ И АВАРИЙНОВОССТАНОВИТЕЛЬНЫХ РАБОТ Кравченко П.Д., Дудченко А.Н. (ВИС ЮРГУЭС, ВИ ЮРГТУ (НПИ); г. Волгодонск, Россия) Process of optimization of column assembled for hoisting equipment during restoring operation is represented. Подъёмная установка, состоящая из трёх разборных колонн, шарнирно закреплённых к опорам и общему узлу, представляет собой простейшую пространственную ферму. Каждая из колонн собирается из унифицированных элементов, изготавливаемых из прокатных труб. Необходимо оптимизировать геометрические параметры секции, от которых зависит масса колонны и всей установки в целом, а так же время монтажа конструкции. Оптимизируем параметры: D − наружный диаметр трубы; δ − толщина стенки трубы; δ B − толщина вставки; LC − длина секции. Ограничения: LK = 21 м – длина колонны; M C ≤ 200 кг – масса одной секции; λ ≤ [λ ] − гибкость колонны согласно нормам расчёта; σ ППИ ≤ mR − условие прочности при продольно-поперечном изгибе; σ И ≤ mR − условие прочности при плоском изгибе; WB = W − условие равнопрочности вставки и трубы при изгибе. С уменьшением числа секций сокращается время монтажа колонн. Длина секции ограничивается её допустимой массой ( AT LC + AB l B )ρ ≤ M C , где AT =

πD 2

(1 − C ) − площадь

CT =

сечения трубы; AB =

πDB2

(1 − C ) − площадь

сечения 4 4 вставки; l B = 0,2 LC − длина вставки, принимаемая конструктивно; ρ − плотность стали; 2 T

2 B

D − 2δ − 2δ B D − 2δ ; CB = . D D − 2δ Подставляя обозначения, получаем неравенство

π 4

( (

)

(

))

LC ρ D 2 1 − CT2 + 0,2(D − 2δ ) 1 − CB2 ≤ M C . 2

(1)

Рассмотрим условие прочности колонны при плоском изгибе в момент начала её подъёма с целью монтажа подъёмной установки. Расчётная схема показана на рис.1. На рисунках 2 и 3 представлены конструктивные эскизы колонны длиной LK с концевыми секциями L0 , со вставками длиной LB и местом соединения K вставок с секциями. Конструктивные и технологические задачи проработаны. Масса секции ограничена

M C ≤ 200кг в связи с необходимостью удобства доставки отдельных частей к месту аварийно-восстановительных работ и монтажа колонны за краткое ограниченное время.

Рис.1. Расчётная схема балки

Рис.2. Схема соединения секций колонны

Рис.3. Расчётная схема сборной колонны. Расположение опоры А, соответствующее точке подвеса колонны, найдём из равенства изгибающих моментов на опоре М А и в пролете М О . Распределённую нагрузку q принимаем как средневзвешенную q=

ρ (D 2 (1 − CT2 ) + 0,2(D − 2δ )(1 − C B2 ))g .

4 где g − ускорение свободного падения.

qL (L / 2 − Z ) qL2K ; RB = K K . Значение LK − Z 2(LK − Z ) Z 0 определяем из равенства нулю поперечной силы R L (L / 2 − Z ) Z0 = B = K K q LK − Z Изгибающий момент на опоре А Z2 . MA = q 2 Наибольший момент в пролёте Из уравнений равновесия находим R A =

Z 02 qL2K  LK / 2 − Z   .  M 0 = RB Z 0 − q = 2 2  LK − Z  Приравниваем правые стороны, получаем алгебраическое уравнение 4 степени Z 4 − 2 LK Z 3 + L3K Z − LK / 4 = 0 .

Действительный корень этого уравнения

Z = 0,2929 LK ≅ 0,3LK . Расчётный изгибающий момент

M расч = M A = qZ 2 / 2 = 0,045qL2K . Осевой момент сопротивления сечения трубы πD 3 ( WT = 1 − CT4 ) . 32 Условие прочности при плоском изгибе M расч qL2K σn = ≤ mR или 1,44 ≤ mR . WT πD 3 (1 − CT4 ) Условие равнопрочности при изгибе вставки и трубы

WB = WT или CT3 (1 − C B4 ) = (1 − CT4 ).

(2)

(3)

Рассмотрим условие прочности колонны при продольно-поперечном изгибе. В диапазоне угла наклона колонны к плоскости 60 ≤ α ≤ 90 0 наихудшие условия работы будут при α = 60 0 . Для этого случая продольная нагрузка сжатия N = 50кН , поперечная изгибающая нагрузка q n = 0,5q . Используем условие прочности M П Nf N (4) + + ≤ mR , WT WT AT q П L2K − наибольший изгибающий момент от поперечной нагрузки; 8  N  f = f П / 1 − П  − наибольший прогиб от продольных и поперечных нагрузок;  PKP  PKP − критическая сила центрально сжатого стержня. Наибольший прогиб возникает в середине колонны 5q П L4K , fП = 384 EI T где M П =

где I T =

πD 4

(1 − C ) − осевой момент инерции трубы. 4 T

64 Критическая сила центрально сжатого стержня π 2 EI T . PKP = L2K Согласно нормам расчёта гибкость сжатых элементов стоек из одиночных труб не должна превышать предельной

λ ≤ [λ ] = 180

(5)

Этому значению гибкости соответствует допустимый для принятия радиус инерции [r ] = µLK /[λ ] = 11,7 см, которому удовлетворяет горячекатаная труба 351/8, имеющая погонную массу m=67,67 кг/м при r=12,1 см. Наружный диаметр этой трубы D=351 мм; толщина стенки 8 мм. Таким образом, из условия ограничения гибкости необходимо принимать трубу диаметром не менее 351 мм. Проведём проверку прочности колонны, изготавливаемой из стали марки 10ХСНД: условный предел текучести σ 0, 2 = 390 МПа; временное сопротивление

δ B = 530 МПа; расчётное сопротивление R=340 МПа. Коэффициент условий работы

принимаем m=0,9. Принимаем наиболее лёгкую трубу: D=351 мм; δ = 8 мм. D − 2δ Для неё CT = = 0,954 . D Из условия (3) получаем CB 4 1 −

1 − CT4 = 0,946 . CT3

D − 2δ − 2δ B , находим D − 2δ δ B = (D − 2δ )(1 − C B ) / 2 = 9,0 мм. Внутренний диаметр вставки d B = D − 2δ − 2δ B = 317 мм. Принимаем трубу 351 / 8 , внутренний диаметр которой d B = 315 мм . После расточки получаем DB = 335 мм; δ B = 10 мм; C B = 0,940 . Вычисляем интенсивность нагрузки от собственного веса колонны Н π 2 q = ρ D 2 1 − CT2 + 0,2(D − 2δ ) 1 − C B2 g = 828 . м 4 Проверяем условие прочности (2) qL2 1,44 3 K 4 = 22,5 МПа; mR = 306 ; 22,5 << 306 . πD 1 − CT Таким образом, по монтажным напряжениям прочность достаточна. Находим длину одной секции из условия (1): 4M C LC ≤ = 2,37 м. 2 2 πρ D 1 − CT + 0,2(D − 2δ )2 1 − C B2 Число секций равно L  nC = entier  K  + 1 = 9 .  LC  Длина одной секции из геометрических соображений L LC = K = 2,33 м. 9 Наибольший изгибающий момент от поперечной нагрузки при α = 60 0 q П L2K Н = 22800 Н ⋅ м. . q П = 0,5q = 414 ; M П = 8 м Осевой момент сопротивления трубы WT = 723см 3 = 0,723 ⋅10 −3 м 3 .

Используя обозначение C B =

( ( (

( (

)

))

(

)

(

))

Осевой момент инерции трубы I T = 12680см 4 = 0,127 ∗ 10 −3 м 4 . Площадь сечения трубы AT = 86,2см 2 = 0,0862 м 2 . Наибольший прогиб от поперечной нагрузки 5q L4 f П = П K = 0,0412 м . 384 EI T Критическая сила π 2 EI T PКР = = 568000 H . L2K Наибольший прогиб от продольных и поперечных нагрузок  N   = 0,0452 м . f = f П / 1 − PKP   Максимальное напряжение при продольно-поперечном изгибе M П Nf N + + = 69МПа. WT WT AT Проверяем условие (4) 69 < 306. Все ограничения выполняются. Решающее влияние на оптимизируемые параметры оказали ограничения на массу одной секции и предельное значение гибкости колонны. Масса колонны 1740 кг. Рассмотрим возможность принятия труб 299/8 как основного несущего элемента и 299/18 для изготовления вставки, которая оказывает влияние на гибкость колонны, являющейся важнейшим ограничивающим фактором оптимизации. Для учёта влияния жёсткости вставок воспользуемся исследованием устойчивости стержней, имеющих местное ослабление сечений, выполненное С.П. Тимошенко [1]. Он нашёл оригинальное решение задачи, приведя величину снижения критической силы к эквивалентному увеличению расчётной длины стержня. Очевидно, что при местном усилении отдельных сечений стержня произойдёт увеличение критической силы, что эквивалентно уменьшению гибкости стержня. Для шарнирно опёртого стержня влияние усилений можно вычислить по формуле πC I1 − I n (6) cos i , δl = d ∑ I i =1 l где δl − изменение длины стержня; d − длина усиленного участка; I − момент инерции стержня; I 1 − момент инерции усиленного поперечного сечения; C i − расстояние усиления от середины стержня. Для рассматриваемого случая составной колонны имеем d = LK / 45 ; I = I T = 0,775 ⋅ 10 −4 м 4 ; I 1 − I = I B = 0,800 ⋅ 10 −4 м 4 ; C 3 = C 4 = LK / 6 ; C 5 = C 6 = 5 LK / 18 ; l = LK ; C1 = C 2 = LK / 18 ; C 7 = C8 = 7 LK / 18 ; C 9 = L K / 2 . По формуле (6) получаем δLK = 0,0950 LK . Приведённая эквивалентная длинна колонны L/K = LK − δL = 0,9050 LK . Приведённая гибкость λ/ =

L/K 0,905 = = 184 ≅ [λ ] ; (∆λ = 2% ) . 0,103 rT

LK = 134кг . 9 L Масса вставки одной секции M B = m B K = 32кг . 45 Масса одной секции M C = M T + M B = 166кг .

Масса трубы одной секции M T = mT

Масса колонны M = 9 M C = 1494кг . Экономия металла по сравнению с первым вариантом 1737 − 1494 ⋅100 = 14% . ∆M = 1737 С учётом выявленных резервов устойчивости колонны можно уменьшить число секций до nC = 8 . Тогда длина одной секции LC = 2,625 м , а её масса составит M C = 187 кг . Выполненные оптимизационные расчёты позволяют обоснованно подойти к проектированию, изготовлению, испытанию быстросборной колонны для использования в условиях аварийно-спасательных работ. Список литературы: 1. Тимошенко С.П. Устойчивость стержней, пластин и оболочек. М.1971, 808с. СОВРЕМЕННАЯ ПАРАДИГМА ОБЩЕЙ ТЕХНОЛОГИИ МАШИНОСТРОЕНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИИ ТЕХНИКИ Кривощёков В.Е. (Одесский учебно-исследовательский центр (ОУИЦ) «Надежность в судоходстве» Всеукраинской ассоциации «Надежность», г. Одесса, Украина) Техносфера или «вторая природа - мир машин» [1, 2], созданных человеком в результате научно-технического прогресса, также пригодна к стратификации, значит, к анализу и синтезу с целью изучения и поддержания устойчивого развития всей жизни на Земле. Круговорот воды, еды… и всех других видов и прочих подвидов веществ и энергии происходит объективно, вне нашего сознания, и в биосфере, и в техносфере. Осознание человечеством, по крайней мере высококультурной его частью, в середине прошлого века ограниченности всех видов ресурсов на планете (кроме, конечно, людских) послужило основой развития внутри обеих сфер (и био-, и техно-) индустрии реновации – нового вида производственной деятельности по восстановлению (recovery) функциональных свойств изношенных в процессе эксплуатации машин и их элементов. «Ремонт и/или реновация» - так или приблизительно так можно определить этот вид (процесс) производственной и людской деятельности на русском языке. Достаточно подробно этот процесс описан авторов настоящего доклада на примере судовых энергетических установок в мировой судоходной индустрии [3-7]. Современная характеристика этого процесса в трактовке украинских и российских ученых представлена в работе [8], а его интеллектуальная подпитка и сегодня осуществляется, например, международным журналом «Ремонт. Модернизация. Восстановление» (Национальный технический университет России «МВТУ имени Баумана», г. Москва), ежегодными международными научно-техническими конференциями «Инженерия поверхности и реновация изделий» (Ассоциация технологов-машиностроителей Украины, г. Киев), ежегодными международными семинарами «Современные

технологии ремонтно-восстановительных работ в промышленности» (ИЭС имени Е.О Патона Национальной академии наук Украины, г. Киев) и др. К концу прошлого века передовым умам и бизнес-кругам в индустриально развитых странах Запада становится понятным, что индустрия реновации, включая ремонт, позволяющие теоретически повышать долговечность машин до бесконечности, не спасает их от «морального старения». Более того, эта индустрия в существующем на тот момент виде, является тормозом научно-технического прогресса в создании новых машин и, следовательно, барьером в развитии бизнеса как такового. Осознание тупиковости дальнейшего самостоятельного развития реновационных (ремонтных) технологий присутствовало и в бывшем СССР, что позволило первому и последнему президенту Советского Союза М.С. Горбачеву в стратегический план несостоявшегося единения советских республик до 2000 года заложить программы сдерживания «раздутого до небес» ремонтного производства, почти сравнявшегося к тому времени по уровню капитализации с основным производством новых машин [9]. «Это сладкое слово – ремонт» - приблизительно под такими заголовками в конце 80-х годов прошлого века выходили статьи продвинутых советских журналистов, описывающих черные и серые схемы «делания денег из воздуха» при ремонтах и реновациях в сфере любой техники. Правда, некоторые из них потом попадали в мартирологи союзов журналистов различного уровня, «случайно» погибая и/или исчезая при «неизвестных и нераскрытых» обстоятельствах. Советские ученые, что постарше и воспитаны в «шарашках» ГУЛАГа, и что помоложе, и генетически впитавшие страх предков, вели себя несколько скромнее и покладистее. Хотя в отчаянных умах некоторых из них – прогрессивно мыслящих «холериков», отслеживающих мировой научно-технический прогресс, и, по-детски, с неуёмным любопытством улавливающих дыхание (вздохи и выдохи) био- и техносферы, возникали публичные предложения типа: «…закрыть во всех технических вузах Украины (и России вместе с Белоруссией) учебную дисциплину «Ремонт машин», как не отвечающую современной концепции развития техники…» [10]. К этому стоит лишь добавить: концепции существования техно- и биосфер на современном этапе. Рожденная в середине 90-х прошлого века в США рециклинговая индустрия в сфере автомобилестроения сегодня эффективно развивается и уже закреплена в международном стандарте ISO 22628:2002 [9], в котором выдвигаются требования к проектированию и конструированию техники (машин) с таким расчетом, чтобы в дальнейшем все (или почти все) их элементы (детали) могли быть использованы повторно и многократно. Мировая судостроительная промышленность также ответила на новые вызовы нового времени, разработав и внедрив международный Кодекс по рециклингу судов в 2001 году. Более того, Международная морская организация (IMO, London) – специализированный орган ООН в сфере морской индустрии планирует в 2009 году собрать дипломатическую конференцию стран-участниц и подписать международную конвенцию (договор) по рециклингу судов в статусе обязательного для исполнения международного стандарта [11,12]. Очевидно, в этой гонке не отстают и другие мировые отрасли производства различного рода промышленной продукции, центры которых находятся обычно в индустриально развитых странах. Оговоримся, что речь не идет о ВПК, который, конечно, является частью техносферы, её стратой, но частью и стратой особенной, закрытой и в «собственном соку…». Следует отметить, что на открытых конкурентных рынках промышленной продукции у её производителей ни в Украине, ни в России еще не пришло осознание приоритетности рециклинговой индустрии. Более того, и в Украине, и в России сам англоязычный термин «рециклинг» переводится однозначно как «утилизация»?! [13-15]. Редколлегия печатного органа

Госпотребстандарта Украины – журнал «Стандартизація. Сертифікація. Якість» большинством голосов в 2009 году отказала автору настоящего материала в публикации его статьи, безоговорочно и агрессивно требуя заменить в названии и в тексте проекта статьи термин «рециклинг» на термин «утилизация»…!? Госстандарт есть Госстандарт, даже если и нет государства... Единственное, что утешает, это то, что статья отклонена не 100% голосов членов редколлегии «научно-технического» украинского журнала… Далее в докладе представлена попытка более подробного осмысления современного процесса смены парадигмы в решении дилеммы «ремонт (реновация) – рециклинг» на примерах различных отраслей мировой индустрии. Показаны этапы перехода к новой системе научных взглядов на устойчивое развитие техносферы, в которой технологии реновации, утилизации, ремонта и им подобные теряют статус самостоятельности и вливаются в общий многократно повторяющийся процесс рециклинга. При этом рециклинговая индустрия как самостоятельный (относительно) вид производства и новая (новейшая) технология общего машиностроения в глобализированной мировой экономике остаётся подконтрольной лидерам мирового производства новых машин, которые с начала 21-го века несут персональную ответственность по закону за свою продукцию даже после того, как она становится ненужной потребителю. Список литературы. 1. Михайлов А.Н. Модульная направленность развития техносферы // Прогрессивные технологии и системы машиностроения. Международный сборник научных трудов: Специальный выпуск – Материалы 5-й международной научно-техн. конф. «Машиностроение и техносфера на рубеже 21-го века» в г. Севастополе 8-11 сентября 1998 г. в 3-х томах. Т. 2- Донецк: ДонГТУ.- Вып. 6, 1998.- С. 224-228. 2. Мозговой В.И. Перспективы применения прогрессивных технологий в контексте их влияния на природу и человека // Там же.- С. 234-236. 3. Кривощеков В.Е. Анализ эксплуатационной надежности головок поршней малооборотных дизелей и выбор оптимального способа их восстановления: Автореф. дис. … канд. техн. наук.- Одесса: ОВИМУ им. Ленинского комсомола, 1988.- 24 с. 4. Кривощеков В.Е. Восстановление изношенных деталей: анализ зарубежного опыта // Судостроение.- 1991.- № 6.- С. 35-38. 5. Кривощеков В.Е. Восстановление изношенных деталей судовых дизелей: пути решения проблемы // Судостроение.- 1992.- № 10.- С. 36-39. 6. Кривощеков В.Е. Надежность и восстановление в эксплуатации судовых дизелей и их элементов // Тез. докл. 1-й Украинской научно-практ. конф. «Надежность: современное состояние, проблемы, перспективы» - Киев: НПК «Киевский институт автоматики», 1995. С. 65. 7. Кривощеков В.Е. Обеспечение судов восстановленными запасными частями: опыт системного анализа (Морской транспорт. Серия «Техническая эксплуатация флота»): Экспресс-информация.- Вып. № 9(839)-№10(840).М.: Мортехинформреклама, 1995.- С. 1-11. 8. Клименко С.А., Коротков В.А. Инженерия поверхности. Реновация изделий // Инженерия поверхности. Реновация изделий: Материалы Международной научно-технической конференции, 29-31 мая 2001 г., г. Феодосия.- Киев: АТМ Украины, 2001.- С. 3-6. 9. Кривощеков В.Е. Рециклинг и реинжениринг систем восстановления изношенных деталей и обеспечения машин запасными частями// Динаміка, міцність і надійність сількогосподарських машин: Пр. 1-й Міжнародної науково-технічної конференції (DSR AM -1), 4-7 жовтня 2004 р., Тернопіль (Україна) / Відп. ред.. В.Т. Трощенко.- Тернопіль: Тернопільський державний технічний університет імені Івана Пулюя, 2004.- С. 494 – 500. (Научное издание). 10. Снеговский Ф.П., Бондарчук Ю.В. Трибология как учебно-научная

дисциплина вузов // Прогрессивные технологии и системы машиностроения. Международный сборник научных трудов: Специальный выпуск – Материалы 6-й международной научно-техн. конф. «Машиностроение и техносфера на рубеже 21-го века» в г. Севастополе 13-18 сентября 1999 г. в 3-х томах. Т. 3 - Донецк: ДонГТУ, 1999.- С. 47- 49. 11. Кривощеков В.Е. Присоединение морехозяйственного комплекса Украины к мировой рециклинговой индустрии – основа ресурсосбережения в отрасли водного транспорта // Новые и нетрадиционные технологии в ресурсо- и энергосбережении: Материалы Международной научно-практической конференции, 28-29 сентября 2006 г., г. Одесса.- Киев: АТМ Украины, 2006.- С. 34-38. 12. Кривощеков В.Е. Рециклинг торговых судов в мировой судоходной индустрии // Ремонт. Восстановление. Модернизация.- № 8.-2008.- С.2-3. (Раздел международного журнала «Теоретические основы реновационных технологий»). 13. Попов М.Е., Попов А.М. Высокоэффективная технология переработки и повторного использования отходов и лома РЭА и ЭВМ // Качество, стандартизация, контроль: теория и практика: Материалы 3-й Международной научно-практической конференции, 23-26 сентября 2003 г., г. Ялта.- Киев: АТМ Украины, 2003.- С. 150-154. 14. Попов М.Е., Попов А.М. Ресурсосберегающие технологии и безотходные производственные процессы будущего // Там же.- С. 154-158. 15. Сборник № 30 резолюций ИМО.- СПб.: ЗАО ЦНИИМФ, 2006.- 384 с. ДО МЕТОДИКИ АНАЛІТИЧНОГО ПРОЕКТУВАННЯ РЕГЛАМЕНТУ ТЕХНОЛОГІЧНОГО ПРОЦЕСУ ВИГОТОВЛЕННЯ ДЕТАЛЕЙ РІЗАННЯМ Криськов О.Д. (КНТУ, Кіровоград, Україна) А principal new strategy of the calculation to technological prime cost of the detail prоposed suitable to operative technical-econmic estimation of the technological decision in process dialogue designing the regulations of the technological process of the fabrication of the component on metal-cutting machine tool. Вступ. Останнім часом звертається особлива увага на ощадливе використання ресурсів: металу (при виборі виду заготовки), металорізального обладнання, часу та інструменту (при виготовленні деталі), часу проектування (при науково обгрунтованому підході до вибору структури операції на етапі проектування регламента технологічного процесу - РТП). Тому сучасна теорія та практика технології машинобудування знаходяться у постійному пошуку методів економічного обгрунтування технологічних процесів, а надто таких, які базуються на нових фізичних принципах, або відомих фізичних явищах, які використовуються у новому технологічному напрямку. Одним із таких, відносно нових процесів є технологія фрикційного формоутворення деталей (ТФФ) [1]. Остання базується на одночасній дії на заготовку силовим та тепловим полями, причому останнє створюється в тілі заготовки як результат перетворення роботи сухого тертя в тепло. Технологічна дисципліна машинобудівного виробництва вимагає щоб конструкторські, технологічні та організаційні вимоги до виготовлення деталі були оформлені у вигляді єдинного документа – РТП, а форма та зміст його окремих структурних частин відповідали вимогам ЄСТД. Варіантна розробка РТП досить трудомістська і тому останнім часом певною мірою комп’ютеризована.

Рис. 1. Структурна схема етапів проектування технологічних процесів та факторів, що впливають на неї (детально зміст рекомендованих етапів наведено в [4]) Сучасні методики комп’ютеризованого проектування базуються на вивчені та узагальнені традиційного досвіду роботи технологів, що займаються проектуванням РТП виготовлення деталей середньої та значної складності. Цей досвід показує [2], що всі види проектно-розрахункових робіт доцільно умовно розділити на окремі етапи (рис. 1), які відрізняються як за змістом, так і за методами їх виконання. Як видно, економічна оцінка кращого з можливих варіантів РТП віднесена до третього, четвертогого та п’ятого етапів. При цьому етап третій – логічна оцінка варіантів та вибір кращого за відсутністю чітких крітеріїв є справою суб’єктивною, яку алгоритмізувати досить важко. Оцінка варіантів (5 етап) віднесена на сам кінець проектування безпосередньо перед оформленням РТП, а техніко-економічні розрахунки (в тому числі і призначення режимів різання) - до шостого етапу оформлення РТП. При спробах алгоритмізації традиційної методики проектування з метою її подальшої комп’ютеризації такий зміст етапів ускладнює алгоритм пошуку оптимального варіанту РТП, оскільки процес проектування та його техніко-економічна оцінка (ТЕО) статично розділені на окремі групи етапів: проектування - окремо, ТЕО РТП - окремо. Мета досліджень – розробка сучасної ідеології діалогової САПР РТП з оперативною економічною оцінкоє приймаємих технологічних рішень. Основна частина. Натомість статичної методики проектування РТП пропонується методика динамічного аналітичного проектування (ДАП). Окремою віткою цієї методики є техніко-економічний аналіз (ТЕА) технологічного рішення в момент його прийняття.

Рис.2. Алгоритм проектування токарної одношпіндельному токарно-револьверному автоматі

операції

виконуваної

на

Такий підхід передбачає, наприклад, оцінку вартості витрат на інструмент безпосередньо в момент його вибору, на електроенергію в момент проектування кожного з переходів і вводить поняття технологічної собівартості переходу, яке базується на біжучій оцінці всіх складових технологічної собівартості деталі. Оцінка технологічного переходу визначається з урахуванням витрат на утримання площі приміщення під верстатом, його амортизацію, утримання та біжучий ремонт, витрат на ріжучий інструмент, заробітну плату з усіма відрахуваннями, електроенергію пропорційно часу нормованому на виконання технологічного переходу. Оцінка кожної технологічної операції виконується безпосередньо після завершення її проектування як суму витрат на виконання всіх переходів операції, приймаючи до уваги структуру операції та з розподілом в часі по робочим та холостим ходам верстата. В основу ДАП покладено оперативна ТЕО технологічного рішення (в момент його прийнятя технологом) в діалогових САПР РТП на рівні як переходу так і операції. Алгоритми ДАП базуються, в свою чергу, на програмованих елементарних технологічних модулях (ПЕТМах). Принциповою ознакою ПЕТМа є виокремленість, вивіреність та логічна довершеність алгоритму типової технологічної задачі, як елемента програмного забезпечення робочого місця технолога-проектувальника. Алгоритм ПЕТМа базується на пакеті базових процедур (ПБП) [3]. За структурою ПЕТМ може бути простим і складним. Простий ПЕТМ - це процедура чи функція, яка програмно вирішує елементарну але логічно завершену технологічну задачу.

Рис. 3. Блок-схема головної (тестуючої) та основної вирішуючої (ПЕТМа) процедур ТЕО технологічної операцції

Рис. 4. Блок-схема головної та основної вирішуючої процедур ТЕО технологічної операцції

Як приклад простого ПЕТМа можна вказати на ObertCheck [6], який вирішує задачу уточнення розрахункової величини по преференційному ряду. Прикладами складного ПЕТМа є TableREgim та KartaRegim [3], кожний з яких покликаний автоматизувати призначення режиму різання при проектуванні технологічного переходу; перший - на основі спеціальних таблиць, другий – на основі нормативів режимів різання. Вкладеність та ієрархія підпорядкування простих ПЕТМів у складні довільна і принципово не обмежується. Вона вирішується на на етапі редагування виконавчого модуля, коли відпрацьований та відлагоджений в окремому проекті ПЕТМ в об’єктному стані (у форматі dcu чи dll) підключається до загальної програми САПР РТП відповідно до призначення та алгоритму останнього. Наявність певної кількості достатньо простих ПЕТМів дозволяє, в принципі, на етапі редагування сформувати САПР РТП будь якого призначення для будь-якого машинобудівного виробництва чи типу обладнання: ливарного, пресового, складального, механічної обробки різанням на універсальних верстатах чи верстатах-автоматах. На рис. 2 показано алгоритм проектування токарної операції виконуваної на одношпіндельному токарно-револьверному автоматі (ОТРА) з урахуванням вищевикладеної методики. Проектування для ОТРА має ряд особливостей, обумовлених його конструкцією, детермінованими значеннями тривалості циклу виготовлення деталі, необхідністю задання його прогнозного значення перед початком проектування, можливостями автоматичного переключення тільки у певному ряді діапазону чисел обертів шпінделя, необхідностю проектування керуючих кулачків тощо. МАП тут проявляється у використанні ряду ПЕТМів вкладених один в одного та у підключені модулів економічної оцінки на рівні проектування переходу. Так ПЕТМ проектування операції CircleDesignProcess_191 викликає послідовно ПЕТМ (DefineMachine_0_512) визначення моделі верстата та його паспортних характеристик та ПЕТМ (Transition_1B140 _260209) проектування переходу, типовий алгоритм якого приведено на рис. 3. В процесі роботи Transition_1B140_260209 викликає ПЕТМ, відповідний типовому переходу, наприклад, PidrizTor_133 чи SverlOtv_140 (рис.3 в центрі вверху) вибраному технологом з бази даних в процесі інтерактивного діалогового режиму проектування РТП. Далі викликається ПЕТМ KartaRegim_20n21_300В, який призначає режими різання на перехід та розраховує основний час різання, витрати на експлуатацію ріжучого інструмента (ExpRigInstr_0_515), та на оплату електроенергії (VartistElectroEnergii_0_510) за час виконання перехода. Економічні показники, визначені на рівні переходів запамятовуються, накопичуються і по завершені проектування технологічної операції узагальнюються до визначення технологічної собівартості операції. Особливісттю ДАП РТПє необхідність ретельного відпрацювання кожного з ПЕТМів, що має бути виконано у окремих тестуючих проектах з власним інтерфейсом та головною програмою проекту, у яких ПЕТМ, що відпрацьовується, виступає у ролі основного вирішуючого модуля (ОВМ) чи процедури (ОВП) [6]. На блок-схемах рис. 3 та 4 показано реалізація такого підходу до розробки САПР РТП ТФФ. Зупинимось на рис. 4. ПЕТМ TechnolSobivart_B_500_051108 забезпечує інтегральну оцінку технологічної собівартості технологічної операції по девяти статтям витрат, які традиційно приймаються до уваги при нормативному методі ТЕО операції. Оскільки методики оцінки по певним статтям витрат змінюються в часі внаслідок зміни певних державних індексів, зміни методик та стандартів, прийнятих на тих чи інших підприємствах та по ряду інших причин, передбачена можливість підключення до діючого ПЕТМу TechnolSobivart_B_500_ 051108 до девяти варіантів предметних дочірніх ПЕТМів з різними варіантами

алгоритмів розрахунку по статтям витрат. Останні можуть бути підключені на вимогу замовника, що наглядно видно на рис. 4 (в центрі, внизу). Інтерфейс головної (тестуючої) програмиПЕТМу (рис. 4,зліва вгорі) передбачає можливість вводу всіх умовно-постійних техніко-економічних та організаційних коефіцієнтів, які необхідні для виконання розрахунків, що дає можливість в процесі відладки досконально вивірити ОВМ. Разом з тим, з метою спрощення відладки за рахунок зменшення об’єму інтерактивного вводу ряд коефіцієнтів винесено в окремий файл мікробази даних. Висновок. При проектуванні РТП такі економічні показники, як продуктивність та собівартість прийнятого варіанту РТП визначаються методикою його техніко-економічного аналізу (ТЕА). В даній роботі приведена методика та алгоритми динамічного аналітичного ТЕА рішень, які в процесі проектування приймаються технологом-проектувальником на рівнях технологічного переходу чи операції, що дозволяє технологу обстоювати економічну обрунтованість прийнятих ним рішень і забезпечує об’єктивні показники для порівння та вибору кращого (в ідеалі оптимального) варіанта РТП. Список літератури. 1. Криськов О.Д. Технологія фрикційного формоутворення. Навчальний посібник з курсу “Фізико-хімічні методи обробки”. Кіровоград, РВЛ КНТУ, 2008, -303с. Илл.212, таб. 22. 2.Размерный анализ технологических процессов/ В.В.Матвеев, М.М. Тверской, Ф.И. Бойко и др. –М.:Машиностроение, 1982. -264с. 3.Криськов О.Д., Петренко М.М. Основи комп’ютерної технології обґрунтування структури технологічних операцій. Навчальний посібник. - Кіровоград, РВЛ. - 2005. С.282. СИНТЕЗ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ СИСТЕМ ШИРОКОПОЛОСНЫХ СТАНОВ ГОРЯЧЕЙ ПРОКАТКИ Кузнецов Б.И., Балюта С.Н., Коломиец В.В. (НТЦ МТО НАН Украины, НУПТ, г. Киев, УИПА, г. Харьков, Украина) The method of optimal control synthesis for hot trip rolling mill main electric drive and looper as three-mass electromechanics system is developed. There is example of dynamic characteristics of the synthesized optimal control system. Постановка проблемы, связь с научными и практическими задачами. Непрерывный стан горячей прокатки представляет собой сложный многодвигательный агрегат, в котором отдельные клети связаны между собой полосой металла [1-2]. В силу этого окружные скорости валков клетей непрерывного стана должны быть строго согласованы и поддерживаться на заданном уровне, определяемом технологическими требованиями [3]. Анализ последних достижений и публикаций по данной проблеме. Для управления моталками, петледержателями и главными приводами широкополосных станов горячей прокатки используют различные типы исполнительных электрических приводов. Наиболее часто применяются электродвигатели постоянного тока с независимым возбуждением, которые питаются от тиристорных преобразователей. При синтезе системы регулирования скорости вращения главного привода и положения петледержателя обычно используют модели в виде одномассовых электромеханических систем в предположении жесткого соединения вала двигателя с

рабочим механизмом. Однако, такая модель адекватна реальному процессу лишь в области частот регулирования, расположенных значительно ниже первой резонансной частоты механической системы двигатель-рабочий механизм. В системе с одномассовой моделью настройка системы главного привода с полосой пропускания контура скорости выше резонансной частоты механической системы часто приводит к появлению незатухающих колебаний. Устойчивую работу такой системы можно получить при использовании модели системы, которая учитывает наличие упругих элементов между валом двигателя и рабочим механизмом, например, в виде двухмассовой системы, состоящей из сосредоточенных масс вала двигателя и рабочего механизма, между которыми имеется упругий элемент. Однако, в ряде случаев может понадобится и более сложная модель привода, например, виде трехмассовой электромеханической системы [4]. Цель работы. Целью данной работы является синтез и исследование динамических характеристик электромеханических систем петледержателя и главного привода широкополосных станов горячей прокатки. Изложение материала исследования, полученных научных результатов. Процесс горячей прокатки сопровождается колебаниями технологических параметров – толщины, давления прокатки, натяжения полосы и т.д. Причем, если колебания толщины полосы обусловлены как неравномерностью толщины и механических свойство проката, а также эксцентриситетами валков прокатной клети, то колебания натяжения полосы и пропорциональные им колебания токов главных приводов обусловлены наличием упругих элементов в трансмиссиях передачи момента прокатки от приводного двигателя до прокатного валка. Основная задача системы управления главным электроприводом широкополосного стана горячей прокатки заключается в поддержание заданного соотношения между частотами вращения рабочих валков клетей, что обеспечивает постоянство натяжения полосы между клетями и способствует уменьшению отклонения толщины прокатываемой полосы от заданной. Причем, при синтезе систем автоматического управления скоростью прокатных двигателей чистовых клетей непрерывного тонколистового стана горячей прокатки требует рассмотрение многодвигательной электромеханической системы клетей, связанных прокатываемой полосой, как единой электромеханической системы. Для нормального ведения технологического процесса непрерывной прокатки горячей полосы электроприводы чистовых клетей должны удовлетворять следующим основным требованиям [3]: - регулирование скорости валков клетей в диапазоне, необходимом для получения требуемых заправочной и рабочей скоростей; - минимально возможные значения статического и динамического падений скорости при входе полосы в валки (не более 1-2); - характер переходных процессов, вызванных входом полосы в клеть, должен быть близок к апериодическому, а время протекания переходных процессов не более 0,1-0,3 с; - требуемое быстродействие системы автоматического регулирования скорости электропривода по управляющему воздействию, необходимое для эффективной работы системы автоматического регулирования натяжения полосы и системы автоматического управления скоростным режимом прокатки; - требуемое время торможения привода с рабочей скорости до заправочной после выхода металла из валков; - величина ударного падения скорости не более 2%;

- величина установившегося падения скорости не более 0,2%; - отношение времени, соответствующего максимальному значению ударного падения скорости, ко времени восстановления скорости не более 0,25; - время восстановления скорости не более 0,3 сек; - величина чистого запаздывания системы не более 0,01 сек; - передаточная функция замкнутой систему авторегулирования скорости вращения рабочих валков клети должна приближаться к передаточной функции апериодического звена с эквивалентной постоянной времени Т экв ≈0,1 сек. Реализовать такие требования с помощью типовых пропорциональноинтегральных регуляторов систем подчиненного регулирования, как правило, не удается. Поэтому рассмотрим синтез оптимального управления главным приводом широкополосного стана горячей прокатки с реализацией оптимального управления по полному вектору состояния. На многих широкополосных станах горячей прокатки используется схема главного привода валков, которая состоит из двух электрических приводов, шестеренчатой клети и передаточного механизма, с помощью которого момент приводного двигателя через два шпинделя передается соответственно на верхний и нижний рабочие валки. Если привод валков осуществляется от одного двигателя через редуктор, то модель такого привода целесообразно рассматривать как трехмассовую с сосредоточенными моментами инерции I1 - двигателя, I 2 - редуктора и I 3 - валков. При индивидуальном приводе валков прокатного стана двигатели главных приводов расположены на различных расстояниях от прокатной клети, что обуславливает различную длину валов. При этом, для длинного вала соотношение упругостей участков вала от двигателя до муфты и от муфты до валка являются существенными совместно с моментом инерции муфты с точки зрения динамики и длинную ветвь целесообразно также рассматривать как трехмассовую систему. Систему управления петледержателем также целесообразно рассматривать как трехмассовую систему Уравнения динамики такой системы примут следующий вид: dω J 3 м = M y 23 + β23 (ω2 − ω3 ) + βcω. ) + βcω3 − M c , dt dM y 23 = C 23 (ω2 − ω3 ) , dt

dω2 = M y12 + β12 (ω1 − ω2 ) − M y 23 − β 23 (ω2 − ω3 ) , dt dM y12 = C12 (ω1 − ω2 ) , dt dω1 J1 = М д − M y12 − β12 (ω1 − ω2 ) , dt dМ д

= −М д + К д U . dt В этих уравнениях: ω1 , ω2 , ω3 -скорости вращения двигателя, муфты и валков; М у12 , М у23 -моменты упругости в валах; С 12 , С 23 , и β 12 , β 23 -жесткости и коэффициенты внутреннего вязкого трения в валах на скручивание; Т м – эквивалентная постоянная времени контура прямого управления моментом; К д - коэффициент усиления Tм

замкнутого контура прямого управления моментом двигателя; U - входное напряжение замкнутого контура прямого регулирования момента двигателя.  Введем вектор состояния системы X( t ) в следующем виде:

{

}

 X T ( t ) = ω3 ( t ), M y 23 ( t ), ω2 ( t ), M y12 ( t ), ω1 ( t ), M д (t ) .

Тогда для уравнения состояния:

dx ( t ) = Ax ( t ) + BU( t ) , dt

может быть получено оптимальное управление по интегральному квадратичному критерию в виде управления по полному вектору состояния  U(t ) = −R −2 1 (t )BT (t )P(t )X(t ) . Для определения матрицы Р(t) необходимо решить матричное дифференциальное уравнение Риккати

R1 (t ) − P(t )B(t )R 2−1 (t )BT (t )P(t ) + A T (t )P(t ) + P(t )A(t ) = 0 . Таким образом, для нахождения оптимального управления линейной системой по интегральному квадратичному критерию в форме обратной связи по полному вектору состояния необходимо решить матричное уравнение Риккати. В трехмассовой системе непосредственно не измеряются моменты упругости M y ( t ) и M y ( t ) , а также скорости вращения муфты ω2 ( t ) и валков ω3 ( t ) . Для 12

восстановления этих непосредственно не измеряемых переменных состояния построим такой наблюдатель, что входом этого наблюдателя будет момент двигателя M д (t ) , а измеряемым выходом будет скорость вращения двигателя ω1 ( t ) . Введем вектор состояния наблюдателя в следующем виде:  X T = {ω3 ( t ), M y ( t ), ω2 ( t ), M y ( t ), ω1 ( t )} . 12

Тогда матрицы состояния А н , управления В н и выхода С н наблюдателя для трехмассовой системы примут следующий вид: − β c − β 23 J3 − С 23 β 23 Aн = J2

1 J3 0 −1 J2

β 23 J3 С 23 − β12 − β 23 J2 − C12 β12 J1

0 1 J2 0 1 J1

0 0 C12 − β12 J1

Сн = 0 0 0 0 1

0 0 Bн = 0 0 1 J1

В этом случае можно построить оптимальный наблюдатель, например, в форме оптимального фильтра Калмана-Бьюси, с помощью которого минимизируется дисперсия ошибки восстановления переменных состояния. Матрица оптимальных коэффициентов усиления K ( t ) наблюдателя имеет следующий вид: K ( t ) = Q( t )C T ( t )V2−1 ( t ) ,

где Q( t ) - решение матричного дифференциального уравнения Риккати: Q( t ) = V1 ( t ) − Q( t )C T ( t )V2 −1 ( t )C( t )Q( t ) + A( t )Q( t ) + Q( t )A T ( t ) . Результаты моделирования. После синтеза оптимальных регуляторов проведены исследования динамических характеристик оптимальной трехмассовой системы, замкнутой через оптимальный наблюдатель. Рассмотрены переходные процессы в оптимальных трехмассовых системеах управления петледержателями и главными приводами широкополосных станов горячей прокатки. Анализ этих графиков показал, что переходные процессы в синтезированных системах удовлетворяют техническим требованиям, предъявляемым к системе. Выводы из проведенного исследования, перспективы этого направления. Были рассчитаны переходные процессы в трехмассовых системах с оптимальными регуляторами, замкнутыми через оптимальные наблюдатели применительно к регулированию скорости главным приводам и регулирования положения петледержателя широкополосного стана горячей прокатки. Исследования переходных процессов этих трехмассовых системы показало их практическое совпадение с переходными процессами исходной оптимальной системы, замкнутой по полному вектору состояния. Переходные процессы наблюдателя достаточно близки к переходным процессам соответствующих переменных состояния. Список литературы: 1. Finishing mill tension control system in the Mizushima hot strip mill/ K. Hamada, S. Ueki, M. Shitomi // Kawasaki steel technical report.- 1985, №11. – P.35-43. 2. Tanimoto S., Hayashi Y., Saito M. New tension measurement and control system in hot strip finishing mill// Meas. And Contr. Instrum. Iron and Steel Ind. Prod. 5th Process Technical Congress, Detroit. / Werrendale, Pa. 1985. – P. 147-154. 3. Олефир Ф.Ф., Опрышко И.А., Васичкин В.И., Жалнина Д.Ф. Исследование взаимосвязанной работы САР скорости и натяжения полосы/ Анализ систем управления станов горячей прокатки. – К.: Наукова думка, 1970. – 175 с. 4. Кузнецов Б.И., Никитина Т.Б., Коломиец В.В. Синтез электромеханических систем со сложными кинематическими цепями. Харьков, УИПА. 2005.–512 с. ЦИФРОВОЕ РОБАСТНОЕ УПРАВЛЕНИЕ ОБМОТОЧНОЙ МАШИНОЙ КАК ТРЕХМАССОВОЙ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОЙ СИСТЕМОЙ Кузнецов Б.И., Лутай С.Н., Соляник В.П., Курцева Л.Б., Кузнецова Л.Г., Кобылянский Б.Б., Шурло О.В. (НТЦ МТО НАН Украины, УИПА, г. Харьков, Украина) This article deals with the mathematical model and digital robust control system synthesis for winding machine with elastic elements. The example of dynamic characteristics for such system is given. Постановка проблемы, связь с научными и практическими задачами. Качество процесса нанесения обмоточных лент в значительной степени определяется точностью поддержания технологических параметров на заданном уровне. Для поддержания скорости вращения приводного механизма и натяжения обмоточной ленты современные обмоточные машины оборудуются электромеханическими системами автоматического поддержания этих технологических параметров на заданном уровне. Обмоточная машина как объект управления натяжением обмоточной 56

ленты и скоростью вращения приводного механизма является нестационарным объектом, параметры которого изменяются в широких пределах в процессе работы. Наиболее существенное изменение параметров обмоточной машины происходит по мере выработки обмоточной ленты с кружка в процессе обмотки кабелей. При этом изменяется момент инерции кружка с обмоточной лентой и радиус схода обмоточной ленты с кружка [1,2]. Обмоточная машина как объект управления натяжением обмоточной ленты и скоростью вращения приводного механизма является нестационарным объектом, параметры которого изменяются в широких пределах в процессе работы [1]. Наиболее существенное изменение параметров обмоточной машины происходит по мере выработки обмоточной ленты с кружка в процессе обмотки кабелей. Методы синтеза систем управления, основанные на минимизации квадратичного критерия, называются задачами H 2 - оптимизации. Однако, квадратичный критерий чувствителен к наличию неучтенных помех, возмущений, как со стороны внешних сигналов, так и параметрических возмущений самих объектов [3]. Поэтому в последнее

десятилетие получили развитие методы минимизации H ∞ - нормы, которая, служит эффективным показателем реакции системы на различного типа воздействия при наличии неопределенностей в описании объекта управления [4]. Рассмотрим построение робастной системы управления для работы во всем диапазоне изменения радиусов размотки кружка с лентой. Анализ последних достижений и публикаций по данной проблеме. В [1-3] выполнен синтез оптимальных регуляторов, наблюдателей и компенсаторов для трех радиусов размотки кружка с обмоточной лентой – начального, среднего и конечного. Естественно, что эти регуляторы, наблюдатели и компенсаторы имеют различные коэффициенты усиления для разных радиусов размотки. Попытка использования компенсаторов, рассчитанных для одного какого либо радиуса кружка ленты – например среднего, начального либо конечного для работы системы управления во всем диапазоне изменения радиусов размотки приводит на определенных радиусах размотки либо к излишнему затягиванию времени переходных процессов, либо к повышению колебательности вплоть до потери устойчивости [3]. Цель и задачи работы. Целью статьи является синтез робастной системы двухканального управления обмоточной машиной по каналам регулирования скорости вращения приводного механизма и натяжения обмоточной ленты. Задачей статьи является исследование динамических характеристик синтезированной системы робастного управления скоростью вращения приводного механизма и натяжения обмоточных лент. Изложение материала исследования, полученных научных результатов. Для синтеза системы робастного управления необходима математическая модель обмоточной машины, как объекта робастной системы управления по каналам регулирования натяжения обмоточной ленты и скорости вращения приводного механизма с учетом исполнительных двигателей приводного и тормозного механизмов [1]. Обмотчик состоит из приводного механизма, зарядной катушки с лентой и участка обмоточной ленты. Внешними силами являются: сила приводного механизма Fn (t ) и сила тормозного механизма FT (t ) [2, 3]. Исполнительный двигатель приводного механизма расположен на значительном расстоянии от обмоточной машины и приводит во вращение обмотчики через общий редуктор. Для быстроходных обмоточных машин, особенно для бронеобмотчиков, на динамику движения обмоточной машины оказывает влияние наличие упругих

элементов как между приводным двигателем и редуктором, так и между редуктором и приводным механизмом. При этом скорости вращения приводного двигателя V д , редуктора V р и приводного механизма V п , особенно в переходных процессах, не совпадают. Рассмотрим трансмиссию машины как трехмассовую систему с тремя сосредоточенными массами: массой - двигателя m д , массой редуктора m р и моментом инерции приводного механизма Iп , соединенных упругими валами с коэффициентами жесткости С 1 и С 2 и коэффициентами внутреннего вязкого трения β 1 и β 2  Введем вектор состояния X(t ) этой системы в следующем виде:

{

}

 X(t ) = Vд (t ), Fy1 (t ), Vр (t ), Fy 2 (t ), Vп (t ), Vт (t ), Fт (t )V(t ), S(t ) T .

Тогда матрица состояния обмоточной машины как трехмассовой системы примет следующий вид: β β1 1 − 1 − mд mд mд − c1 c1 β1 1 − β1 − β 2 1 β2 − mp mp mp mp mp c2 − c2 2 2 A= β2R п Rп a 55 Iп Iп

cs 2   Iп 

 Iп 

− k5 − k6 1 R2 β − − I I − cs

λ2 − п Iп

r2 I

 1 m  д     B=       

         k4      

где a 55 = − β2R п − βп  . В этих уравнениях m д , m р массы движущихся частей двигателя и редуктора; С 1 , С 2 -коэффициенты жесткости валов, соединяющих двигатель с редуктором (быстроходного вала) и редуктор с приводным механизмом (тихоходный вал); β 1 , β 2 коэффициент внутреннего вязкого трения этих валов. Параметры обмоточной машины изменяются с течением времени. Наиболее сильно изменяется радиус кружка ленты R и момент инерции кружка с лентой I по мере выработки ленты в процессе обмотки. Поэтому в дальнейшем будем рассматривать три варианта параметров обмоточной машины, соответствующие трем радиусам размотки - начальному rí , среднему rñð и конечному rê . Метод решения. При управлении обмоточной машиной с помощью ЭВМ по исходной непрерывной модели обмоточной машины получим её дискретный аналог. Синтезируем робастный регулятор для рассматриваемой системы. В настоящее время наиболее широкое распространение получило решение задачи цифрового робастного управления во временной области [6-8]. Рассмотрим решение задачи во временной области. Запишем для исходной дискретной системы  разностное уравнение состояния, вектор контролируемых параметров z(k ) и вектор  измеряемых переменных y(k ) в стандартной форме, принятой в H ∞ теории [4].

    x (k + 1) = Ax (k ) + B1w1(k ) + B2u (k )     z(k ) = C1x (k ) + D11w1(k ) + D12u (k )     y(k ) = C2 x (k ) + D21w1(k ) + D22u (k ) Для нахождения цифрового робастного регулятора необходимо решить уравнение Риккати по управлению где

X = C T J C + A T XA − LT R −1 L ,

R = D T J D + B T XB , L = D T J C + B T XA . Здесь

D C  C =  1  , D =  11 0  Il

I p D12  , J =  0  0

 . − γ 2Il  0

Для нахождения цифрового робастного наблюдателя необходимо решить уравнение Риккати по наблюдению      Zq = BJBT + AZA T − LR −1LT , где

        R = DJD T + CZC T , L = BJD T + AZC T ,  I l 0  J= . 2 0 γ I m  

    В этих выражениях A , B , C , D цифровая реализация наблюдателя примет следующий вид −1  A + B1R d−1Ld B1V21 0       A B   −1 −1 −1 −1     = V12R 3 L 2 − R 2R 2 Ld V12R 3 V21 I  , −1  C D  C2 − D21R d−1Ld D21V21 0   где         R d = R1 − R T2 R 3−1R 2 , Ld = L1 − R T2 R 3−1L2 ,      T T V12 V12 = R 3 , V21 V21 = − γ − 2 R1 − R T2 R 3−1R 2 .

(

)

(

)

Тогда цифровой робастный регулятор и цифровой робастный наблюдатель представляет собой цифровой робастный компенсатор, входом которого является  измеряемый вектор исходной системы y(k ) , а выходом является вектор управления  исходной системы u (k ) . Робастный компенсатор с матрицами A p , B p , C p , D p описывается следующим уравнением состояния

   x p (k + 1) = A p x p (k ) + B p y(k ) ,    u (k ) = C p x p (k ) + D p y(k ) . где 59

    −1  −1   −1  A p = A − B2V12 C1 + B2V12 R 2R 3 C2 − L 2R 3−1C2 , −1   −1   −1 Bp = −B2V12 R 2R 3 + L 2R 3 , −1  −1   −1  −1   −1 Cc = −V12 C1 + V12 R 2R 3 C2 , Dp = −V12 R 2R 3 ,      здесь R 1 , R 2 , R 3 и L1 , L 2 определяются следующими выражениями    R1 R = T R 2

  R2     , L = L1 L2 . R3 

[

]

Результаты моделирования. В качестве примера рассчитаны переходные процессы скорости вращения приводного механизма натяжения обмоточной ленты в робастной трехмассовой дискретной системе бронеобмотчика ВА2 – 2/700 по заданию на робастный регулятор скорости и на робастный регулятор натяжения для трех радиусов размотки кружка ленты. Анализ этих кривых показывает, что в системе имеется астатизм по каналам регулирования скорости приводного механизма и натяжения обмоточной ленты, как по задающему, так и по возмущающему воздействию. Влияние перекрестных задающих воздействий проявляется только в переходных режимах, а в установившихся режимах выходные координаты равны задающим воздействиям. Переходные процессы скорости вращения приводного механизма сильно колебательные, что обусловлено наличием упругих элементов в трансмиссии приводного механизма. Выводы из проведенного исследования, перспективы этого направления. Разработана математическая модель обмоточной машины в виде трехмассовой электромеханической системы приводного механизма. Синтезированы цифровые астатические законы робастного управления скоростью вращения приводного механизма и натяжения обмоточной ленты. Приведен пример синтеза робастного управления для трехмассовой модели бронеобмотчика ВА2 – 2/700. Список литературы: 1. Кузнецов Б.И., Новоселов Б.В., Чаусов А.А. Проектирование взаимосвязанных систем управления К.: Техника, 1994.-232с. 2. Кузнецов Б.И., Новоселов Б.В., Богаенко И.Н. Проектирование систем со сложными кинематическими цепями. Киев, Техника. 1996.-282с. 3. Кузнецов Б.И., Никитина Т.Б., Коломиец В.В. Синтез электромеханических систем со сложными кинематическими цепями. Харьков, УИПА.2005.–511с. 4. Khargonekar P., Petersen I., Rotea M.,” H ∞ оptimal control with state feedback “, IEEE Trans. Automat. Contr., AC – 33, pp.783 – 786, 1988. 5. J. Doyle, K. Glover, P.Khargonekar, and B. Francis, “State – space solutions to standard H2 and H ∞ control problems”. IEEE Trans. Automat. Contr., AC – 34, no 8. pp.831 – 847, Aug. 1989. 6. J.C. Doyie, “Synthesis of Robust Controllers and Filters, ”Proc. IEEE Conf. On Decision and Control, San Antonio, TX, December 14 – 16, 1983. 7. M.G. Safonov, R.Y. Chiang and H. Flashner, “ H ∞ Control Synthesis for a Large Space Structure,” AIAAJ. Guidance, Control and Dynamics, 14, 3, pp. 513 – 520, May/June 1991. 8. G. Stein, Lecture Notes, Tutorial Workshop on H ∞ Control Theory, Los Angeles, CA, Dec. 7 – 8, 1987.

ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК РОБАСТНОГО РЕГУЛЯТОРА СТЕНДА ДВУХМАССОВОЙ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ Кузнецов Б.И., Коломиец В.В., Соляник В.П., Бовдуй И.В., Волошко А.В., Виниченко Е.В. (НТЦ МТО НАН Украины, УИПА, г. Харьков, Украина) The method of robust control synthesis by the imitation stand of two-mass electromechanics system is developed. The example of dynamic characteristics for such system is given. Постановка проблемы, связь с научными и практическими задачами. При синтезе систем управления сложными многомассовыми электромеханическими системами с упругими и нелинейными элементами, необходима математическая модель, адекватна реальной системе. Достоверность результатов, полученных в ходе синтеза систем управления сложными многомассовыми электромеханическими объектами может быть проверена только при работе с реальным объектом. Одним из подходов к решению данной проблемы является использование стендов, имитирующих структуру объекта управления. При этом, первоначальная отладка регуляторов и сравнение их эффективности работы в условиях, максимально приближенных к реальным, выполняется на таком стенде, содержащем все необходимые элементы. Анализ последних достижений и публикаций по данной проблеме. Исследовательские стенды для отладки программного обеспечения систем управления преобразователями с учетом особенностей кинематических связей между приводным двигателем и рабочим механизмом выпускаются многими электротехническими фирмами. Однако, стоимость подобных стендов многократно превышает первоначальную стоимость серийных преобразователей и двигателей. В работах [1-3] рассматриваются вопросы разработки таких стендов. Цель работы. Целью данной работы является разработка математической модели и методики синтеза робастного регулятора стенда двухмассовой электромеханической системы, а также исследование динамических характеристик синтезированной системы робастного управления стендом двухмассовой электромеханической системы. Изложение материала исследования, полученных научных результатов. Стенд двухмассовой электромеханической системы, схема которого показана на рис. 1, содержит две одинаковые электрические машины постоянного тока с возбуждением от постоянных магнитов типаДПТ-25-Н2, роторы которых связаны между собой пружиной с жесткостью C . Предполагается, что одна машина будет работать в двигательном режиме, а другая в генераторном, с помощью которой будет имитироваться активный момент нагрузки. При необходимости, первая машина может также работать в режиме торможения. На роторах каждой машины установлены оптические дискретные датчики углового положения ДП 1 , ДП 2 с помощью которых измеряются также и угловые скорости роторов.

Рис.1. Схема стенда Математическая модель стенда. Для синтеза системы управления необходима математическая модель стенда как объекта управления углом поворота второго двигателя. При этом первый двигатель является приводным, а второй двигатель является нагрузочным. Введем вектор состояния в следующем виде  x (t ) = ω1, M y , ω2 , ϕ2

[

]

Тогда матрицы состояния А, управления В и возмущения F по моменту сопротивления на второй двигатель примут следующий вид C C β − E м− RJ1 J C A= β J2

−

1 J

1 J2

β J −C β − J2 1

CМ RJ1

, F=

−

1 . J2

Метод решения. Рассмотрим задачу синтеза робастного управления стендом двухмассовой электромеханической системы по смешанному критерию, включающему H 2 и H ∞ нормы [10]. Представим исходную систему в стандартной форме, принятой в

теории H ∞

x = Ax + B1w + B2u , z = C x + D u ,  0 0 0 .  z1 = C1x + D1u ,  y = C2 x + D 2 w  В этих уравнениях вектор w описывает внешнее воздействие на систему в виде задающих и возмущающих воздействий, а также помех измерения.  Представим обратную связь по измеряемому вектору y на управляющий вход системы u в виде динамического блока в форме переменных состояния x c = A c x c + Bc y, ,  u = C c x c

где А с , B c , C c - соответственно матрицы состояния, управления и выхода этого динамического блока – регулятора. Заметим, что с помощью этого блока осуществляется формирование управляющего воздействия по вектору состояния x c регулятора и восстановление вектора состояния исходной системы x по измеряемому вектору выхода y , а также фильтрация помех измерения. Рассмотрим замкнутую систему, включающую исходную систему и регулятор записанный в форме пространства состояний в следующем виде:

x = Ax + B1w + B2Cc x c , x = A x + B C x + B D w ,  c c c c 2 c 2 .  z 0 = C 0 x + D 0 C c x c , z1 = C1x + D1Cc x c , Введем вектор состояния расширенной системы, включающей вектор состояния исходной системы и вектор состояния регулятора и запишем уравнение состояния расширенной системы в блочном виде: ~  x   A B2Cc   x   B1  x =   =    x  + B D  w ,  x B C A c c 2 c      c  c 2   ~ z 0 = [C0 D0Cc ]x z = [C D C ]~ 1 1 c x,  1  

Тогда уравнение состояния расширенной системы примет следующий вид: ~ ~ ~ x + Bw , x = A~  ~ ~  z 0 = C 0 x , ~ ~  z 1 = C1 x , 

где

B2Cc  ~  B1  ~ ~  A ~ A= , B= , C0 = [C0 D0Cc ] , C1 = [C1 D1Cc ] .   Ac  BcC2 B c D 2  Тогда матрицы состояния, управления и выхода замкнутой системы примут следующий вид: A c = A − Q ∑ − ∑ P + γ − 2QR1∞ ,   T −2 , Bc = QC2 V2 ,  C = − R 2−1BT  2 P,  c

а уравнение Риккати могут быть записаны в следующем виде

(

[

] )

(

[

] )

  T 0 = A + γ − 2 Q + Q R1∞ P + P A + γ − 2 Q + Q R1∞ + R1 − P ∑ P ,

)

(

)

    0 = A − ∑ P + γ − 2 QR 1∞ Q + Q A − ∑ P + γ − 2 QR 1∞ + γ − 2 QR 1∞ Q + Q ∑ Q . Рассмотрим

синтез

робастных

регуляторов

по

смешанному

критерию,

включающему H 2 и H ∞ нормы. Введем функцию Ляпунова в следующем виде 63

[

{

]}

~ ~ ~ ~ L(A c , Bc , Cc , Y, ρ, λ ) = trace λYR + AY + YA T + γ −2 YR ∞ Y + V ρ ,

где λ ≥ 0 и ρ - множители Лагранжа. Предположим, что существуют такие неотрицательно – определенные матрицы Q , P , Q̂ , что матрицы состояния, управления и выхода имеют следующий вид: A c = A − Q ∑ − ∑ PS + γ − 2QR1∞   T −1 Bc = QC2 V2  C = − R 2−1BT  2 PS  c

где

(

)

 −1 S = I n + β 2 γ − 2 QP .

В этой системе коэффициент β > 0 определяет отношение между H 2 и H ∞ нормами, а матрица Y определяется в виде следующей блочной матрицы   Q + Q Q  Y=  . Q Q  

Искомые матрицы Q , P , Q̂ определяются из решений трех следующих уравнений Риккати

(

0 = AQ + QAT + V1 + γ −2QR1∞Q − Q ∑ Q ,

] )

[

(

[

] )

  T 0 = A + γ − 2 Q + Q R1∞ P + P A + γ − 2 Q + Q R1∞ + R1 − ST P ∑ PS ,   T 0 = A − ∑ PS + γ − 2QR1∞ Q + Q A − ∑ PS + γ − 2QR1∞ +   γ −2 Q R 1∞ + β 2ST P ∑ PS Q + Q ∑ Q ,

(

)

( )

)

в которых введены следующие обозначения: ∑ = B2R −2 1BT2 , ∑ = CT2 V2−1C2 . При этом величина критерия может быть вычислена в следующем виде

[(

)

]

  J(Tzw , Y ) = trace Q + Q R 1 + QS T P ∑ PS .

Представим матрицу Y в следующем виде T   Q 0 Q1 / 2  Q1 / 2  Y=  +   1/ 2    1/ 2  .  0 0 Q  Q 

Результаты моделирования и экспериментальных исследований. Полученные значения робастных регуляторов были реализованы на стенде в частности, были получены экспериментальные переходные процессы угла поворота первого двигателя ϕ1 , угла поворота второго двигателя ϕ 2 , разности углов поворота ∆ϕ = ϕ1 − ϕ 2 и скорости первого двигателя ω1 при отработке системой заданного угла поворота ϕ з = 1 рад. Сравнение этих графиков показывает, что экспериментальные

переходные процессы углов поворота стенда и переходные процессы, полученные на модели, заканчивается примерно за 3 секунды, однако в переходном процессе угла поворота стенда имеются нелинейные участки, обусловленные наличием моментов трения в стенде. Выводы из приведенного исследования, перспективы этого направления. Разработана математическая модель и методика синтеза робастного регулятор стенда двухмассовой электромеханической системы. Приведены модельные и экспериментальные динамические характеристики стенда с синтезированной системой робастного управления. Список литературы: 1 Коцегуб П.Х., Толочко О.И., Федорик Р.В. Практическая реализация цифровых САУ в среде пакета Матлаб с использованием платформы реального времени «QNX TARGET» // Вісник Національного політехнічного університету “ХПИ”. Сер. Электротехника, электроника и электропривод. - 2002. - № 2, Т.1. - С.98-101. 2. Зеленов А.Б., Полилов Е.В., Щелоков А.Г. Создание универсального лабораторного макета системы прямого цифрового управления электроприводом// Вестник Национального технического университета «Харьковский политехнический институт». Сер. Электротехника, электроника и электропривод. Харьков: НТУ «ХПИ».2002. - № 12. – Т.2. - С.472-475. 3. Войтенко В.П., Хоменко М.А. Встраиваемая система позиционирования с нейрорегулятором // Технічна електродинаміка, тем. випуск «Проблеми сучасної електротехніки». – К.: – 2008, – С. 71 – 74. 4. Ан П. Сопряжение ПК с внешними устройствами: Пер. с англ. – М.: ДМК Пресс, 2003. –320 с. 5. Кузьминов А.Ю. Интерфейс RS232. Связь между компьютером и микроконтроллером. М.: Радио и связь, 2004. -168 с. 6. Трамперт В. Измерение, управление и регулирование с помощью AVR-микроконтроллеров.: Пер. с нем. – К.: «МК Пресс», 2006. – 208 с. 7. Гук М.Ю. Аппаратные средства IBM PC. Энциклопедия. 3-е изд. – СПб.: Питер, 2006. – 1072 с. 8. CodeVisionAVR v.1.23.8d User Manual. Rev. 17.5.2003: Pavel Haiduc and HP Info Tech S.R.L., 2003. – 200 c. 9. Евстифеев А.В. Микроконтроллеры AVR семейства Mega. Руководство пользователя. – М.: Издательский дом «Додека-XXI», 2007. - 592 с. 10. Никитина Т.Б. Робастная стабилизация дискретно – континуального объекта// Технічна електродинаміка. Тематичний випуск. Силова електроніка та енергоефективність. Київ.: 2007. – Ч. 1. -С. 56 – 61. ДВУХМАССОВАЯ МОДЕЛЬ ПЬЕЗОДВИГАТЕЛЯ Кузнецов Б.И., Никитина Т.Б., Коломиец В.В., Кузнецова Л.Г., Курцева Л.Б., Еремина Н.С. (НТЦ МТО НАН Украины, УИПА, г. Харьков, Украина) This article deals with two mass electromechanically system mathematical model for piezo motor as plant of robust control system. The example of dynamic characteristics for such system is given. Постановка проблемы, связь с научными и практическими задачами. Применение многоканальных систем, работающих по принципу грубого и точного управления, позволяет существенно повысить точность управления, а в ряде случаев, обеспечить точность, недостижимую в одноканальных системах [1-5]. Такие системы применяются в тех случаях, когда с помощью одноканальных систем принципиально невозможно обеспечить требуемую точность управления. Это, в частности, касается систем управления большими антеннами и радиотелескопами, тяжелыми станками с

ЧПУ, роботами и манипуляторами, прокатными станами, системами частотной и фазовой автоподстройки генераторов, оптических дисковых систем записи информации, источников питания с высоким качеством выходной энергии и многих других. Особенно эффективно совместное использование в многоканальных системах электромеханических и электрогидравлических приводов совместно с магнитострикционными либо пьезострикционными двигателями, жестко закрепленными на подвижной каретке, управляемой основными силовыми приводами. Поэтому многие современные системы управления построены по принципу грубого и точного управления и в качестве точного канала содержат магнитострикционные либо пьезодвигатели. Для синтеза таких систем необходима математическая модель двигателя как объекта управления активных упругих компенсаторов. Анализ последних достижений и публикаций по данной проблеме. В работах [1-3] рассмотрены вопросы синтеза многоканальных систем управления при непрерывном управлении. Современные системы управления реализуются на цифровой элементной базе. В работах [4-5] рассмотрены вопросы синтеза многоканальных систем цифрового управления при последовательном синтезе отдельных каналов. В целом вопросам проектирования двухканальных систем с пьезокомпенсаторами посвящено достаточно большое количество работ, однако универсальной математической модели пьезодвигателя до настоящего времени не существует. Цель работы. Целью данной работы является построение математической модели двухмассовой электромеханической системы для пьезодвигателя как объекта управления двухканальной системы. Изложение материала исследования, полученных научных результатов. Составим систему дифференциальных уравнений, описывающих пьезодвигатель при управлении от источника ЭДС. Запишем условие равновесия сил, приложенных к подвижной границе активной части активного упругого компенсатора: Fy = FЭ + Fc + Fd + Fд , где Fy = k y ⋅ ∆ - усилие упругой деформации, Н; FЭ = d п ⋅ Y ⋅ S0 ⋅ E - усилие в активном упругом компенсаторе, вызванное приложенным электрическим полем, Н; Fc - статическое усилие приложенное к исполнительному органу, Н; d 2∆

- динамическое усилие в активном упругом компенсаторе, Н; dt 2 d∆ - демпфирующее усилие в активном упругом компенсаторе, Н; Fd = −k д dt Y ⋅ S0 - коэффициент упругости активного упругого компенсатора, Н/м; ky = l0 k д - коэффициент внутреннего демпфирования активного упругого Fд = −m Σ

компенсатора, кг с ; m Σ - эквивалентная приведенная суммарная масса подвижных частей, кг. Рассмотрим математическую модель пьезодвигателя в виде стержня длинной l поперечного сечения S 0 , массой m k . Один конец стержня жестко закреплен на неподвижном основании, а к другому концу прикреплена инерционная нагрузка массой m 0 . Предполагается, что стержень обладает коэффициентом упругости K y0 . Тогда 66

волновое уравнение свободных продольных колебаний однородного стержня с учетом потерь внутреннего вязкого трения в форме Стокса примет следующий вид: ∂ 2∆ ∂  ∂ 2 ∆  ∂ 2∆ −k  − C 2зв = 0, ∂t  ∂X 2  ∂t 2 ∂X 2 где X - координата, направленная вдоль оси стержня, отсчитываемая от места его заделки, м; C зв = l K y / m k = Y / ρ м - скорость звука в стержне, м/с; k кинематическая вязкость материала двигателя, м2/с. Такая модель может быть также использована и при описании пьезодвигателя, состоящего из большого числа активных элементов – шайб, соединенных последовательно для реализации заданного перемещения. Решение такого уравнения есть нелинейная функция в виде трансцендентных зависимостей. С практической точки зрения необходимо учесть лишь первый тон упругих колебаний. В простейшем случае представим пьезодвигатель в виде упругого элемента, соединяющего массу рабочего органа с массой каретки, управляемой первым грубым каналом с электромеханическим приводом. По существу такому представлению соответствует описание пьезодвигателя в виде двухмассовой электромеханической системы, аналогичной схеме, показанной на рис. 1.

Рис. 1 Схема пьезодвигателя как двухмассовой электромеханической системы Для известных масс подвижной каретки m1 и рабочего органа m 2 подберем величину жесткости C таким образом, чтобы собственная частота недемпфированных колебаний этой двухмассовой электромеханической системы была равна резонансной частоте пьезодвигателя ω p =3·103 рад/с, полученной экспериментально. Величину коэффициента вязкого трения β подберем таким образом, чтобы коэффициент демпфирования ξ находился в пределах, соответствующих экспериментально полученным значениям. При этом переходные процессы и частотные характеристики, полученные по разработанной модели должны быть близки к экспериментальным. Введем вектор состояния X(t ) , компонентами которого являются: усилие в активном упругом компенсаторе, вызванное приложенным электрическим полем FЭ (t ) , скорость первой массы V1 (t ) , силу упругости Fy (t ) , скорость второй массы V2 (t ) и

деформацию ∆(t ) :

{

}

 X(t ) = Fэ (t ), V1 (t ), Fy (t ), V2 (t ), ∆(t ) .

Введем вектор внешних воздействий U(t ) , включающий напряжение источника

ЭДС e(t ) и усилие Fc (t ) : U T (t ) = {e(t ), Fc (t )} Тогда матрицы состояния А и управления В примут вид: 1 Tя 1 A = m1 −

− β m1 C β m2

−

1 m1

1 m2

K 0Cд

Тя β − Kд m1 −C β − m2 1

−

K0 Tя

Kу m1

, −

1 m2

Здесь введены обозначения R в C 0 = Tя , R в K п = С д . Результаты моделирования. Пьезодвигатель как объект управления являются сильно колебательной системой с достаточно малым декрементом затухания ξ =0,05 ÷ 0,005, так что время установления переходных процессов составляет около 0,1-0,4 с. Коэффициент жесткости C подбирается таким образом, чтобы частота собственных механических колебаний была равна экспериментально полученной частоте ωp =3000 рад/с. Коэффициент вязкого трения β вначале примем равным нулю. Если переходный процесс будет расходящимся, то увеличим коэффициент вязкого

трения β до величины β = 10 −4 C , таким образом, что β составляет 0,01% от величины жесткости C . При высокой частоте собственных механических колебаний пьезодвигателя ω =3 ⋅ 103 с-1, его амплитудно-частотная характеристика на резонансной частоте имеет ярко выраженный выброс. Поэтому, для получения предельных точностных характеристик системы управления в математической модели Step Response пьезодвигателя необходимо x 10 3 учитывать его динамические характеристики как системы с 2.5 распределенными параметрами, обладающей ярко выраженными резонансными характеристиками. 2 Кроме того, пьезоэлектрические и пьезомагнитные двигатели 1.5 являются нелинейными элементами, для которых, в 1 первую очередь, присущи явления гистерезиса и нелинейности типа 0.5 насыщение. В качестве примера на рис. 2 показана переходная 0 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 характеристика изменения Рис.2. Переходный процесс двухмассовой положения пьезодвигателя при ступенчатом изменении электромеханической модели пьезодвигателя управляющего напряжения. Эта -5

характеристика практически совпадает с экспериментальной переходной характеристикой, что подтверждает адекватность разработанной математической модели. Выводы из приведенного исследования, перспективы этого направления. Таким образом, в данной работе разработана математическая модель активного упругого компенсатора в виде двухмассовой электромеханической системы как объекта управления многоканальной системы похожа на математическую модель двигателя постоянного тока независимого возбуждения, входом которого является напряжение на якорной цепи, а выходом является линейное либо угловое перемещение. Однако, в отличие от математической модели двигателя постоянного тока независимого возбуждения, в математической модели активного упругого компенсатора, кроме жесткой обратной связи о скорости вращения имеется жесткая и гибкая обратные связи по перемещениям. Фактически данная модель соответствует двухмассовой электромеханической системе с учетом особенностей пьезодвигателя как объекта управления с распределенными параметрами. Список литературы: 1. Никитина Т.Б. Синтез нелинейных многоканальных систем повышенной точности/Вісник Кременчуцького державного політехнічного університету. Кременчуг.- 2005. №4/2005 (33). С. 39 – 42. 2. Никитина Т.Б. Робастное управление многоканальными итерационными электроприводами по Н2 и Н∞ критериям. Електромашинобудування та електрообладнання. Міжвідомчий науково – технічний збірник. Одеса - 2006. Випуск №67. С. 13 – 17. 3. Никитина Т.Б. Синтез робастных регуляторов многоканальных итерационных систем// Радиоэлектроника и информатика. Научно – технический журнал: Харьков. ХНУР. 2007. №4(35). - С. 24 – 30. 4. Никитина Т.Б. Синтез цифровых робастных регуляторов многоканальных электромеханических систем//Збірник наукових праць Дніпродзержинського державного технічного університету (технічні науки). Тематичний випуск «Проблеми автоматизованого електропривода. Теорія і практика». /Дніпродзержинськ: ДГТУ, 2007. – С. 391– 392. 5. Никитина Т.Б. Синтез цифровых нелинейных робастных регуляторов каналов многоканальных систем при последовательном синтезе. Автоматизація виробничих процесів.// Київ – 2006.- №2 (23).- С.109 -114. РОБАСТНОЕ УПРАВЛЕНИЕ ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ ГОРИЗОНТАЛЬНОГО НАВЕДЕНИЯ ДИСКРЕТНО-КОНТИНУАЛЬНОГО ОБЪЕКТА Кузнецов Б.И., Никитина Т.Б., Лутай С.Н., Кузнецова Л.Г., Курцева Л.Б., Волошко А.В., Буаклин Мохаммед Али (НТЦ МТО НАН Украины, УИПА, г. Харьков, Украина) This article deals with the robust control system for discrete-continual plant in horizon swere. The example of dynamic characteristics for such system is given. Постановка проблемы, связь с научными и практическими задачами. Управление многими техническими объектами и технологическими процессами осуществляется с помощью удлиненных конструкций, связывающих исполнительный механизм с рабочим органом. В процессе работы такие конструкции совершают крутильные, продольные либо поперечные колебания относительно начального положения. Это, в частности, касается стрел подъемных кранов, рук антропоморфных

роботов, стволов орудий и т.д. При управлении такими протяженными объектами необходимо учитывать собственные механические колебания, обусловленные упругими свойствами этих протяженных объектов управления. Анализ последних достижений и публикаций. В работах [1-7] рассмотрены вопросы параметрического синтеза систем наведения и стабилизации. Однако в этих системах используется классическая структура регуляторов с жесткими обратными связями по сигналам с гироскопических датчиков углов и угловых скоростей, что ограничивает возможности получения высокой точности работы системы. Цель работы. Целью данной работы является повышение точности системы наведения и стабилизации в горизонтальной плоскости за счет применения робастного регулятора. Задачей статьи является синтез и исследование динамических характеристик робастной системы наведения и стабилизации в горизонтальной плоскости с учетом упругости объекта управления. Постановка проблемы. Рассмотрим математическую модель объекта управления системы наведения и стабилизации в горизонтальной плоскости следуя работе [1]. Помимо вращения относительно оси, оно совершает упругие колебания. Обозначим через γ (t ) угол поворота жесткого тела в инерциальной системе координат, y(x , t ) - отклонение точек стержня от недеформированного состояния. Предположим, что управление осуществляется с помощью стабилизирующего момента M с0 (t ) , приложенного к основному жесткому телу. Возмущающий момент M в0 (t ) действует также относительно этой оси поворота основного жесткого тела. Тогда уравнение движения башни относительно оси может быть записано в следующем виде [1]: r +l

∂ 2 y (x , t )

∂t 2

(t ) − ∫ m1(x ) I 0ϕ

dx = M co (t ) + M во (t ) .

Это уравнение описывает свободное движение дискретно-континуального объекта управления, в котором I c является характеристикой дискретноконтинуального объекта как твердого тела, а m1(x ) характеризует взаимное влияние движений жесткого модуля и колебаний упругих элементов. Функция y(x, t ) удовлетворяет уравнению колебаний упругой балки (t ) + m(x ) m1 (x )ϕ

∂ 2 y(x , t ) ∂t 2

+ EI(x )

∂ 4 y(x , t ) ∂x 4

+ ξEI(x )

∂ 5 y(x , t ) ∂x 4 ∂t

= F0 (x , t ) ,

где EI(x ) - изгибная жесткость ствола; ξ - коэффициент внутреннего демпфирования материала ствола; F(x , t ) - распределенное по длине ствола внешнее возмущение, обусловленное вертикальными колебаниями оси цапф орудия при движении танка по пересеченной местности. Представим функцию y(x , t ) в виде следующего разложения n

y(x , t ) = ∑ γ i (t )Ti (t ) , i =1

где n - число учитываемых форм упругих колебаний ствола. Тогда получим следующие уравнения, описывающие движение дискретно – континуального объекта под действием стабилизирующего момента M с0 (t ) , возмущающего момента M в0 (t ) , а

также распределенной по длине ствола силы F0 (x , t ) , вызванной горизонтальными колебаниями подрессоренной части танка n

r+l

i =1

 i(t ) ∫ m (x )γ (x )dx = M (t ) + M (t ) ; (t ) − ∑ T I0ϕ 1 i co во n

i =1

 (t ) + EI(x ) ∑ γ1 V (x )T (t ) + ξEI(x ) ∑ γ1 V (x )T (x ) = F(x , t ) (t ) + m(x ) ∑ γ i (x )T m1 (x )ϕ i i i i i

Учитывая только первую основную форму упругих колебаний, функцию y(x, t ) представим в виде y(x , t ) = γ 0 (x )T0 (t ) . Тогда уравнения динамики движения дискретно-континуального объекта управления примут следующий вид  (t ) = M (t ) + M (t ) ; I 0 ф(t ) − a 0 T 0 co во  (t ) + ξ b T (t ) + b T (t ) = f (t ) ; (t ) + c0T a 0ϕ 0 0 0 0 0 0

Введем следующие компоненты вектора состояния: угол ϕ(t ) отклонения между осью канала ствола и направлением на цель и его производную ϕ (t ) , значение функции T0 (t ) в представлении функции y(x , t ) характеризующей отклонение точек оси канала ствола от его недеформируемого состояния, а также производную этой функции T (t ) , 0

момент стабилизации М со (t ) башни с помощью исполнительного электродвигателя и  (t ) . При этом вектор состояния примет следующий вид его производную М со

  (t ),}. X(t ) = {ϕ(t ), ϕ (t ), T0 (t ), T 0 (t ), M co (t ), M co Тогда уравнения возмущенного движения дискретно-континуального объекта стабилизации совместно с уравнением исполнительного электропривода с гидроцилиндром и интегратором, на котором реализуется астатический регулятор, эквивалентны системе дифференциальных уравнений

x 1(t ) = x 2 (t ) ; c ξ a 0b0 a b x 2 (t ) = 0 + a 02 x 5 (t ) − x 4 (t ) − 0 0 x 3 (t ) ; I0c0 ∆ ∆ x 3 (t ) = x 4 (t ) ; ξI b I b a x 4 (t ) = − 0 0 x 4 (t ) − 0 0 x 3 (t ) − 0 x 5 (t ) ∆ ∆ ∆ x 5 (t ) = x 6 (t ) ; x 6 (t ) = −

1 Tм2

x 5 (t ) −

2ξ м K x 6 (t ) + м u (t ) ; 2 Tм Тм

Здесь введено обозначение ∆ = I 0 c 0 + a 02 . Тогда в уравнении состояния возмущенного движения дискретноконтинуального объекта стабилизации совместно с уравнением исполнительного

электропривода и интегратором, на котором реализуется астатический регулятор, матрица состояния примет следующий вид 1 a b − 0 0 ∆ − I0b0 ∆

ξa 0 b 0 ∆ 1 − ξI 0 b 0 ∆

c0 ∆

−

− a0 ∆

, B= 1 − 2ξ м Tм

−1 Tм2

Kм 2 Тм

Метод решения. Рассмотрим задачу робастной оптимизации системы наведения и стабилизации в канале горизонтального наведения. Для построения астатического робастного регулятора [9] введем интегратор с переменной состояния Z(t ) , на вход которого подадим разность между заданным значением угла направления на цель ϕ 3 (t ) и фактическим значением угла направления орудия ϕ(t ) , так что уравнение состояния интегратора примет следующий вид z (t ) = ϕ 3 (t ) − ϕ(t ) . Построим робастный астатический регулятор для этого объекта управления [1014]. Представим эту систему дифференциальных уравнений в стандартной форме, принятой в теории H ∞ [9-13]

   x (t ) = Ax ( t ) + B1w ( t ) + B2u ( t ) ,    z( t ) = C1x ( t ) + D11w ( t ) + D12u ( t ) ,     y( t ) = C2 x ( t ) + D21w + D22u ( t ) .

Синтез робастного регулятора и робастного наблюдателя сводится к определению такого динамического блока, заданного матрицами A p , B p , C p , входом  которого является измеряемый вектор исходной системы y( t ) , а выходом является  вектор управления u ( t ) исходной системы  dx p   = A p x p + Bp y , dt   u = Cp x p , где

[ = [I − γ

A p = A − B2BT2 X ∞ + I − γ − 2Y∞ X ∞ Bp

−2

]

−1

Y∞ X ∞

]

Y∞ CT2 C2 + γ − 2B1B1T X ∞ ,

−1

Y∞CT2 ,

C p = −B T2 X ∞ ,

X ∞ и Y∞ являются решением обобщенных алгебраических уравнений Риккати по управлению и фильтрации

[

]

A T X ∞ + X ∞ A − X ∞ B2BT2 − γ − 2B1B1T X ∞ + C1C1T = 0 ,

]

[

AY∞ + Y∞ A T − Y∞ CT2C2 − γ − 2C1TC1 Y∞ + B1B1T = 0 . Результаты моделирования. Построены переходные процессы компонент вектора состояния замкнутой системы: угла ϕ(t ) отклонения между осью канала ствола и направлением на цель и его производной ϕ (t ) , значение функции T0 (t ) в представлении функции y(x , t ) , характеризующей отклонение точек оси канала ствола от его недеформируемого состояния и момента стабилизации М со (t ) башни с помощью электропривода при отработке системой заданного рассогласования ∆ϕ =0,1 между направлением башни и направлением на цель. Выводы из проведенного исследования, перспективы этого направления. . Применение робастных регуляторов позволило получить приемлемые показатели качества для стабилизатора в горизонтальной плоскости как дискретно-континуального объекта управления с учетом упругих колебаний ствола. Дальнейшее повышение точности стабилизации сдерживается энергетическими ограничениями исполнительного электродвигателя и информационными ограничениями измерителей. Список литературы: 1. Александров Е.Е., Богаенко И.Н., Кузнецов Б.И. Параметрический синтез систем стабилизации танкового вооружения. – К.: Техніка, 1997. – 112 с. 2. Александров Е.Е., Кузнецов Б.И., Радиевский А.Е. Оптимизация электромеханических систем с упругими элементами. – Харків: ІМІС, 1995. – 304 с. 3. Александров Е.Е., Александрова И.Е., Богаенко И.Н. Инвариантный стабилизатор основного вооружения танка// Артиллерийское и стрелковое вооружение. – Киев: 2006. - №3. – С. 30 – 34. 4. Александров Є.Є., Богатиренко К.І., Бєляєв С.М. Параметричний синтез автоматизованого електропривода танкової башти. Електромашинобудування та електрообладнання. Міжвідомчий науково - технічний збірник. – Київ. Техніка. 2006, випуск 66. – С.195 – 196. 5. Александров Е.Е., Александрова И.Е., Костянник И.В. Параметрический синтез стабилизатора переменной структуры дискретно – континуального объекта. Технічна електродинаміка. Тематичний випуск. Силова електроніка та енергоефективність. Частина 4. – Київ: 2006. С.65-68. 6. Богатыренко К.И., Беляев С.Н., Савчук А.О. Инвариантный танковый стабилизатор основного вооружения. Механіка та машинобудування//Науково – технічний журнал. – Харків: НТУ „ХПІ”, 2006. - №1, с. 229 – 232. 7. Нефедов А.В., Рудник Н.П. Определение параметров передаточных функций модели стабилизатора для тренажера боевого отделения танка. Механіка та машинобудування//Науково – технічний журнал. – Харків: НТУ „ХПІ”, 2004. - №2, с. 185 – 192. 8. Корнеев В.В., Кузнецов М.И., Кузьмин Л.П. Основы автоматики и танковые автоматические системы. – М. АБТВ, 1976.-546 с. 9. Кузнецов Б.И., Никитина Т.Б., Коломиец В.В. Синтез электромеханических систем со сложными кинематическими цепями. Харьков, УИПА.2005.–511с. 10. Khargonekar P., Petersen I., Rotea M.,” H ∞ оptimal control with state feedback “, IEEE Trans. Automat. Contr., AC – 33, pp.783 – 786, 1988. 11. J.Doyle, K. Glover, P.Khargonekar, and B. Francis, “State – space solutions to standard H2 and H ∞ control problems”. IEEE Trans. Automat. Contr., AC – 34, no 8. pp.831 – 847, Aug. 1989. 12. J.C. Doyie, “Synthesis of Robust Controllers and Filters, ”Proc. IEEE Conf. On Decision and Control, San Antonio, TX, December 14 – 16, 1983. 13. M.G. Safonov, R.Y. Chiang and H. Flashner, “ H ∞ Control Synthesis for a Large Space Structure,” AIAAJ. Guidance, Control and Dynamics, 14, 3, pp. 513 – 520, May/June 1991. 14. G. Stein, Lecture Notes, Tutorial Workshop on H ∞ Control Theory, Los Angeles, CA, Dec. 7 – 8, 1987.

ИССЛЕДОВАНИЕ ИНВЕСТИЦИОННЫХ ПРОЦЕССОВ В УСЛОВИЯХ ТРАНСФОРМАЦИОННОЙ ЭКОНОМИКИ УКРАИНЫ Кузнецова З.П. (ДонНТУ, г. Донецк, Украина) The main problems, that are the obstacles for the development of investing processes in Ukraine economics during its transformation, are considered. Экономика, ориентированная на рыночную систему экономических отношений, характеризуется сформировавшимся особым — переходным — типом экономической системы. Содержанием переходной экономики является преобразование всей системы социально-экономических отношений (собственности, связей между экономическими субъектами и т.д.). В условиях рыночной экономики государство должно осуществлять функции контроля и регулирования, включая макроэкономическое управление, внешнюю политику, оборону, регулирование деятельности банков и монополистов, контроль за реализацией правительственных программ, социальное обеспечение, охрану окружающей среды и т.п. К сожалению, в нашей стране в настоящее время функции государства сводятся лишь к фискальным и карательным. Проводимые реформы украинской экономики были лишены социальной направленности, что привело к снижению деловой активности в легальной сфере производства, увеличению теневой занятости и теневых доходов, глубокому расслоению общества, снижению уровня доходов населения [1]. Как и все посткоммунистические страны (Китай представляет собой уникальный случай в истории экономических реформ при коммунистическом режиме), Украина начала процесс экономических преобразований с системного кризиса. Но масштабы этого кризиса (падение объемов производства, темпы инфляции и т.п.) оказались чуть ли не наибольшими сравнительно с другими переходными экономиками. Кроме того, Украина запоздала с началом реформ, и это запоздание в значительной степени определяет современные экономические трудности. Как свидетельствует опыт постсоциалистического развития стран восточной Европы, важнейшее значение для успешного реформирования экономики имеет продуманная, сбалансированная инвестиционная политика, поддерживаемая всеми ветвями власти и большинством населения страны. В таблицах 1, 2 приведены теоретические данные, на которых могут основываться практические расчеты. Таблица 1. Ожидаемая прибыль и инвестиции (гипотетические данные) Ожидаемая норма Величина инвестиций чистой прибыли (в %) (млрд. дол. в год) 0 2 4 6 8 10 12 14 16

0 5 10 15 20 25 30 35 40

Сразу же после коллапса Советского Союза и соответствующей системы кооперативных связей экономика Украины попала под жесткое влияние международной экономической конъюнктуры. Значительное число производств (если не большинство из них) оказались неконкурентоспособными на международном рынке. Наконец, украинской

политической и экономической элите явно недостает таких качеств, как умение глубоко анализировать международный опыт, самокритично относиться к собственным ошибкам, реалистически оценивать современные и будущие возможности и тенденции. Создается впечатление, что отдельные решения стратегического характера принимаются интуитивно или под влиянием внешних обстоятельств. Таблица 2. График инвестиций (гипотетические данные, млрд. дол.) Уровень производства и Инвестиции In Инвестиции In' дохода 370 20 10 390 20 12 410 20 14 430 20 16 450 20 18 470 20 20 490 20 22 510 20 24 530 20 26 550 20 28 Несформированность власти, переобремененность общества партийными противостояниями, замкнутость правительства в своих полномочиях, отсутствие внятной стратегии развития означает, что Украина по-прежнему остается в плену популистско-социальной политики, а задекларированный переход к инвестиционной модели, несущей экономическое оздоровление, по-прежнему остается иллюзорным. Хотя именно сейчас в Украине проявляются риски и вызовы, преодоление которых требует реального инвестиционного расширения. Вопреки многочисленным декларациям, инвестиционная политика и по сей день не стала предметом первоочередного внимания власти, а инвестиционные мероприятия носили и носят преимущественно демонстративный характер. В конце 2005 года указом президента было создано Государственное агентство по инвестициям и инновациям, что также демонстрировало внимание к выполнению инвестиционной политики государства. Однако реальные механизмы участия государства в процессе привлечения инвестиций, права, полномочия и задачи Агентства так и не были определены, финансовые ресурсы не запланированы и не выделены. Поэтому сегодня о его результативности говорить не приходится. Впрочем, уже никого не удивляет, что в Украине сначала высокими решениями создается государственная структура, а затем в течение одного – двух лет определяется, чем же она будет заниматься [2]. Создается впечатление, что значимость (а вместе с тем и качество) решений подменяется количеством запланированных или задекларированных мероприятий. Так, в апреле 2006 года был издан указ президента о первоочередных мероприятиях в сфере инвестиционной деятельности. Однако, если проанализировать его положения, то возникает ряд сомнений, что документ, в котором каждая фраза подана в формате «активизировать работу», «усилить работу», «отработать в установленном порядке» и пр., окажет существенное влияние на привлечение инвестиций. Указ скорее является перечнем потребностей отдельных министерств и ведомств, которые (потребности) к 75

инвестициям имеют весьма опосредованное отношение. Положения о необходимости «принять меры по закреплению за морскими портами соответствующих акваторий с целью обеспечения безопасности мореходства», «обеспечить надлежащее финансирование льгот по оплате энергоносителей для отдельных категорий потребителей, в частности на потребности городского электротранспорта, уличного освещения», «осуществить поэтапное приведение тарифов на электрическую энергию для населения до уровня, который отвечает обоснованным затратам на ее производство, передачу и обеспечение», трудно отнести к первоочередным инвестиционным. Начавшаяся в 2005 году полная консервация приватизационных процессов, которые являются важнейшим инструментом привлечения инвестиций в трансформационные экономики, будет и дальше существенно ограничивать возможности инвестирования. Однако ни идеологически, ни персонально руководство страны не готово отойти от сложившегося за полтора года стоп-стереотипа в подходе к приватизации. В то же время, как свидетельствует мировой опыт, предпосылкой успешных трансформаций всегда является четкость приоритетов и политических инструментов их достижения. Так, Китай и Индия, наиболее динамичные экономики последнего десятилетия, своими впечатляющими результатами во многом обязаны успешному масштабному привлечению иностранных инвестиций. Причем идеальным инвестиционный климат в обеих странах назвать тяжело (в частности, Конституцией Китая лишь недавно была признана частная собственность), а успех в достижении экономического роста и снижении уровня бедности достигнут благодаря реформам, которые первоначально считались «скромными». Так, Китай начинал преобразования с внедрения простейшей системы прав собственности, заложившей основу новым стимулам для экономики, Индия — со снижения торговых барьеров, создавшего условия для притока в страну капиталов. В обоих случаях реформы были нацелены на устранение важнейших ограничений, а способы реализации этих реформ создавали у предприятий и населения доверие к действиям своих правительств, что необходимо для дальнейшего реформирования (в том числе непопулярного толка) [2]. В Украине, при отсутствии понятной и приемлемой для общества стратегии, власть вынуждена частными позитивами подменять системную работу. Так, сегодня правительство указывает на стремительный рост прямых иностранных инвестиций. Действительно, чистый приток в первом квартале 2006 года, согласно платежному балансу, составил почти 700 млн. долл. — больше, чем в предыдущие годы. Однако основные поступления связаны с покупкой иностранными банками нескольких крупных украинских банков, а стратегический инвестор по-прежнему выжидает. Вопреки необходимости решения инвестиционных проблем, которые накапливались в Украине на протяжении последних лет, едва ли не наибольшие потери (при смене в 2005 и 2007 г.г. политической элиты) Украина испытала именно в инвестиционной сфере. Ожидалось, что нормализация и упорядочение экономической деятельности (в частности, ликвидация или ограничение льгот и специальных условий деятельности, упрощение регуляторной системы, большая прозрачность при принятии решений), в т.ч. обусловленные необходимостью вступления страны в ВТО, существенно снизят инвестиционные риски и приведут к высокому притоку инвестиционных ресурсов уже в первый год деятельности новой власти. Однако ряд институционных провалов (неурегулированность и политизация прав собственности, повышение рисков инвестирования вследствие объявленных намерений пересмотреть результаты приватизационных конкурсов, высокая социализация бюджета) привели к отказу международных и отечественных инвесторов вкладывать ресурсы в украинскую экономику.

Низкий уровень доверия населения к макроэкономической и политической устойчивости в стране, отсутствие надлежащих условий для наиболее широкого вхождения в экономику частного инвестора, нестабильность налогового законодательства и непредсказуемость его изменений — все это и сегодня дает основания утверждать, что нынешний приток инвестиций в банковский сектор никак не является свидетельством инвестиционной привлекательности страны и успеха деятельности власти [2]. Переход к рыночным отношениям в инвестиционной сфере прежде всего касается ее источников. Инвестиции могут осуществляться за счет собственных финансовых ресурсов инвестора (амортизационные отчисления, прибыль, денежные накопления, сбережения граждан, юридических лиц и др.), привлеченных финансовых средств инвесторов (банковские, бюджетные, облигационные кредиты, а также средства, полученные от продажи акций, облигаций, паевых и других взносов граждан и юридических лиц), бюджетных инвестиционных ассигнований и заимствованных финансовых ресурсов (кредиты, займа). Структура инвестиционных ресурсов, которая складывается в Украине в последнее время, не является оптимальной. Большая изношенность оборудования отрицательно обозначается на качестве продукции. Действующие нормативные сроки службы в среднем представляют 16-17 лет, а фактически - еще больше. Средние нормативные сроки службы, например, оборудования, целесообразно сократить до 9-10 лет, которое будет нуждаться в значительном ускорении вывода устаревшего оборудования и увеличении фонда возмещения. Тогда сумма амортизации повысилась бы за счет фонда возмещения [3]. В США, например, средний возраст средств работы в народном хозяйстве в наше время равняется 10,1 года сравнительно с 17,1 года в 1940 г., средние сроки службы оборудования - всего 6,3 года, домов и сооружений - 13,4 года [3]. Сводный бюджет Украины также не может рассматриваться как определяющий источник финансирования модернизации производства ввиду немалого государственного долга и остроты социальных проблем. Принятие многочисленных продекларированных программ развития ряда отраслей привело лишь к распылению финансовых ресурсов и расширению базы коррупции при распределении средств. Концептуальная основа необходимости инвестиционной политики для Украины, естественно, связана с теми отрицательными явлениями, которые заложены в структурных изменениях, происходящих вследствие трансформации экономической системы, а также с неизбежностью диспропорций, возникающих при этом — нарушениями в процессах ценообразования, монополизацией и ограничением конкуренции, влиянием мировой конъюнктуры. А отсутствие чёткой инвестиционной политики в соответствующем механизме привело к формированию тенденций, при которых отечественные инвесторы отдают преимущество финансовым инвестициям, имеющим краткий период обращения, и практически избегают долгосрочных материальных вложений, а иностранные инвесторы ещё достаточно осторожно относятся к инвестированию в экономику Украины. Вывод. Анализ современного состояния экономики в Украине дает основание утверждать, что мобилизовать капиталовложения в необходимых размерах в условиях свертывания инвестиционных потоков и выплаты государственного долга, можно только путём разработки тщательно продуманной и последовательно осуществляемой особой политики привлечения инвестиций, кардинально отличающейся от существующей практики. Это должна быть новая политика, основанная на либерализации режима привлечения и функционирования как отечественных, так и иностранных инвестиций.

Список литературы: 1. Зиновьев Ф.В. Переходная экономика. Формирование механизмов хозяйствования//Экономист.-2001.-№3.-С2-25. 2. Иванов А. П. Современное состояние инвестиций в Украине//Зеркало недели.-2006.-№ 28 (607), 22 — 28 июля. 3. Федоренко В.Г., Іноземне інвестування економіки України: Навч. Посібник - К.:МАУП, 2004. - 272 с. ИССЛЕДОВАНИЕ СПОСОБА ПИРОМЕТАЛЛУРГИЧЕСКОГО РАФИНИРОВАНИЯ ЛОМА ПЛАТИНОВЫХ СПЛАВОВ Купченко Г.В., Купченко В.Г., Майонов А.В., Поко О.А. (Физико-технический институт НАН Беларуси, г. Минск, Республика Беларусь) The paper describes the results of investigations associated with the development of the method and technologies intended for cleaning of platinum-rhodium scrap from glass and impurities of base metals. Платина и ее сплавы занимают особое место в экономике и финансовой политике страны, а проводимые с металлом работы на всех этапах требуют строжайшего контроля и особой системы учета. Поэтому актуальна разработка и совершенствование технологий регенерации платиновых сплавов, в первую очередь, в направлении сокращения безвозвратных потерь металла и обеспечения экологической безопасности и эффективности процессов. Химическая очистка платинородиевого лома проводится либо с полным химическим разделением сплавов на составляющие и получением нового сплава необходимого состава, либо без химического разделения на составляющие компоненты. При высокой эффективности полная химическая очистка имеет существенные недостатки: медленная скорость переработки, связанная с необходимостью перевода металлов в растворенное состояние, применение экологически опасных кислот, большие технологические безвозвратные потери драгоценных, а также высокая трудоемкость процесса. В технологии очистки с неполным растворением платинородиевого лома плавиковой кислотой и «царской водкой» стравливается загрязненный поверхностный слой, который подвергается дальнейшей химической очистке с полным разделен6ием. Оставшийся металл поступает на металлургическую переработку. Однако при таком способе достаточно сложно определить, на какую глубину необходимо производить стравливание металла до достижения чистых слоев. Кроме того, реализация этой технологии также требует применения агрессивных химических реактивов. Нами исследован и разработан способ т.н. пирометаллургической очистки платинородиевых сплавов, который позволяет совместить эффективность химического отделения вредных примесей со скоростью металлургической переработки [1] . Новизна способа заключается в том, основная операция – переплав лома – проводится с использованием флюса. Исследована эффективность сочетания физико-химических методов рафинирования (флюсовая очистка + вакуумирование) на удаление примесей неблагородных металлов. Установлено, что наибольшую эффективность процесса пирометаллургической очистки обеспечивают флюсы, содержащие большее количество окислителя нитрата калия. При проведении очистки платинового порошка – это флюс с соотношением компонентов нитрат калия - 30%, бура плавленая - 30%,

стекло легкоплавкое - 40%. Применение флюса при плавке снизило количество примесей неблагородных металлов, таких, как медь, железо и олово в четыре раза, цинка - в пять раз, алюминия – в одиннадцать раз, свинца- в тринадцать раз, кремния в восемь раз. Прессовки с незначительными поверхностными загрязнениями сразу направляются переплав для получения слитков под прокат. Во время прессования сильно загрязненного лома сплава ПлРд10 в каждую прессовку добавляется флюс состава 30% нитрата калия и 70% плавленой буры в количестве 1-3% от массы прессуемого лома, для сплава ПлРд20 - 35% нитрата калия и 65% плавленой буры. При пирометаллургической очистке лома ПлРд10 и ПлРд20 оптимальным для введения в расплав в процессе плавки является флюс состава 30 и 35% нитрата калия и 70 и 65% буры плавленой соответственно с дополнительным использованием вакуумирования расплава для усиления химического эффекта. В процессе нагрева нитрат калия энергично разлагается по реакции: 4КNO 3 + Q ккал → 4KNO 2 +2O 2 → 2K 2 O+2N 2 +5O 2 . Образующийся кислород взаимодействует с элементами шихты, имеющими большее сродство к кислороду, чем платина, и переводит их в окислы. Ошлаковывание примесей происходит по реакции типа: Na 2 B 4 O 7 + MeO→2NaBO 2 + Me(BO 2 ) 2 + Qккал [2]. После расплавления металла флюс, проходя через ванну с расплавом, выносит ошлакованные примеси на поверхность, т.е. происходит пирометаллургическое рафинирование расплава от примесей неблагородных металлов. Исследовано влияние на процессы очистки проведения процесса переплава лома в жароупорных тиглях из электрокорунда и диоксида циркония. При проведении пирометаллургической очистки от стекла наибольшую эффективность показала методика плавки платинородиевого сплава в тиглях из электрокорунда без дальнейшей разливки металла. При этом стекло в процессе расплавления металла всплывает на его поверхность, после чего тигель охлаждается в воду, где происходит отделение металла от стекла. Прессовки загружаются в плавильный тигель из электрокорунда, зафутерованный в охранный тигель, в котором в качестве набивки использована стеклоткань. Тигель помещается в индукционную вакуумную печь, где производится рафинирование по следующей схеме.

Рис. 1.

Общая продолжительность процесса не должна превышать 40-50 минут, при этом необходимо отслеживать, чтобы плавление прессовок начиналось в нижней части тигля и происходило постепенное выдавливание стекла металлом на поверхность. Изотермическая выдержка при температурах 500 и 11000С необходима для равномерного разогрева тигля по всей поверхности, что при плавлении должно предотвратить его растрескивание и вытекание металла наружу. Так как флюс имеет тенденцию к испарению, необходимо его добавление во время разогрева и непосредственно во время процесса плавления. Вакуумирование расплава необходимо проводить после взаимодействия основной части флюса с расплавом. Для сплавов ПлРд20 общее время разогрева увеличивается примерно на 10-15% в силу более высокой температуры плавления. Эффективность процесса флюсовой очистки лома платинородиевых сплавов иллюстрируют сравнительные данные атомно-эмиссионного анализа, представленные на диаграмме.

Содержание примесей до (левый столбец) и после (правый столбец) проведения флюсовой очистки сплава ПлРд10

Содержание примесей,%

0,06

0,05

0,04

0,03

0,02

0,01

0 Ag

Наименование примеси

Рис. 2 Выводы. Разработан способ переработки лома платиновых сплавов, совмещающий процесс удаления поверхностных загрязнений с адсорбционным рафинированием под флюсами и переводом в шлак примесей неблагородных металлов, имеющих большее сродство к кислороду, чем основные компоненты сплава. Пирометаллургическая очистка обеспечивает качество металла вторичной плавки не ниже, чем у первичного металла. Процесс отличается от химической очистки невысокой трудоемкостью, экологической безопасностью, снижением безвозвратных потерь драгметаллов. Список литературы: 1. Купченко В.Г. Способ очистки платинородиевого лома стеклоплавильных агрегатов от стекла и примесей неблагородных металлов. Патент Республики Беларусь №11225. Зарегистрировано в Государственном реестре полезных моделей 2008.07.22. 2. Андронов В.П. Плавильно-литейное производство драгоценных металлов и сплавов.- М.: Металлургия, 1979 г, -368 с.

СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ В ТЕПЛОЭНЕРГЕТИКЕ Курбанов Х.К., Курбанов Ч.К., Курбанов Б.К. (Туркменский Политехнический Институт.г. Ашгабат, Туркменистан) The issue is considered regarding the effectiveness of mounting the boiler units trought increase of their bloks. Причина проявления повышенного интереса к проблемам и перспективам развития энергетики стал так называемый «энергетический кризис», когда цена нефти на мировом рынке увеличилась почти в 5 раз и большинство индустриально развитых стран оказались неподготовленными ни в техническом, ни в психологическом отношении к резким изменениям в мировой экономике. В действительности же обострение энергетической ситуации во всём мире стало наблюдаться гораздо ранее и было вызвано прежде всего нежелательными воздействиями на окружающую среду и всю экологическую систему в связи с бурным ростом населения планеты и сверхинтенсивным развитием энергетики. Источником всех используемых в настоящее время видов энергии являются ресурсы природной среды: литосферы, атмосферы и гидросферы. Потребляя естественные энергетические ресурсы, все энергетические установки оказывают разнообразное воздействие на атмосферу, гидросферу и поверхность литосферы: выбросы твёрдых, жидких и газообразных веществ, нагрев больших количеств воды и воздуха и т.д. Таким образом, производство энергии неразрывно взаимосвязано с окружающей средой. Поэтому проблемы взаимоотношений общества и природы, сохранения и улучшения среды обитания человека становятся сегодня в один ряд с вопросами предотвращения угрозы войны и сохранения мира. От положительного решения экономических проблем в значительной степени зависит благосостояние нынешнего и будущего поколений, существование самой цивилизации. В эпоху научно-технической революции наиболее универсальным видом энергии стало электричество, обеспечивающее потребность в электромагнитной и в значительной мере в тепловой энергии. Однако до настоящего времени большая часть энергопотребления покрывается за счет непосредственного сжигания органического топлива в топках, печах и двигателях. Соответственно высоким темпам и масштабам научно-технического прогресса, растущим объемам переработки сырья и топлива всё более важными становятся вопросы рационального использования природных ресурсов для достижения как экономических, так и социальных целей общества. Энергетический кризис показал, что человечество не может больше бездумно расходовать природные ресурсы. В связи с этим выросла необходимость всесторонне, комплексно изучать ресурсы, их величину и экономичность, перспективы и очерёдность их использования, технологию их добычи, их взаимозаменяемость, многократность оборота и специфику охраны окружающей среды. В последние годы в прогнозах развития топливно-энергетического хозяйства мира появился новый подход, объединяющий энергетические, экономические и экологические понятия в одно целое как компоненты единой системы. Предметом обсуждения ученых разных отраслей науки является сейчас проблема взаимозависимости энергетики, общества и окружающей среды в долгосрочной перспективе. Эта перспектива охватывает переходный период в энергетике, от использования ограниченных ресурсов нефтегазового топлива к преимущественному

использованию угля и ядерной энергии, а в дальнейшем также возобновляемых источников энергии [1]. Энергетическая промышленность является важным фактором, влияющим на состояние окружающей среды. При сжигании топлива образуются не только газообразные продукты, но и твердые отходы (зола, шлак), а также разнообразные жидкие стоки. Некоторые из них практически чисты и вредных веществ не содержат, а их экологическое действие обусловлено только несколько повышенной температурой. Другие, напротив, представляют собой концентрированные смеси и растворы высокотоксичных химических соединений - серной кислоты, сернокислых солей ванадия, меди, никеля, железа, оксиды азота, серы и др. По мере роста промышленного производства возрастает потребность в энергии, развивается котельная техника и увеличивается загрязнение атмосферы Земли и ее водоемов вредными химическими соединениями, содержащимися в выбрасываемых источниками теплоснабжения продуктах сгорания и различных жидких стоках. Дальнейшее развитие промышленности, рост городов и поселков городского типа требует опережающего развития энергетики, причем, основная роль в этом в настоящее время принадлежит источникам энергии, сжигающим органическое топливо. При производстве тепловой энергии в виде пара или горячей воды в больших количествах расходуются два основных рабочих вещества - топливо и вода. В 1997г. было сожжено свыше 12 млрд. т у.т., если принять ориентировочно, что при сжигании 1кг топлива образуется около 10 м 3 продуктов сгорания, то можно оценить общий выброс через дымовые трубы электро – и теплостанций и промышленных печей в атмосферу Земли, который составит около 1,3 ⋅ 1014 м 3 продуктов сгорания. Кроме того, на нужды теплоэнергетики ежегодно расходуется около 250км 3 /год воды, причем, безвозвратные потери составляют около 15км 3 год, а остальная вода сбрасывается и несет в себе различные химически вредные для окружающей природы соединения. Если и дальше рост расхода воды будет идти пропорционально росту мощности теплоэнергетики, то потребности в ней возрастут до 1000км 3 /год. В настоящее время на каждого жителя промышленно развитых стран ежегодно приходится свыше 2,25 кг различных загрязнителей, выбрасываемых через дымовые трубы, в том числе 1,5 кг/чел. газообразных и 0,75 кг/чел. твердых. В реках озерах из-за сбросов постоянно возрастают солесодержание и концентрация различных химически активных веществ, вредно влияющих на фауну и флору водоемов. Расход реагентов на системы химводоподготовки в котельных возрастает, резко растет количество воды на промывку и регенерацию, что вызывает еще более быстрый рост загрязнения природных вод. Именно поэтому борьба за совершенствование технологических процессов с целью снижения вредного воздействия на окружающую нас природу стала одной из важнейших и живучих социальных проблем глобального характера. В дымовых газах, выбрасываемых в атмосферу, содержатся вредные компоненты, основными из которых являются: 1. 2. 3. 4.

твердые частицы при сжигании твердого и жидкого топлив; газообразные окислы серы; оксиды азота; окись углерода;

двуокись углерода; углеводороды; бенз (а) пирен. Обычно зола топлива не содержит токсичных веществ. Однако в золе донецких антрацитов содержится незначительное количество мышьяка, в золе экибастузких углей - двуокись кремния, в золе канско – ачинского угля и прибалтийских сланцев – свободная окись кальция. Одним из основных видов топлива, сжигаемого в теплогенерирующих установках, является уголь. В нем содержатся различные минеральные негорючие примеси, которые, балластируя уголь, уменьшают теплоту его сгорания, снижают интенсивность и полноту сгорания и обуславливают высокую концентрацию летучей золы в дымовых газах. Так, например, при работе котельной с тремя котлами ДКВР-20-13 на низкосортном подмосковном угле марки «Б» с зольностью 37%, будет сжигаться 1,65 кг/с угля и при этом образовываться свыше 2 т/ч золы. Если только 15% золы будет выбрасываться в атмосферу, а остальные 85% оседать в газоходах котла и улавливаться золоуловителями, то количество выбрасываемой золы будет достаточно, чтобы в течение 300 суток работы площадь вокруг котельной в радиусе 3км покрыть слоем золы в 1,5мм толщиной. Всего в атмосферу за это время будет выброшено около 2400 тонн золы [2]. Наконец, некоторые топлива, например, угли Экибастузского месторождения, имеют золу, состоящую главным образом, из алюмо-и ферросиликатов и свободной кремнекислоты (кварциты, полевошпатовые породы и пр.). Воды ТЭС, работающих на таких углях, имеют невысокий солевой состав, обусловленный, главным образом, солями исходной воды, применяемой для гидрозолоудаления. Часто эти воды характеризуются пониженными значениями pH , порядка 4-5. Эта слабая кислотность возникает из-за поглощения окислов серы и азота, присутствующих в дымовых газах ТЭС, работающих на таких топливах. Следует заметить, что сернистый газ, а также окись и двуокись азота являются обычными примесями отходящих газов почти при любом топливе. Но для мало-щелочных или нещелочных зол кислотность, обусловленная этими газами, не «погащается» щелочами золы, так как их просто не хватает для этого. Кроме Ca (OH )2 и CaSO 4 , являющихся определяющими компонентами вод ГЗУ, в них почти всегда присутствуют фториды в концентрациях от 1-2 до 20-30 и даже до 50 г/л (очень редко). Часто в водах ГЗУ обнаруживаются соединения ванадия, обычно от 0,1 до 1,0 мг/л, затем мышьяка, хрома, марганца, никеля и меди. Концентрация этих элементов обычно не превышают 0,1 мг/л, а чаще - еще меньше. В золах Донецких углей обнаружены ртуть и германий, в некоторых топливах отмечалось присутствие бериллия, лития и следов тория и урана. Концентрация этих элементов обычно очень мала. (таблица 1) 5. 6. 7.

Таблица 1. Состав сточной воды после обмывки поверхностей нагрева парогенераторов, работающих на сернистых мазутах Компонент Содержание, г/л Свободная серная кислота 4-5 Сернокислое железо 25-30 -“9-11 Сернокислый ванадий 0,5-1,3 -“0,3-0,8

Продолжение табл. 1 Сернокислый никель -“Сернокислая медь -“Общее содержание сульфатов Прочие примеси

0,2-0,3 0,08-0,12 0,025-0,050 0,01-0,02 20-25 1-2

Следует отметить чрезвычайную токсичность этих обмывочных вод и в то же время высокую ценность содержащихся в них примесей, особенно ванадия. Очевидно, что сброс в природные водоемы таких вод не может быть допущен ни при каких обстоятельствах. Даже 50-кратные разбавление этих стоков природной водой, по составу близкой к речным водам средней полосы не позволит полностью устранить ее кислотность. А для доведения содержания ванадия ПО ПДК пришлось бы применить разбавление в 10000 и даже более раз. Подобные технологические «решения» недопустимы. В последние годы разработан простой и дешевый способ извлечения ванадия из этих вод [3]. В котельных, отдающих пар производственным потребителям, существенной составляющей питательной воды парогенераторов является так называемый производственный конденсат, т.е. конденсат отработавшего на производстве пара. Обычно конденсат этого пара приходится очищать на специальных конденсатоочистках от тех примесей, которыми он неминуемо загрязняется в процессе транспортирования и эксплуатации. Этими неизбежными примесями являются, вопервых, окислы железа и вообще продукты коррозии тех конструкционных материалов, с которыми пар и конденсат контактирует на производстве. Часто этот конденсат загрязнен также кремнекислотой (при прогибах труб применяется песок), затем нефтепродуктами и соединениями кальция и магния, а также натрия за счет попадания сырой воды и по другим причинам. От всех этих примесей конденсат может быть освобожден на безреагентной мембранной очистке [3]. Сушествуют три пути решения глобальных энергетических проблем будущего: нахождение новых источников энергии, более эффективное использование существующих и рациональное расходование добытой энергии. Главная задача энергетики была, есть и будет в удовлетворении потребности населения планеты в энергии с наименьщими суммарными затратами. Список литературы: 1. Росляков П.В. «Охрана окружаюшей среды при производстве энергии на ТЭС и АЭС.» М:1983 г. 2. Пермяков Б.А., Курбанов Х.К. «Обеспылевание газообразных продуктов сгорания ткаными рукавными фильтрами» Ашхабат. ТуркменНИИНТИ, 1989 г. 3. Пермяков Б.А., Пщеменский А.А., Курбанов Х.К. «Особенности проектирования установок обратного осмоса в схемах обессоливания на электростанциях » Известия АН ТССР «Физические, физикотехнические, химические и геологические науки» Ашхабат 1985,№6.

ПАРОГЕНЕРАТОРЫ И ПРОЦЕССЫ ГОРЕНИЯ ПРОИСХОДЯЩИЕ В ТОПКАХ Курбанов Х.К., Ягшимурадов А.Д. (ТПИ, г. Ашгабат, Туркменистан) Chemical reactions of combustible elements with oxygen are the basis of burning process in boiler plants. Due to the chemical process in these reactions, some of the physical processes are being attached. These processes include: a motion of solid fuel, oil and gas in a stream with the development of the second flow, totaling forming a complex aerodynamics of the burner; a convective diffusion, a turbulent and molecular diffusion of the source material and the products of reaction in a gas stream; a heat transmission, released due to the chemical reactions in a gas stream and from the gas surrounding to screen the surface, located in the burner. Перед энергетикой стоит важнейшая задача – повышение эффективности использования топлива в котлах, особенно средней мощности, с минимизацией выбросов токсичных ингредиентов. Вопросы охраны окружающей среды имеют не только экономическое, но и огромное социальное значение. Снижение заболеваемости, улучшение условий труда и быта – проблемы, тесно связанные с экологической обстановкой. Основой функционирования энергетики в конкретных условиях окружающей среды является обеспеченность ресурсами. Современные и предстоящие масштабы энергопотребления ставят сложные задачи в области выявления, подготовки и освоения энергетических ресурсов. Основой современной энергетики являются тепловые электростанции (ТЭС). В настоящее время на полупромышленных и отопительных котельных в основном сжигается природный газ. Ввиду того, что в системе теплоснабжения и электроснабжения используют огромное количество парогенераторов, следует отметить важность стабильной работы топливосжигающих элементов, в частности горелок сжигающих не только природный газ, но и при необходимости способных сжигать твердое и жидкое топливо. Процесс горения в котельных установках определяется соотношением количеств топлива и подаваемого воздуха. Этот вопрос до настоящего времени в значительной мере изучен и с помощью стехиометрических и других уравнений определены необходимые соотношения. Экспериментально установлено, что в большинстве случаев кинетическое уравнение реакции не может быть составлено на основании стехиометрического уравнения по числу молекул исходных веществ, участвующих в реакции. В действительности реакции протекают не непосредственно между молекулами исходных веществ, а через промежуточные стадии, в которых образуются активные промежуточные продукты. Последние вступают в реакции с исходными веществами, образуя конечный продукт. Параллельно с конечными образуются вновь активные продукты, продолжающие реакции. Причем тип уравнения скорости сложных реакций обычно более низкого порядка, чем следовало бы ожидать, судя по стехиометрическому уравнению [1]. В данной работе введем понятие: степень участия кислорода в процессе горения. Если периодически изменять концентрацию кислорода в процессе горения, то система выйдет из состояния равновесия и в ней произойдут процессы до наступления нового положения равновесия с неизменным повышением степени участия кислорода в процессе горения.

Проанализируем данное утверждение пользуясь принципом Ле-Шателье. Принцип гласит: если на систему, находящуюся в химическом равновесии, воздействовать извне, то в ней возникнут самопроизвольные процессы, стремящиеся ослабить это воздействие. Из этого следует, что увеличение концентрации кислорода в процессе горения сдвигает равновесие так, что в системе происходит процесс, при котором уменьшается концентрация кислорода. Это объясняется тем, что кислород в значительных количествах начнёт выводиться с продуктами сгорания и при этом равновесие сдвинется в сторону увеличения его концентрации. Это означает, что непрерывный отвод продуктов сгорания способствует более полному протеканию реакций горения. А более полное протекание реакций горения это не что иное, как повышение степени участия кислорода в процессе горения с образованием конечных продуктов сгорания и тем самым уменьшением химического недожога. Уменьшение концентрации кислорода в процессе горения, на второй стадии, на основании принципа Ле-Шателье, вызовет процесс, при котором увеличится концентрация кислорода. Это будет происходить за счёт поглощения системой кислорода топочного объёма. Это тоже приведёт к повышению степени участия кислорода в процессе горения и тем самым уменьшению потерь тепла в окружающую среду с нереагировавшим кислородом. Список литературы: 1. Хзмалян Д.М., Каган Я.А. Теория горения и топочные устройства.-М.: Энергия, 1976. – 488с. 2. Росляков П.В. Охрана окружающей среды при производстве энергии на ТЭС и АЭС.-М.: МЭИ, 1983. – 80с. 3. Воликов А.Н. Сжигание газового и жидкого топлива в котлах малой мощности.-Л.: Недра, 1989. – 160с. ПРИМЕНЕНИЕ КОМПОЗИЦИОННЫХ КОМПАКТОВ ИЗ МИКРОПОРОШКОВ КУБОНИТА ЗЕРНИСТОСТЬЮ 3/2–0,5/0 ПРИ ШЛИФОВАНИИ ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ Лавриненко В.И., Никитин Ю.И., Сытник Б.В., Полторацкий В.Г., Богатырева Г.П., Шило А.Е., Пащенко Е.А., Дуда Т.М., Чалый В.Т., Пасичный О.О., Скрябин В.А. (ИСМ им. В.Н.Бакуля НАН Украины, г. Киев, Украина) Researches on working out of a new abrasive composite material on the basis of micropowders cBN are presented. Features of reception, property and manufacturing possibility in carbon environment of gas composite compacts, scale grinding powders from 50/40 to 630/500 are shown. Scopes of the data grinding powders in the grinding tool are revealed. Кубический нитрид бора (СВN, КНБ) – синтетический сверхтвердый материал на основе нитрида бора – относится к числу эффективных сверхтвердых материалов, широко применяемых в различных видах абразивных и лезвийных инструментов для обработки большой гаммы металлических материалов. Инструменты, изготовленные из кубонита при обработке металлов и сплавов не проявляют химического сродства к железу, благодаря чему их применение при обработке инструментальных сталей, в том числе быстрорежущих, весьма эффективно. Вместе с тем, зернистость шлифпорошков из КНБ является ограниченной (50/40 – 200/160), что не позволяет во многих случаях решать актуальные задачи металлообработки. В то же время, производство порошков КНБ сталкивается с естественным накоплением малоходовых мелкодисперсных

микропорошков кубонита зернистостей 3/2, 3/1, 2/1, 1/0, 0,5/0 в значительных обьёмах. Одним из направлений в решении данной проблемы является проведение научноисследовательских и экспериментальных работ по разработке способов и технологии компактирования указанных микропорошков кубонита методом физико-химического синтеза и изготовления из полученных композиционных компактов шлифпорошков всей гаммы зернистостей от 630/500 до 50/40 и –40 мкм. В связи с этим в ИСМ проведен комплекс исследований по разработке теоретических основ получения достаточно прочных компактов кубонита в среде углеродосодержащего газа – метана, пригодных для изготовления шлифпорошков, технологических схем изготовления компактов на опытной установке, и проведения избирательного дробления компактов, классификации и сортировки шлифпорошков на оборудовании конструкции ИСМ. В данной работе нами рассматриваются вопросы влияния на эксплуатационные показатели кругов не чистого компакта, а металлизированного. Предварительные исследования показали, что металлизация всего компакта не приводит к положительным результатам, так как возрастает эффективная мощность шлифования и увеличивается шероховатость обработанной поверхности. Поэтому нами рассматривались вопросы влияния на эксплуатационные показатели шлифовальных кругов металлизации не всего компакта, а исходных микропорошков кубонита, из которых изготавливались компакты. Причем, целью этого этапа работ являлось определение возможностей эффективного использования неходовых микропорошков кубонита в шлифовальном инструменте в виде частичной замены стандартных порошков синтетических алмазов и кубонита в рабочем слое круга компактами из металлизированных микропорошков кубонита марки КМ3/1. Исследования по определению эксплуатационных характеристик шлифовальных кругов проводилась на модернизированном стенде на базе станка 3В642. Режимы обработки : скорость вращения круга – 15 м/с, продольная подача изменялась от 0,3 м/мин до 2 м/мин, глубина шлифования составляла 0,05 мм/дв.ход. Шлифование образцов из твердого сплава марки ВК6 и быстрорежущей стали Р6М5 проводилось без охлаждения. В процессе испытаний определялись следующие эксплуатационные характеристики: режущая способность круга (мм3/мин), относительный расход СТМ (мг/г), эффективная мощность шлифования (кВт), шероховатость обработанной поверхности, наличие прижогов на обработанной поверхности (таблица). Таблица 1. Эксплуатационные характеристики кругов с компактами. ПроизводиОтносиЭффекШероховаПрижоги тельность тельный тивная тость обрана обраХарактеристик шлифорасход мощность танной поботанной а круга вания, СТМ, шлифоваверхности, поверх3 мм /мин мг/г ния, кВт Rа, мкм ности 1 2 3 4 5 6 Обрабатываемый материал – быстрорежущая сталь Р6М5 12А2-45 120 3,62 0,05 0,41 – 125х5х3х32 200 7,48 0,07 0,57 – КР 125/100300 4,75 0,09 0,55 – 100% 400 17,39 0,17 0,80 Слабый В2-08 600 27,19 0,27 0,75 Сильный

Продолжение табл. 1 12А2-45 120 8.93 0,05 0,70 125х5х3х32 200 10,65 0,07 0,86 КР 125/100 300 14,52 0.15 0,75 (75%) + 400 28,03 0,25 0,71 + (КМ 3/1) метал 600 38,10 0,36 0,84 (25%) В2-08 Обрабатываемый материал – твердый сплав ВК6 12А2-45 106 2,90 0,04 – 125х5х3х32 178 8,15 0,06 0,56 АС6 125/100 266 5,64 0,09 0,59 100% 355 8,67 0,10 0,56 В2-08 532 21,72 0.23 0.59 710 23,04 0,29 0,68 1 2 3 4 5 12А2-45 106 1,40 0,04 0,61* 125х5х3х32 178 2,82 0,06 0,59 АС6 125/100 266 3,60 0,09 0,45 (75%) + 355 6,05 0,22 0,62 + (КМ 3/1) метал 532 15,14 0.28 0.69 (25%) В2-08 710 19,79 0,34 0,86* Обрабатываемый материал – быстрорежущая сталь Р6М5 12А2-45 120 5,49 0,07 0,57 125х5х4х32 200 7,38 0,11 0,61 КР 125/100 – 300 8,62 0.16 0,59 100% 400 23,31 0,31 0.85 ВР 12А2-45 120 6,90 0,05 0,59 125х5х4,5х32 200 8,66 0,11 0,75 КР 125/100 300 10,09 0.17 0,69 (75%) + 400 17,63 0,34 0.96 + (КМ 3/1) метал (25%) ВР Обрабатываемый материал – твердый сплав ВК6 12А2-45 105 2,09 0,05 0,71 125х5х4х32 175 2,97 0,08 0.65 АС6 125/100 – 262 4,24 0,11 0,73 100% 350 4,42 0,15 0,67 ВР 525 9,17 0,21 0,80 700 10,42 0,25 0,67 12А2-45 102 0,98 0,05 0,47 125х5х4,5х32 170 1,45 0,07 0.65 АС6 125/100 255 1,40 0,10 0,48 (75%) + 340 2,86 0,15 0,64 + (КМ 3/1) метал 510 6,32 0,23 0,71 (25%) ВР 680 8,48 0,34 0,66

– Легкий Слабый Сильный Сильный – – – – – – 6 – – – – – – – – Средний Сильный – – Средний Сильный

– – – – – – – – – – – –

Анализ результатов испытаний эксплуатационных свойств кругов на полимерных связках, приведенных в таблице, позволяет сделать следующие выводы : 1. Металлизированный (КМ 3/1) метал в большей степени следует рассматривать как наполнитель в связке, а не как абразивный материал, предназначенный для съема припуска. 2. В обоих случаях (круги на полимерной связке В2-08 и металлополимерной ВР) введение в связку наполнителя (КМ 3/1) метал при основном абразивном материале – кубоните КР 125/100 приводит однозначно к повышению относительного расхода кубонита в кругах, снижению их режущей способности и возникновению прижогов на более низкой производительности. 3. В обоих случаях (круги на полимерной связке В2-08 и металлополимерной ВР) введение в связку наполнителя (КМ 3/1) метал при основном абразивном материале – алмазе АС6 125/100 приводит однозначно к снижению относительного расхода алмаза в кругах. В этом случае, введение такого наполнителя на производительностях шлифования вплоть до 500 мм3/мин повышает износостойкость кругов на полимерной связке В2-08 в 1,4–2,9 раза, а кругов на металлополимерной связке ВР в 1,5–3,0 раза. Практически полное совпадение данных по эффекту повышения износостойкости кругов подтверждает наличие позитивного эффекта от введения в рабочий слой кругов добавки металлизированных микропорошков (КМ 3/1) метал . 4. Анализ данных по показателям микронеровностей обработанной поверхности показывает, что при использовании добавки (КМ 3/1) метал можно получить необычний микропрофиль (рис. 1), который стандартными кругами (рис. 2) получить невозможно. Наличие такого микропрофиля дает возможность при дальнейшей последующей его полировке получить поверхность с повышенными масляными карманами.

[um]

P Profile

5,0 4,0 3,0

Рис. 1. Микропрофиль обработанной поверхности твердого сплава ВК6 кругом 12А2-45 125х5х3х32 АС6 125/100 (75%) + (КМ 3/1) метал (25%) В2-08 при производительности шлифования 710 мм3/мин. 2,0 1,0

0,0 -1,0 -2,0 -3,0

-4,0 0,0

0,5

1,0

1,5

2,0 R Profile

2,5

3,0

3,5

4,0

[um]

[mm]

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

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

3,5

4,0 [mm]

Рис. 2. Микропрофиль обработанной поверхности твердого сплава ВК6 стандартным кругом 12А2-45 125х5х3х32 АС6 125/100 (100%) В2-08 при производительности шлифования 710 мм3/мин 5. Результаты испытаний позволяют рекомендовать к использованию в алмазных кругах возможность частичной (25%) замены алмазных микропорошков на

неходовые металлизированные микропорошки кубонита, что позволит гарантированно (почти в 1,5 раза) повысить износостойкость алмазных кругов при шлифовании твердых сплавов. Применительно к процессам шлифования инструментальных материалов возможно предложить следующие рекомендации по эффективному использованию компактов микропорошков в рабочем слое шлифовальных кругов. Шлифование твердосплавного инструмента алмазными кругами на полимерных связках позволяет обрабатывать твердые сплавы с достижением производительности обработки без охлаждения до 700 мм3/мин. Рекомендации относятся к типоразмерам шлифовальных кругов формы 12А2-45, 12А2-20, 12R4 наружным диаметром от 100 до 250 мм, шириной слоя 5, 6, 10 и 20 мм, толщиной слоя 3 и 5 мм. Диаметры посадочных отверстий корпуса – 20 и 32 мм. Наименьший относительный расход алмазов и наиболее низкие значения величины шероховатости достигаются при использовании алмазов марки АС6 зернистостью алмазов 125/100 (допускается 100/80) и концентрацией 100% (допускается 75%) на полимерных (В2-08) и металлополимерных (В1-13, ВР) связках. При этом, для повышения износостойкости кругов рекомендуется производить замену части (25%) шлифпорошка алмаза на компакты из кубонита зернистостью 160/125 или металлизированными микропорошками КМ3/1. Рекомендуемые режимы алмазного шлифования : окружная скорость вращения круга, м/с – 20…25 ; продольная подача, м/мин – 0,5…2,0 ; поперечная подача, мм/дв.ход – 0,05. Преимуществами процесса шлифования с применением данных кругов на полимерных и металлополимерных связках являются : обеспечение высокой производительности обработки; обеспечение величины шероховатости обработанной поверхности по параметру Ra – 0,22…0,63 мкм. Шлифование инструмента из быстрорежущих сталей кругами из кубонита на полимерных связках позволяет обрабатывать такой инструмент с достижением производительности обработки без охлаждения до 600 мм3/мин. Рекомендации относятся к типоразмерам шлифовальных кругов формы 12А2-45, 12А2-20, 12R4 наружным диаметром от 100 до 250 мм, шириной слоя 5, 6, 10 и 20 мм, толщиной слоя 3 и 5 мм. Диаметры посадочных отверстий корпуса – 20 и 32 мм. Наименьший относительный расход алмазов и наиболее низкие значения величины шероховатости достигаются при использовании кубонита марки КР (КВ) зернистостью 125/100 (допускается 63/50) и концентрацией 100% на полимерных (В208) и металлополимерных (В1-13, ВР) связках. При этом, для шлифования быстрорежущих сталей с повышенным содержанием углерода и повышения износостойкости кругов при производительности обработки до 400 мм3/мин рекомендуется производить замену части (25%) шлифпорошка кубонита на компакты из микропорошка кубонита зернистостью 160/125 или металлизированными микропорошками КМ3/1. В случае обработки быстрорежущих сталей с обычным содержанием углерода рекомендуется такие круги использовать для производительностей шлифования не более 200 мм3/мин. Рекомендуемые режимы шлифования : окружная скорость вращения круга, м/с – 20…30 ; продольная подача, м/мин – 0,5…1,0 ; поперечная подача, мм/дв.ход – 0,05. Преимуществом процесса шлифования с применением данных кругов на полимерных и металлополимерных связках является обеспечение величины шероховатости обработанной поверхности по параметру Ra 0,32…0,63 мкм.

ОПТИМИЗАЦИЯ СТРУКТУРЫ ПАРКА И ПАРАМЕТРОВ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ НА ОСНОВЕ ИМИТАЦИОННОЙ МОДЕЛИ СБОРОЧНОГО АВТОМОБИЛЬНОГО ПРОИЗВОДСТВА Ламин И.И. (МГТУ "МАМИ", Москва, Российская Федерация) Not only does this work provide you with information on existing procedures but it also contains material on preliminary projection. It helps to solve tasks which you are faced with on the stage of requirements specification for equipment supply. This enables a customer to make a well-grounded decision on the type and technical characteristics of necessary equipment without developing the engineering process. Thus, a planning organization gets an opportunity to negotiate and sign a contract for equipment supply prior to an expensive procedure of formulating the technical proposal. Изменения в экономике страны существенным образом повлияли на процесс формирования структуры парка сборочного оборудования в автостроении. Повысились требования к оснащению производства специализированным оборудованием с высоким экономическим эффектом. Большое значение для заказчика оборудования приобрело качество подготовки задания на проектирование и контракта на его поставку. Процедура разработки задания на проектирование специализированного оборудования является сложной задачей для машиностроительного предприятия. Заказчик может сформулировать требования к типу оборудования и его производительности, качеству выпускаемой продукции и некоторым техническим характеристикам. Эти ограниченные сведения, полученные в форме экспертных оценок, и ложатся в основу задания на проектирование. Основные решения по техническим параметрам технологического процесса и сборочного оборудования, включая оценку его стоимости, разрабатываются фирмойизготовителем. Один из вариантов этих решений в виде технического предложения и проекта контракта на поставку оборудования фирма передает заказчику. Для лучшего представления коньюктуры рынка заказчик нередко направляет задание на проектирование одновременно нескольким фирмам. Однако, и в этом случае, имея несколько вариантов предложений, выбор необходимого решения для заказчика не становится проще. Обоснованный выбор фирмы-изготовителя и технического предложения существующими методами возможен только в результате подробного сравнительного анализа предлагаемых решений и разработки альтернативных вариантов. Для решения проблем, возникающих при заказе сборочного специализированного оборудования, включая вопросы определения цены и подготовки контракта на его поставку, в МГТУ "МАМИ" разработан оптимизационный метод предварительного проектирования. Метод реализован в виде методики и программы расчета техникоэкономических параметров технологического процесса и сборочного оборудования. Метод не требуют разработки технологического процесса сборки изделия и компоновки оборудования. Подготовка исходных данных для программы расчета достаточно проста и может выполняться инженером-технологом средней квалификации. Основой метода предварительного проектирования служит оптимизационная модель, объединяющая основные технические и экономические параметры технологического процесса и сборочного оборудования с некоторой совокупностью исходных факторов, входящих в задание на проектирование.

В качестве математического аппарата оптимизационной модели в работе, впервые для задач подобного типа, применено пошаговое интерполирование. Кроме этого, некоторые зависимости экономического характера получены путем полуэмпирических вычислений. Особенность решаемой задачи заключается в том, что в ней разрабатываются и анализируются только такие технические решения, которые обеспечивают сборку изделий с требуемым качеством и заданной производительностью. Это дает возможность при создании оптимизационной модели использовать метод выбора варианта по величине экономического эффекта. В случаях, когда рассматриваемые технические предложения различаются только величинами составляющих затрат (текущих, З 1 и единовременных, З 2 ), в качестве экономического критерия используется их суммарный минимум, З. На рис. 1 показана структура годовых затрат на сборку изделия в зависимости от коэффициента автоматизации для трех значений годовых программ выпуска.

Рис. 1. Зависимость затрат от уровня автоматизации Как видно из рис. 1, с увеличением коэффициента автоматизации значение текущих издержек З 1 , имеющих характер линейной зависимости, при сборке годового объема выпуска изделий уменьшается. Затраты З 2 , связанные со стоимостью оборудования, при увеличении коэффициента автоматизации монотонно возрастают. Таким образом, годовые затраты З, получаемые в результате сложения двух зависимостей линейного и экспоненциального характера, представляют кривую, имеющую одну точку экстремума − минимум. Естественно предположить, что значение коэффициента автоматизации, соответствующее минимуму затрат, является наиболее целесообразным для заказываемого сборочного оборудования. При заказе сборочного оборудования определение требуемой величины коэффициента автоматизации является наиболее важной и сложной задачей. Именно этот фактор оказывает решающее влияние практически на все основные технические и экономические параметры технологического процесса и сборочного оборудования.

Для расчета оптимального значения коэффициента автоматизации технологического процесса [К авт ] достаточно взять частную производную от функции затрат З по К авт и приравнять ее нулю, (1): 2,279 − 61,665lnК чд К ти (δ + β) Sмин N α 1 1 Kм [К авт ] = ln (1) −α К К -α 6,924N 2 6,924 k p + Е н об ф (0,925N + 53,84 )N 2 К чд К м Формула (1) учитывает тип изделия (К ти ), его массу (К м ), количество сборочных соединений (К чд ), величину заданной программы выпуска (N), заработную плату рабочих (S мин ), накладные расходы (β), фирму − изготовитель (К ф ), тип оборудования (К об ), уровень автоматизации (К авт ) и ряд других факторов. По понятным причинам, в формуле (1) вместо числовых значений постоянных коэффициентов приводятся их условные буквенные обозначения, α 1 и α 2 . Полученное значение коэффициента автоматизации технологического процесса сборки конкретного изделия, в данной задаче является оптимальным, т.к. оно обеспечивает минимуму затрат. На основе полученного оптимального значения коэффициента автоматизации появляется возможность рассчитать основные параметры технологического процесса и сборочного оборудования. Так, например, расчет количества позиций сборочного оборудования Р, можно выполнить с дифференциацией на автоматические, Р а, и выполняемые вручную, Р р .

(

)

Рис. 2. Соотношение в количестве автоматических и «ручных» позиций сборочного оборудования в зависимости от коэффициента автоматизации Результаты работы реализованы в виде программы, осуществляющей расчет и оптимизацию параметров технологического процесса и сборочного оборудования. Для этой цели необходимо выполнить предварительную подготовку данных, в число

которых входят технико-экономические показатели производства–заказчика, параметры технологичности конструкции изделия и упрощенный вариант маршрута сборки. После ввода исходных данных в программу, результаты расчетов автоматически появляются в таблице. Таблица 1 – это упрощенный вариант реальной таблицы результатов расчетов. Таблица 1. Технико-экономические параметры технологического процесса и сборочного оборудования Варианты расчетов По По допустимому № Наименование параметра Рекомендуемое заданию коэффициенту значение заказчика автоматизации Коэффициент 1 0,200 0,147 0,370 автоматизации Коэффициент технического 2 0,8861 0,9102 0,8188 использования оборудования Расчетный цикл работы 3 2,127 2,184 1,965 оборудования, мин./шт. Трудоемкость сборки, 4 6,861 7,314 5,403 мин./шт. Общее количество 5 9 8 18 позиций, шт. Количество втоматических 6 4 2 14 позиций, шт. 7 Наличие моечной машины нет нет нет Количество рабочих в 8 6 7 5 смену, человек Количество наладчиков в 9 1 1 2 смену, человек Себестоимость сборки 10 4,90 5,22 3,86 изделия, дол. США/шт. Цена одного комплекта 11 1 035 825 565 747 7 250 231 оборудования, дол. США Годовые затраты на сборку 12 712 702 643 700 1 944 800 изделий, дол. США Для заказчика полученные сведения вполне достаточны для составления обоснованного задания на проектирование технологического процесса и сборочного оборудования и принятия решения о выборе станкостроительной фирмы. Фирма-изготовитель, используя предлагаемый метод расчета, может подготовить контракт на поставку оборудования без дорогостоящей процедуры разработки стадии: "Техническое предложение". Список литературы: 1. Ламин И.И. "Оптимизация параметров сборочного оборудования на основе имитационной модели автомобильного и тракторного производств". М., «Сборка в машиностроении, приборостроении», № 7, 2005 г. 2. Ламин И.И. "Оптимизация парка и параметров сборочного оборудования". М.,

"Автомобильная промышленность", № 3, 2005 г. 3. Ламин И.И. "Проектирование технологических процессов сборки изделий автотракторостроения". Учебное пособие. М., МГТУ "МАМИ", 2008 г. 4. Ламин И.И. Оптимизация структуры парка и параметров сборочного оборудования автомобильного производства. Известия МГТУ "МАМИ" Научный рецензируемый журнал – М., МГТУ "МАМИ", № 2 (6), 2008. СУТЬ И ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОНЯТИЙ «ТВОРЧЕСТВО» И «КРЕАТИВНОСТЬ» В СИСТЕМЕ ИНЖЕНЕРНОГО ОБРАЗОВАНИЯ Левченко Г.Г., Каплюхин А.А., Петрушкин Г.В. (ДонНТУ, г.Донецк, Украина) The article deals with creative work and creativity. Creative work is determined as a mental process and creativity – as psychology quality. Herein two kinds of creative work are described as well as the ways of activating creative activity and formation of mental creativity. «Творческая деятельность», «творческая личность», «творческий потенциал», «творческое мышление», «инженерное творчество», и т.п. являются производными понятиями от родового «творчество», природным носителем которого является человек. Мысль принадлежности творческого человеку ещё в древности высказал один из выдающихся философов софизма Протагор в своих суждениях о том, что «Человек есть мера всех вещей. Существующих, что они существуют, не существующих, что они не существуют» (1). В ходе исторического развития общества достоверность мысли Протагора в целом подтверждалась и практикой и наукой. Более того, наука пришла к выводу о том, что творчество носит генный характер, что гены творческого заложены в каждом человеке и передаются по наследству из поколения в поколение. Эта констатация имеет очень важное значение, так как она даёт основание утверждать наличие в каждом человеке способности к проявлению творчества в какомлибо одном или даже в нескольких видах широкого многообразия деятельности, в том числе учебной и научной. Но недостаточность, а порой и отсутствие ожидаемых, а, более того, планируемых результатов творческого характера во многих сферах жизнедеятельности, а в нашем случае в парадигме инженерного образования, порождает множество вопросов о причинах отсутствия их должного проявления в различных формах и содержаниях. И, чтобы ответить хотя бы частично на эти непростые вопросы, следует прежде всего выяснить сущность принятого к рассмотрению феномена «творчество» и дать ему определение, поскольку, следуя утверждению Д.Гершеля, - нельзя внести точность в рассуждения, если она сначала не введена в определение. Первое философское определение понятия «творчество» восходит к древнегреческому философу Платону: «Творчество – поясняет он, - понятие широкое. Всё, что вызывает переход из небытия в бытие – творчество, и, следовательно, создание любых произведений искусства и ремесла можно назвать творчеством, а всех создателей – их творцами» (2). Таким образом, творчество есть некая причинность, которая порождает появления того, чего не было раньше. Однако, сугубо философское определение понятия «творчество», данное Платоном, оказалось недостаточным, чтобы ответить на всегда волнующие социум вопросы, такие как: когда, где, под воздействием чего или кого может возникать творческое проявление индивида, независимо от того, какое местоположение он

занимает в окружающем его мире. Поэтому, для поиска ответов на данные вопросы понадобились привлечения теоретических и практических достижений других наук и сфер реальной деятельности субъекта, к которым относим: 1. Психологические основы содержания творчества. 2. Социальное в сущности творчества. 3. Области или сферы проявления и функционирования творчества. По-видимому, это и наряду с другим имел в виду Платон, указывая на то, что творчество – понятие широкое. Для более полного осознания природы творческого, следует рассмотреть явление, которое предворяет понимание сущности творчества и связано с ним. В последнее время в суждениях о творчестве, особенно в психологопедагогических источниках, появился термин креативность. Многие пытаются поставить знак равенства между креативностью и творчеством, т.е. признать эти понятия в качестве синонимов. Но существует и другая точка зрения на соотносимость этих понятий друг к другу, которая констатирует, что они взаимосвязаны и взаимообусловлены, но не синонимичны. Почему? Креативность имеет сугубо физиолого-психологическую природу и представляется как нечто статичное. Она признаётся и конституируется творческой способностью индивида, которая характеризуется таким свойством как готовность порождать принципиально новые идеи. Креативность, подобно модульной составляющей, входит в понятие одарённость, как чувственная способность индивида к ощущению проблем, недостатка знаний или противоречий между ними. Креативность характеризуется и как способность определения проблем с последующим поиском путей их решений. Она также является способностью принятия нестандартных решений, выдвижения гипотез. Суть феномена «творчество» заключается в его самодвижении, следовательно в основе творчества лежит динамика, движение. В психологической трактовке творчество понимается как процесс сотворения чего-то нового небывалого, неповторимого, первичным результатом которого есть не создание оригинальных материальных ценностей, а сотворение нового у самого творца. Этот процесс внезапный, непредвиденный, незапрограммированный. В данном случае речь не идёт о ценности результата творческого акта и его новизна для группы людей или общества. Здесь главное, чтобы результат был новым и значимым для субъекта, его породившего. Важным считается «перерождение» субъекта, изменение его внутреннего мира (3). Такое проявление творчества присуще субъекту в онтогенезе его развития. Оно особо ощутимо и значимо в раннем возрасте в период формирования мировоззрения, в процессе непосредственного восприятия и познания окружающего мира, когда многое для субъекта ново, это одно из направлений понимания сущности творчества. Однако, в процессе индивидуального развития (онтогенеза) повторяется историческое развитие (филогенез), под влиянием которого формируется интеллект субъекта. И когда интеллектуальный потенциал достигает определённой зрелости, а это принято считать «студенческий возраст», когда наряду с перманентным познанием мира возникает обусловленная социумом объективная необходимость его преобразования и совершенствования, возникает другое понимание природы творчества. Помимо незапрограммированного процесса создания нового, которое продолжает иметь место, во внимание принимается ценность и значимость нового результата не столько для самого субъекта, сколько для социальной общности, в сфере которой он осуществляет свою деятельность. Значение такого результата может иметь

и более широкие масштабы. Это творчество помимо чисто психологической сущности приобретает социальный и деятельностный характер, а, поскольку деятельность немыслема без цели, то, творчество следует считать целевым. Рассмотрев суть и содержание понятий «творчество» и «креативность» сквозь призму психологического, социального и деятельностного подходов, мы пришли к выводу о том, что творчество – это продуктивная деятельность человека, в результате которой создаются новые материальные и не материальные ценности, важные и потребностные для общества. Креативность – это необходимое условие для творчества, представляемое в виде внутреннего ресурса или потенциала человека. Если философское и психологическое толкование творчества несёт универсальный характер и может быть достаточным для его признания, то полифункциональное социальное и деятельностное в творчестве таит множество проблем его проявления и «выхода» в нужных, однако разнообразных формах. Причинность этих проблем кроется в многообразии и разнообразии институционных форм существования и функционирования общественной жизни. Одной из таких форм является образование. В ряду образовательных систем, по сути и назначению отличающихся друг от друга, инженерное образование занимает особо значимое для социума место, поскольку на основе инженерных знаний создаются все необходимые для жизни материальные средства и постоянно совершенствуется материальная среда обитания человека, природная потребность в количестве и качестве которых постоянно растёт. Поэтому актуальность формирования и активизации инженерного творчества в вузе, как основного этапа профессиональной подготовки специалиста, всегда была и остаётся провизорной. К тому же эта актуальность усиливается в настоящее время низким уровнем состояния обучения в вузах технического профиля, где инженерная составляющая органично присуща всем техническим дисциплинам. Активизация инженерного творчества всегда обусловлена творческой активностью каждого участника образовательного процесса. Но при этом следует иметь ввиду, что творческая активность как свойство личности, не является данностью навсегда и не полностью зависит от природных данных. Она формируется обществом и обусловлена профессиональной деятельностью. Эта философская констатация имеет важное значение, так как она указывает на много- и разнофакторность воздействия на зарождение и проявление творческой активности в ходе деятельности по освоению инженерной профессии. В качестве таких факторов выступают как субъекты, так и объекты образовательного процесса. К ним принадлежат педагоги, технические средства, от простых устройств до сложных комплексов, учебный и научный информационный материал на различных носителях, методы и технологии в самом широком многообразии, дух и движение, составляющие парадигму инженерного образования. Исходя из этого, следует признать, что на формирование и проявление творческой активности и креативности мышления студентов могут влиять все перечисленные составляющие парадигмы при условии, что они обладают высоким качеством и необходимой силой воздействия. Исследования сути и содержания, роли и значения каждого из названных субъектов и объектов образовательного процесса с целью активного воздействия на формирование креативного мышления, мотивирования и стимулирования творческой активности студентов – это отдельные области исследований, которые должны быть направлены на решение проблем активизации творческой деятельности студентов вообще и инженерных специальностей в особенности. Умение творчески мыслить в XXI веке для выпускников вузов стала объективной необходимостью. Эта необходимость требует перехода от традиционного

образования, в котором львиную долю занимает непрерывное накопление и усвоение знаний, к образованию креативному, в основе которого лежит порождение и создание новых знаний. А это значит необходимы формирование и установление системы взглядов, способов понимания и толкования механизма творчества, которые должны выделяться из уже установившихся в нашем сознании. И, поскольку, креативно-творческая система характеризуется созданием новых знаний, то её формирование и развитие составляет цель совершенствования области инженерного образования. Список литературы: 1. Философская энциклопедия. М., 1976. – с. 397. 2. Платон. Пир ‫ ׀׀‬соч.: в 3х Т. – М., 1970. – Т2. – с. 135. 3. Карпова Ю.А. Инновации, интеллект, образование, монография. – М.: Изд-во МГУЛ, 1998. – 308 с. РАЗВИТИЕ СТРАТЕГИИ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ УНИВЕРСИТЕТА И ПРОМЫШЛЕННОСТИ НА РЕГИОНАЛЬНОМ УРОВНЕ Левшов А.В., Джура С.Г., Чурсинов В.И. (ДонНТУ г. Донецк, Украина) The first new practice of participation in the leading European Union programme TEMPUS on the topic :”Establishment of the Mechanism of Co-operation and Interaction between the University and Industry on the Regional Level as the Element of the Development of the Strategy of the Universities” (JEP-27085-2006) is investigated in the paper. Введение в проблему. Опыт Донецкого национального технического университета в получении грантов Евросоюза насчитывает более 20 лет. Первый опыт был не удачным. Было подано более 30 проектов и ни один из них без объяснения ситуации не были приняты. После этого произошли изменеия в политике Евросоюза. Видимо, эта политика открытости со стороны Европы пошла на пользу сотрудничеству нашего университета с Евросоюзом. Ниже в таблице 1. приводим справку на эту тему, то есть состояние опыта получения ведущих мировых грантов. №

Таблица 1. Список Темпус-проектов ДонНТУ Проект и Сроки Партнеры ответственный

Название проекта

1 JEP-27238-2006 Дементьев В.В.

2 года Университет Пьер Усовершенствование системы 2006- Мандес, г. Гренобль сотрудничества «университет2009 гг. II, Франция предприятие»

2 JEP-27085-2006 Джура С.Г.

2 года 20072010 гг.

Университет г. Лодзь, Польша

Установление механизма сотрудничества университетов с промышленными предприятиями на региональном уровне

3 ТЕМПУС/ТАСИС 2003Университет Пьер Цель: создание новой Дементьев В.В. 2006 гг. Мандес, г. Гренобль специальности «Европейские II, Франция студии» 4 Проект № DDCT- 2004UKR-3C6-900 2006 Швец И.Б.

Университет Пьер Создание системы Мандес, г. Гренобль последипломного образования по II, Франция специальности «Управление персоналом и экономика труда»

Продолжение табл. 1. 5 ТАСИС: Europe AID/113554/C/SV/ UA

Тема: «Совершенствование системы управления твердыми бытовыми отходами».

2003

Была проделана колоссальная работа международным отделом и институтом международного сотрудничества под руководством проректора по международным связям ДонНТУ проф. И.П.Навка, чтобы получить и этот грант. (JEP-27085-2006 «Установление механизма кооперации и интерактивности между университетом и промышленностью на региональном уровне как элемент развития стратегии университетов»). Само название программы образовано на основе сокращения полного наименования «Trans-European Mobility Program for University Studies». В эпоху глобализации и перехода к экономике знаний программа TEMPUS является одним из средств, с помощью которых Европейский Союз пытается откликнуться на меняющиеся геополитические и социально-экономические условия и таким образом активизировать и обогатить диалог между странами. В проекте JEP-27085-2006 координатором выступает университет города Лодзь (Польша) - благодаря опыту и высокой организаторской способности международного отдела и был получен грант), а также европейские партнеры: университет Портсмут (Англия), университет Кадиз (Испания). Вторым донором – получателем знаний наряду с ДонНТУ, выступает университет г.Владимир (Россия). Постановка задачи. Перед нами стояла очень интересная и весьма непростая задача: обобщить опыт наших коллег в странах-партнерах и творчески преломить его для улучшения стратегии взаимодействия ВУЗ-промышленность на региональном уровне. Первоначальные цели ДонНТУ были следующими: “Обеспечение руководства университета (и сотрудников соответствующих отделов) теоретическими (и практическими) знаниями о роли университетов в сближении двух сред (и в региональном развитии) – создании взаимодействия (Лиссабонская стратегия, ERA)”. (COIN цели) Стандартизация учебных планов (требующая финансирования). В ДонНТУ есть ряд готовых решений, благодаря иностранным инвестициям (на взаимовыгодной основе). Пример – немецкий технический факультет, английский технический, французский технический и начавший только работать польский, чешский и может быть получиться в перспективе – испанский. Есть идея для гранта на развитие польского факультета и на создание испанского. Большая проблема – законодательство, которое препятствует даже работе по этому гранту (мы уже объясняли это на ряде круглых столов, но это украинские реалии), плюс политическая нестабильность (это сказывается на отсутствии диалога с вышестоящими организациями – им не до нас и не до наших вопросов). Поэтому особая цель ДонНТУ – выжить в сложившихся условиях путем развития связи с промышленностью на региональном уровне и привлечения зарубежного капитала на взаимовыгодных условиях. Примеров у нас достаточно, но нужно финансирование каждого такого проекта. Этот грант – большая помощь в развитии кругозора и творческого заимствования опыта у Европейских партнеров. На первом этапе мы сообщили о состоянии нашего ВУЗа в этой области и сейчас завершаем посещение Европейских партнеров для уяснения ситуации и потенциального заимствования опыта и творческого его внедрения в нашу работу с промышленностью на региональном уровне. 99

Полагаем, что найдены интересные формы сотрудничества в ВУЗах-партнерах (в виде различного вида центров и других объединений, специфической направленности), которые хорошо бы открыть у нас. Мы также имеем ряд центров и ассоциаций, опыт которых мог бы быть интересен нашим партнерам и мы готовы поделиться им если нужно. Проблемы, которые предстоит решить. Первая: несовершенство законодательства (даже получение средств по этому гранту сопряжено с рядом немыслимых для европейцев проблем – так, например, статья расходов на зарплату персоналу по этому гранту как нас официально проинформировали в бухгалтерии в принципе выплачиваться не может). Это касается и технопарка ВУЗа (для нас было большим открытием уровень финансирования технопарков в Европе), зон приоритетного развития и свободных экономических зон. Вторая проблема – отсутствие понимания местных властей и выделения средств для развития вузовской науки, инновационных проектов и других инициатив ВУЗа. Мы провели ряд семинаров на эту тему. Создали ассоциацию инновационного развития, но пока она не заработала в полную силу. Третья проблема – недостаточный уровень роли ВУЗа в жизни края. По сути это культурная проблема. Поскольку социальная экономика говорит, что без повышения уровня культуры ни о каких экономических преобразованиях не может быть и речи, получается, что во время всеобщего одичания абитуриента, эта миссия университета – культурная (наряду с учебной и научной) является определяющей. Ибо те знания, которые получает студент, являются оружием обоюдоострым – ибо они могут быть применены как во благо общества, так и ему во вред. Вектор решению дает синтетическое понятие культура, включающего в себя науку, религию и искусство. Для решения этой задачи руководством нашего ВУЗа принято решение о возрождении института Культуры, который мы планируем открыть сразу по приезде с этой командировки. Это возрождение тех традиций нашего ВУЗа, которые были еще до войны. Краткий отчет результатов активности по гранту: - 9-11 октября 2008 – конференция ДонНТУ, институт электродинамики НАН Украины, предприятия Донецка «Руководство режимами объектов электрических систем»; - 30 октября 2008 – проведен семинар по обобщению опыта зарубежных командировок – по работе преподавателей ДонНТУ в рамках гранта ТЕМПУС, и распространение их результатов; - 12 ноябрь 2008 – создан инофрмационно-консультационный центр при обладминистрации по вопросам энергоэффективности; - 15 ноября семинар EduCamp; - 17 декабря 2008 – пресс-конференция по результатам международной деятельности ДонНТУ; - 19 ноябрь 2008 семинар «Современные энергоинформационные технологии для малого и среднего бизнеса»; - 23 ноября 2008 – семинар с фирмой Opera: «Opera для професиионалов»; - 2 декабря немецко-украинский семинар по высокопроизводительнпым системам; - 15 декабря 2008 проведен региональный конкурс на лучшее предложение по энергоэффективности; - обсужден вопрос по созданию консультационного центра для регулярных контактов с предприятиями (по опыту Purple Door);

100

- 21 января 2009 проведен региональный семинар «Современное оборудование и методы контроля качества металлопродукции», организованны ДонНТУ, «Карл Цейс» для предприятий Донецкого региона; - 12 февраля планируется провести форум: «ВУЗ-промышленностьрегиональное развитие» где будут доложены результаты работы по гранту; Есть ряд публикаций по гранту в прессе. В сентябре 2009 определено провести конференцию в Севастополе; В конце 2009 подготовить монографию по материалам, которые были разработаны по гранту. Что планируется на будущее: - организовать и наладить работу центр дистанционного обучения в ДонНТУ; - организовать центр по регулярным контактам с предприятиями на базе Ассоциации инновационного развития; - создание центра мониторинга потребности специалистов инженернотехнических специальностей базовых отраслей промышленности региона; Создание стратегического партнерства с компаниями; Разработка инновационных проектов для индустрии; - вооружить технопарк ДонНТУ новыми методиками и формами работы; есть ряд публикаций в региональной прессе по результатам работы по гранту с целью изменения отношения к миссии университета как центра научной, учебной, культурной и инновационной деятельности в регионе. То есть подготовить общественное мнение к изменению роли ВУЗу до уровня его роли в Европейских странах. Подвести базу для такого отношения. - сделать форум «ВУЗ-промышленность-региональное развитие» регулярным. На этом форуме решать все проблемы, возникающие во взаимодействии ВУЗпроизводство на региональном уровне. Про всей видимости всех проблем мы не решим в рамках этого гранта и, конечно, нужно участвовать в новых грантах для решения проблем, которые частично может решить этот грант. Это уже сделано – подана заявка на европейский грант с Владимирским университетом по направлению компьютерные науки. - Мы будем рады развивать наше партнерство и подавать на различные проекты и с другими партнерами – европейскими. - создание центра мониторинга потребности специалистов инженернотехнических специальностей базовых отраслей промышленности региона; открытие (возрождение) института Культуры; - готовим к написанию первую монографию «Пути преодоления депрессивного состояния монофункциональных городов». Так же готовится к написанию вторая монография: «Модели взаимодействия бизнеса и системы высшего образования». Дополнительные результаты: Результаты, которые не были запланированы грантом. Так уже подписан договор о сотрудничестве с Владимирским государственным университетом. Мы очень надеемся и приложим все усилия для развития его. Также завершилась процедура подписания договора о сотрудничестве с университетом города Кадиз. Перед нами открылась перспектива создания испанского факультета в нашем университете в дополнение к уже имеющимся у нас немецкому, английскому и французскому и развивающимися польскому и чешскому. Без этого гранта это было бы невозможно. - культурную миссию этого гранта переоценить невозможно. На наш взгляд она – главная и ведущая, хотя ее ставят всегда после научной и учебной миссий. Таким образом, это грант способствует созданию общества будущего – профессионалов-

101

ученых будущей объединенной Европы без границ на благо всех народов. Наше сообщество является моделью взаимодействия этой будущего. Спасибо большое за эту возможность всем нашим партнерам, Евросоюзу и Высшим Силам! Выводы. Таким образом в этих тезисах сжано представлены основные вехи работы команды ДонНТУ по обному из самых престижных грантов Евросоюза – Темпус. Нужно сказать, что на следующий этап (Темпус-4), уже подано 9 заявок, в том числе и с участниками этого гранта (например, университетом г.Владимир – Россия и университетом г.Лодзь – Польша). Эта возможность позволяет активизировать процессы международной интеграции и решения наболевших проблем образования, путем привлечения опыта участников проекта. Мы надеемся на успешное освоение гранта. ОЦЕНКА РАЗМЕРНЫХ ПАРАМЕТРОВ ДИСПЕРСНЫХ ЧАСТИЦ ПО ПАРАМЕТРУ ТЕМПЕРАТУРЫ ДЕБАЯ Лиопо В.А., Рыскулов А.А., Авдейчик С.В., Михайлова Л.В. (УМЦ «Промагромаш» ОАО «Белкард», г. Гродно, Беларусь) Debay Temperature depends on speed of distribution of a sound in substance which is anisotropic size. Hence, the specified temperature also depends on a direction of distribution mechanical excitations as for various [uvw] in a crystal it can be various. The dimensional border between macro-and nanostate can be defined through Debay temperature. It means, that for different directions in a crystal the specified border can have various values. Введение. В теории теплоемкости Дебая сделано предположение, что, спектр фононов описывается функцией P(ω ) имеющий следующий вид[1]:

αω 2 при ω ≤ ωВ P (ω ) =  0 при ω > ωD

(1)

График этой функции приведен на рис. 1. Частота ω D называется дебаевской частотой, с которой связаны и дебаевская энергия (E D ), и дебаевский импульс (P D ), и дебаевская длина волны (λ D ), и дебаевская температура ΘD:  E D = ω D ,   PD = ω D ,  u  (2) u  λ D = ω , D  ω D  θ D= k , где u – скорость распространения фононов (скорость звука), ħ, k – постоянные Планка и Больцмана соответственно. Рис. 1. Спектральная функция Многочисленные исследования показали, Р(ω) в дебаевском приближении что в реальных кристаллах P(ω ) отличается от модели Дебая, так как P(ω ) ≠ 0 при ω > ω D . При низких температурах (T < θ D ) в 102

кристалле могут быть высокочастотные колебания, но при высоких температурах (T > θ D ) для описания поведения фононов справедливо классическое распределение частот, при (T < θ D ) – квантовое. Несмотря на то, что распределение (1) не совсем совпадает с определенными экспериментально, температура Дебая одной из важнейших характеристик динамической теории кристаллических решеток. Температура Дебая − характеристическая температура ΘD твердого тела, kθ D = ω D . вводимая соотношением Максимальная частота колебаний кристаллической решётки ω D , определяемая из условия равенства числа колебаний, приходящихся на частотный интервал от 0 до ω D , полному числу колебательных степеней свободы решетки [2,3]. При низких температурах (T << θ D ) частота модальных колебаний ω определяется условием ω = kT /  . Эти колебания характеризуются линейной зависимостью частоты ω от волнового вектора q: ω = uq , где u − скорость звука. Исходным пунктам теории Дебая является распространение акустического закона дисперсии на все частоты вплоть до предельной ω D . Поскольку длина звуковой волны должна быть велика по сравнению с постоянной решетки a , то предельная частота ω D по порядку величины равна: ω D ~ u . Следовательно, для a температуры Дебая оценка порядка этой величины соответствует условию: θ D ≈ u ka [2]. Более строгая формула для температуры Дебая имеет вид: 1

u  6π 2 Nν  3  , θ D =  (3) k  V  где N− число элементарных ячеек, V − объем тела, ν − число частиц в элементарной ячейке [1-3]. Температура Дебая очень часто определяется по экспериментальным зависимостям удельной теплоемкости CV от температуры в точке, где CV = C (T ) имеет значение в 2 раза меньшее, чем для тех, что определяется по закону Дюлонга и Пти [2, 3]. Для сложных кристаллических структур, когда в кристаллохимической формуле имеется несколько различных атомов, а одинаковые атомы могут быть локализованы в различных конфигурациях, формула (3), а следовательно, и (2), строго говоря, нуждаются в уточнениях, так как в частотном спектре механических возбуждений появляются несколько ветвей [3, 4]. Даже для линей регулярной цепочки атомов двух сортов, то есть с разными массами, в спектре доноров появляются, так называемые, акустические и оптические ветви. Для таких структур ΘD определяется по экспериментальныи кривым CV = C (T )T <θ D . Обычно, учитывая, что ΘD не является строгой границей, то эта характеристика может быть рассчитана по формуле (3), так как квантовое и классическое описание тем эффективнее, чем больше ∆T = T − θ D . Дебаевская частота, как это следует из формулы (3) определяется условием

ω D = u (6π 2 n)

103

(4)

В кристаллическом образце большого объёма, когда можно пренебречь граничными дефектами можно считать, что продольные и поперечные(сдвиговые) волны являются гармоническими. В изотропном кристалле фазовая скорость для продольной гармонической волны cl = E (1 − ν ) ρ (1 + ν )(1 − 2ν ) =

(K + 3 4 G ) ρ .

(5)

Для сдвиговой волны

ct = E 2 ρ (1 + ν ) = G ρ ,

(6)

где E − модуль Юнга, G − модуль сдвига, ν − коэффициент Пуассона, K − модуль объёмного сжатия. Скорость распространения продольных волн всегда больше, чем скорость распространения сдвиговых волн, причем обычно выполняется соотношение cl = ct 2 [3]. В кристалле скорость распространения упругих волн зависит от направления распространения относительно кристаллографических осей. Вследствие этого направление потока звуковой энергии в кристалле в общем случае не совпадает с нормалью к волновому фронту, т.е. перемещение фазы волны и её энергии происходит вдоль различных направлений. В анизотропной среде усложняются картина отражения и преломления звука [4]. Для примера рассмотрим двухмерную решетку, одинаковые атомы в которой имеют симметрию отличную от круговой (рис. 2). Так как расстояние между центрами атомов вдоль осей x1 и x 2 различны, то и взаимодействие между ними вдоль этих осей также различны. Следовательно, будут различны и скорости распределения волн механических возбуждений. Это означает, что да же в такой простой структуре, где имеются атомы одного вида, скорость звука, то есть и температура Дебая, зависит от кристаллографических направлений [uvw]. Так как ретикулярные плотности поверхностей кристалла, соответствующие различным кристаллографическим плоскостям, различны, то описанные эффекты характерны и для поверхностных акустических волн, упругая анизотропия которых сказывается на их структуре: в зависимости от среза кристалла и от направления распространения поверхностной волны в плоскости этого среза изменяются характер движения частиц среды в волне вблизи границы кристалла и глубина проникновения волны внутрь кристалла. Особенностью распространения упругих волн в кристаллах является их взаимодействие с различными подсистемами (макроскопическими электрическими и магнитными полями, электронами, спинами и др.) кристаллов. Так, в Рис. 2. Направления обладающих пьезоэффектом, распространения волны в кристаллах, распространение акустической волны кристалле при разной атомной сопровождается образованием переменного линейной плотности

104

электрического поля, движущегося вместе с волной деформации; в магнитных кристаллах упругая волна сопровождается волной переменного магнитного поля, обусловленного магнитострикцией, и т. д. Анизотропия размерной границы между макро- и нанофазой. Температура Дебая (ΘD) определяет дебаевскую энергию ЕD и дебаевский импульс Р D: P2 (7) ED = D , 2m Поскольку механическое смещение ядра приводит к возбуждению электронов, переводя их на уровень, превышающий основной на энергию фонона, то в формуле следует брать т равной массе электрона. Применив для фононов соотношение неопределенностей при учете Р = PD получим значение размера частицы l = L0, при котором происходит изменение свойств вещества, то есть частица приобретает свойства, обусловленные размерными факторами. При этом подходе получим максимальный размер наночастицы [5, 6]: L0 =

h 3

−1

⋅θ D

2mk

(8)

или

L0 = 2,3 ⋅ 10 −7 [ м ⋅ K

] ⋅ (θ D )

−1

(9)

]

то есть

L0 = 230 ⋅ (θ D )

−1

[нм]

(10)

При неизвестном значении (ΘD), расчёт величины L0 можно выполнить по формуле: L0 =

 (36π 4 ) m

⋅n

−1

⋅u

−1

(11)

После подстановки констант получим:

L0 = 4,18 ⋅ 10 − 2 ⋅ n

−1

⋅u

−1

(12) 

Если N – число атомов в ячейке кристалла, а V – ее объем в A3 , то формула для расчета L 0 примет вид:

 3  VA  L0 = 4,18  N   

105

⋅

1 u

[нм].

(13)

Так как u – величина зависящая от [uvw], то и L0 = L0 [uvw] . Анизотропия размерной границы особенно ярко проявляется в кристаллах со спайностью. В качестве примера рассмотрим слюды, кристаллы которых обладают весьма совершенной спайностью. Эти вещества и их слои представляют собой совокупность металло-кислородных сеток, к обеим сторонам которых примыкают сетки кремне-алюмо-кислородных тетраэдров. Атомы в пределах слюдяного слоя связаны валентным взаимодействием, в связь между слоями обусловлена Ван-дерВаальсовыми силами. Именно поэтому слюды легко расщепляются на гибкие, тонкие, упругие «листочки». В работе [7] объектом исследований являлись материалы на основе низкоразмерных частиц слюд, которые используются для создания слюдинитовых бумаг, слюдопластов, микалексов и др., находящих применение, например, в различных электротехнических устройствах. Для слюд, имеющих различный состав можно принять a ≈ 5,3; b ≈ 9,2; c ≈ 10,1 0

(все в À ). Так как точечная группа слюд C2m, то число молекул на ячейку равно 2, а число атомов в формульной единице у диоктаэдрических слюд (муковит) равно 19, а у триэктаэдрического флогопита равна 20, следовательно, в соответствии с формулой критерием наноразмерных слюд является значение:

L0 = 713 ⋅ u

−1

[нм] .

(14)

Средняя скорость звука (u) слюд в зависимости от их состава и дефектности может принимать различные значения, но во всех случаях скорость звука в направлении, перпендикулярном плоскости спайности (плоскости раскола), всегда меньше скорости звука в направлениях вдоль слюдяного слоя. Среднее значении этих скоростей колеблется около значений 2000 м/с и 3500 м/с, то есть скорость звука вдоль слоя примерно в 1,7 раза больше скорости звука в направлении перпендикулярном слою. Следовательно, размерная граница между макро- и нанофазой отличается в зависимости от направления примерно на 25 %. В сочетании с наличием совершенной спайности полученные диспергированием слюдяных кристаллов чешуйки слюд являются одномерными нанообъектами, так как вдоль чешуйки их свойства соответствуют объёмной (макро) фазе, а в пенпердикулярном направлении – нанофазе. В этом направлении L0 ≈ 15нм , что соответствует наличию в чешуйке 15 блоков, что легко достигается достаточно простыми методами диспергирования полуфабрикатов, так как такие пластины включают до 15 элементарных слюдяных слоев. Эти особенности слюд и других природных слоистых силикатов делают их эффективными добавками модификаторами полимерных композиционных материалов[8]. Выводы. Температура Дебая, как один из параметров кристаллов и других твердых тел, находит широкое применение для описания ряда физических процессов в рамках динамической теории конденсированных состояний. Обычно эта температура рассматривается как скалярная величина, описываемая одним числовым значением. Но температура Дебая зависит от скорости фононов – квазичастиц распределяющихся в веществе, связанных со скоростью звука, а эта величина является в общем случае анизотропной. Следовательно, температура Дебая может менять свои значения в зависимости от направления в кристалле, вдоль которого распределяется волна механического возбуждения. С температурой Дебая связана размерная граница между 106

макро- и нанофазами, то есть эта величина так же зависит от направления, вдоль которого производится измерение размера образца. Список литературы: 1. Киттель, Ч. Введение в физику твёрдого тела./ Ч. Киттель // – М.: Изд. «Наука» 1978. – 792 с. 2. Ашкрофт, Н. Физика твёрдого тела./ Н. Ашкрофт Н. Мермин // – М.: Изд. «Мир» 1979. – 423 с. 3. Анималу, А. Квантовая теория кристаллических твердых тел./ А. Анималу // – М.: Изд. «Мир» 1981. – 574 с. 4. Балинский, А.Т. Фононы в наночастицах./ А.Т, Балинский // Физика конденсированного состояния: тезисы докладов XV Республиканской научной конференции студентов, магистрантов и аспирантов / Редколлегия: Е.А. Ровба (отв. ред.) [и др.] – Гродно: ГрГУ .– 2007. – С. 18–19. 5. Лиопо, В.А. Габитус нанокристаллов /В.А. Лиопо // Низкоразмерные системы-2. –2005.– В. 4. – С. 175-186. 6. Балинский, А.Т. Влияние размера кристаллов на их физические свойства. / А.Т., Балинский // Физика конденсированного состояния: тезисы докладов XVI Республиканской научной конференции студентов, магистрантов и аспирантов / Редколлегия: Е.А. Ровба (отв. ред.) [и др.] – Гродно: ГрГУ 2008. – С. 19. 7. Ежова, Я.В. Диэлектрические свойства материалов, содержащих низкоразмерные частицы слюд./ Я.В. Ежова [и др.] // Вестник ГрГУ.– серия 2. – 2006. №1. – С. 79–84. 8. Способ формирования композиционного покрытия из силикатполимерного материала / Патент РФ №2332525. Дата регистрации 27,08,2008, (В.А. Струк, В.И. Кревченко, Т.А. Костюкович, С.В. Авдейчик, Е.В. Овчинников, В.А. Лиопо, В.В. Клецко, М.А. Белоцерковский). ОПИСАНИЕ СТРУКТУРЫ ДИСПЕРСНЫХ ЧАСТИЦ С ПРИМЕНЕНИЕМ КОРРЕЛЯЦИОННЫХ ФУНКЦИЙ Лиопо В.А., Рыскулов А.А., Михайлова Л.В., Авдейчик С.В. (УМЦ «Промагромаш» ОАО «Белкард», г. Гродно, Беларусь) It was proposed the method of interatomic correlation function calculation. It was be done with experimental polycrystalline diffraction pattern. The experimental parameters are the intensities of diffraction peans and their positions in the reciprocal lattice. The method was tested on copper polycrystall. Введение. Существующие методы структурного анализа кристаллов (Фурье, Патерсона, «Проб и ошибок» и их сочетания) основаны на монокристальных экспериментальных исследованиях. В ряде случаев идеальная структурная модель известна, а требуется лишь устанавить изменения взаимоконфигураций атомов в поликристаллических веществах под действием тех или иных внешних факторов [1]. В качестве основной исходной формулы нами была взята формула Дебая для расчета структурного фактора при исследовании поликристаллических объектов, которая имеет вид: F 2 (S ) = ∑ ∑ f n f n′ N N 1 1

sin 2πSrnn′ , 2πSrnn′

(1)

где F 2 (S ) – структурный фактор, f n – атомная амплитуда, рассеяния n-го атома, S – модуль вектора обратного пространства, rnn′ – межатомный вектор, N – число атомов в ячейке кристалла [2]. Функция Паттерсона в общем случае имеет вид

107

P(uvw) = ∑ F (hkl ) cos 2π(hu + kv + lw) , 2

где

F (uvw)

hkl

(hkl )

– структурные факторы,

(2)

– кристаллографические индексы

плоскостей, (u , v, w) – проекции межатомного вектора в кристаллографическом базисе. Функция P(uvw) является самосверткой функции электронной плотности и ее максимумы соответствуют межатомным векторам в пространстве кристалла без указания координат атомов. Обратное пространство кристаллов дискретное, то есть радиус-вектор узлов обратной решетки и межатомные векторы rmn определены условиями: S =r * =ha* + kb* + lc* , rmn = aumn + bvmn + cwmn

(3)

где abc, a *b *c * – соответственно векторы кристаллографических базисов в прямом и обратном пространствах, rmn – межатомный вектор, связывающий m и n атомы. Обратная решетка поликристалла представляет совокупность концентрических сфер с центром в начале координат обратного пространства. Следовательно, для получения усредненных по сфере в прямом пространстве векторов P(uvw) (см. (2)) необходимо выполнить ускорение функции P(uvw) по обратному пространству. Условие (2) с учетом (3) при «размазывании» узлов обратной решетки равномерно по сфере приметь вид  2 P(rmn ) = ∑ F (S ) cos 2πSrmn

(4)

Среднее значение косинуса функции при фиксированном rmn рассчитывается по формуле π

2π

cos[2πSrmn ] = ∫ ∫ cos(2πSrmn ⋅ cos α )sin α dα ⋅ dϕ = α =0 ϕ=0

sin 2πSrmn . 2πSrmn

(5)

где α, ϕ – угловые сферические координаты. Следовательно, усредненное значение функции Паттерсона, имеющей смысл корреляционной функции [4], имеет вид: ∞

P(r mn ) = ∫ F ⋅ 2

sin 2πSrmn dS . 2πSrmn

(6)

Вектор S определяется из условия Вульфа-Брэгга и для кристалла он соответствует определенной кристаллографической форме S {hkl} =

2 sin ϕ 1 , = α d {hkl}

(7)

d – межплоскостное расстояние. Формула (6) идентична формуле Дебая (1), так как пространство обратное обратному есть прямое пространство кристалла. Эта формула в общем случае может

108

быть использована для изучения структурных особенностей объектов с произвольной структурой. При этом суммирование необходимо заменить интегрированием, так как обратное пространство становится континуальным. Для некристаллических веществ при расчете функции радиального распределения атомной плотности используется формула Цернике-Принса [4]; I (S ) − f 2 (S ) sin 2πSrdS f 2 (S ) S1

P(r ) = 4πr 2 ρ 0 + 8πr ∫

(8)

здесь ρ 0 – средняя плотность вещества, I(S) – нормированная экспериментальная интенсивность рассеяния рентгеновского излучения, f 2 ( S ) – усредненный атомный фактор, S – модуль вектора обратного пространства, r – модуль усредненного межатомного вектора. Формула Цернике-Принса с точностью до монотонно меняющегося знаменателя совпадает с формулой (6), полученной в объединенном методе Дебая-Патерсона. Положения максимумов на кривых функций P(r ) (6) и (8) одинаковые, а коэффициенты перед функцией синуса имеют с точночтью до множителей одинаковый смысл. В формуле (6) – это структур-фактор, в (8) – функция интерференции. Функция Паттерсона и тем более корреляционная функция не описывает непосредственно структуру кристалла. Необходимо выполнить переход от векторного пространства к прямому. Эта непростая задача является трансформацией фазовой проблемы метода Фурье. Методы перехода от P(uvw) к ρ(xyz) изучены весьма подробно [3,5,6], но общего решения этой проблемы пока нет. По-видимому, облегчить задачу такого перехода помогут теоретико-групповые методы, широко используемые в современной кристаллографии [7]. Для проверки рассматриваемого метода Дебая-Патерсона в качестве эталонного объекта был взят поликристалл меди. Исследования выполнялись по схеме: − по идеальной структурной модели кристалла меди определялись значения радиусов координационных сфер и рассчитывались структурные амплитуды Fâ ; − по значениям (F ) с учетом фактора повторяемости (η ) определялись значения F {hkl} = Fв2 ; 2

− по вычисленным значениям Fв2 проводился расчет P(r ) ; − положения корреляционных сфер сравнивались с межатомными расстояниями кристалла меди, определяемые по ее кристаллической структуре. 0

Медь характеризуется точечной группой Fm3m с периодом решетки a = 3,62 A . Структура меди приведена на рис. 1, на котором показан принцип расчета радиусов корреляционных сфер. Атомы меди в вершинах ячейках и в центре граней отмечены по-разному, чтобы структура была более «прозрачной».

– атомы меди в вершинах ячейки,

– в центрах граней.

Рис. 1. Изображение радиусов концентрических сфер в кристалле меди 109

На каждой координационной сфере радиуса r находится не один, а несколько атомов, координаты которых определяются по формуле

(xyz )n = g.(xyz )1

(9)

где ( xyz )n – матрица-строка координат атомов в общей правильной системе, ( xyz )1 – координаты исходного атома, g – точечная группа Fm3m , матричное представление которой имеет вид [7]: 0 0 1  0    1 0 0 ,  − 1 0 1 0  0   0 −1 0  1    0 0 − 1,  0 1 0 0   0  0 1 0   0    1 0 0 ,  − 1    0 0 − 1  0 1 0 0  −1    0 0 1 ,  0   0 −1 0  0  0 −1 0  0   0 − 1,  0  0 −1 0 0   1  0  0 1 0    0 0 − 1,  1   0 −1 0  0 0 1 0  0    0 − 1 0 ,  0  −1 0 0 1  

0  0 1 0   0 −1 0    0 1 , 1 ,  0 0 − 1,  0     0   − 1 0 0   − 1 0 0  0 0  0 1 0 0 −1 0    0 1 ,  − 1 0 0 ,  1 0 0 ,     1 0   0 0 1   0 0 1  − 1 0   0 0 1   0 0 1   0 0 − 1  0 0 − 1  1 0 0        0 ,  0 1 0 ,  0 − 1 0 ,  0 1 0 ,  0 − 1 0 ,  0 0 − 1, 0 0   0 1 0  0 − 1  − 1 0 0   1 0 0   1 0 0   − 1 0 0 − 1  0 0 1   0 0 − 1  0 0 1  0 0 0 0  −1 0       0 ,  − 1 0 0 , 0 ,  1 0 0 ,  1 0 0 − 1,  0 − 1 0 ,  − 1 0 − 1 0   0 0 − 1  0 − 1 0   0 − 1 0   0 − 1 0   0 1 0  −1 0 0 1 0   0 1 0  −1 0 0  1 0 0  −1 0 0       0 1 ,  0 0 − 1,  0 0 1 ,  0 1 0 ,  0 − 1 0 ,  0 1 0 , 0 0   1 0 0   − 1 0 0   0 0 − 1  0 0 1   0 0 1  − 1 0   0 1 0   0 − 1 0   0 1 0   0 0 − 1  0 0 − 1       0 ,  − 1 0 0 ,  − 1 0 0 ,  1 0 0 ,  0 − 1 0 ,  0 1 0 , 0 0   − 1 0 0  0 1   0 0 1   1 0 0 − 1  0 0 − 1  0 0 1  −1 0 0  −1 0 0  1 0 0 1 0 0      0 1 ,  0 0 − 1,  0 0 1 ,  0 1 0  1 0 ,  0 0 0   0 − 1 0   0 1 0   0 1 0   0 0 1 

0 0 − 1  0  0 0 ,  − 1 0 1 0   0 − 1 0 0  −1 0  − 1 0 ,  0 1 0 1   0 0

1   0 0 − 1  0 1   0 ,  0 0 0 ,  1 0   0   0 − 1 0   1 0 0  −1 0  1 0   0 ,  0 − 1 0 ,  0   − 1  0 0 − 1  0

Количество плоскостей (hkl ) с одинаковыми r определяет фактор повторяемости η, который можно внести при расчете либо F , либо F 2 . Нами было взято четыре варианта расчета P(r ) : 17 2 sin 2πsr (10) P(r ) = ∑ (F ′(s )η ) 2πsr i =1 17

P(r ) = ∑ (F ′(s )η ) cos 2πsr

(11)

sin 2πsr 2πsr

(12)

i =1 17

P(r ) = ∑ (F ′(s )) η i =1 17

P(r ) = ∑ (F ′(s )) η cos 2πsr , 2

(13)

i =1

где (11, 13) – формула Дебая, (12, 14) – формула Паттерсона. проводился от r = 1 A до 0

r = 10 A через ∆r = 0,1 A . Результаты расчетов приведены на графиках рис. 2. Вертикальные линии соответствуют теоретическом значениям r , полученным из структурной модели меди (рис. 1).

110

Вертикальные линии – межатомные расстояния, определенные из идеальной структуры меди. Рис. 2. Корреляционные функции меди, рассчитанные по формулам (10-13) (сверху вниз) Из приведенных графиков видно, что все кривые, полученные по формулам (1013) имеют неплохую корреляцию с теоретическими значениями радиусов координационных сфер. Для всех случаев максимумы P(r ) размытые, а не δ -образные, так как во всех случаях при расчете корреляционных функций проявляется влияние обрыва рядов. Из указанных графиков видно, что наибольшее соответствие расчета и теории наблюдается для формулы (12), что, вообще говоря, следовало ожидать, так как интерференция рентгеновских лучей, рассеянных на атомах отдельной плоскости, действительно имеет место, а при рассеянии на различных плоскостях надо складывать интенсивности. Совпадение указанной функции P(r ) (формула (12)) с теорией проявляется еще нагляднее, если выполнить «обострение» максимумов на кривой P(r ) . Эта процедура состоит в том, что выбирается нижний предельный уровень P(r )min и все значения P(r ) ≤ P(r )min принимается равными P(r )min (рис. 3).

111

Рис. 3. Корреляционные функции меди (уравнение (13)) с обострением максимумов. Величины P(r ) относительные Следовательно, для получения корреляционной функции поликристаллического объекта необходимо иметь его дифракционную картину, по которой измеряются относительные интенсивности рентгеновских рефлексов и их положение в обратном пространстве, то есть I (S ) . Следующим этапом является определение относительной величины структурного фактора F (S ) ýêñï . = I (S ) / PLg , где PLg – пэ-эль-же фактор 2

имеет табличные значения для конкретного экспериментального метода.

F (S )

F (S ) η , так как фактор

подставляется в формулу (12) вместо коэффициента

повторяемости входит в экспериментальное значение F (S ) ýêñï . . Рассмотренная методика была применена нами для изучения структурных различий поликристаллов меди с примесями с различной концентрацией других металлов (C m ) . Обнаружена корреляция между положениями максимумов функции P(r ) , определенных по рентгенодифрактометрическим экспериментам, и Cm . Коэффициент корреляции R превышал 0,70 ( ∆R = ±0,05 ) Выводы. Исследования структурных особенностей поликристаллических объектов по их экспериментальным рентгенограммам можно провести на основании анализа корреляционных функций, построенных по значениям F 2 {hkl} в рамках метода Дебая-Патерсона. При известной идеальной модели максимумы функции P(r ) легко идентифицируются. Наибольшая эффективность метода проявляется в том случае, когда исследуется ряд кристаллов одной идеальной структуры с измененными параметрами одного типа (состав, условия внешнего воздействия, условия получения и т.п.) 2

Список литературы: 1. Васильев В.С. Изменение кристаллической структуры металлов под воздействием лазерного излучения. / В.С. Васильев, А.Ю. Иванов, В.А. Лиопо // Инженерно-физический журнал. 2007.–Т.80. – №5. – С.12-18. 2. Гинье, А. Рентгенография кристаллов. / А. Гинье.- М.: Гос.изд-во физ.-мат. лит-ры, 1961.- 604 с. 3. Бургер, М. Структура кристаллов и векторное пространство. / М. Бургер. - М.: ИИЛ, 1961.-384 с. 4. Лиопо, В.А. Рентгеновская дифрактометрия: Учеб. пособие / В.А.Лиопо, В.В. Война.- Гродно:ГрГУ, 2003. – 171с. 5. Белов Н.В. Расшифровка структур

112

соединений с неизвестной формулой. / Н.В. Белов [и др.] - М.: Наука, 1982. - 144 с. 6. Илюхин В.В. Новые подходы к функции Паттерсона. / В.В. Илюхин, Э.А. Кузьмин, Н.В. Белов - М.: Изд. «Наука», 1981. - 264с. 7. Лиопо, В.А. Матричная кристаллография. / В.А. Лиопо. Гродно: ГрГУ. 1998. – 78 с. ОЦЕНКА ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ КОМПОНЕНТОВ МЕТАЛЛОПОЛИМЕРНЫХ СТАТИЧЕСКИХ (АДГЕЗИОННЫХ) И ДИНАМИЧЕСКИХ (ТРИТЕХНИЧЕСКИХ) СИСТЕМ Лиопо В.А., Рыскулов А.А., Михайлова Л.В., Овчинников Е.В., Ахмадиева Л.В. (УМЦ «Промагромаш» ОАО «Белкард», г. Гродно, Беларусь) The analytical description of the mechanism of formation of a charging mosaic on a surface of firm metal substrates is carried out. Possibility of formation of microsites with various energy performances which influence structure of thin films of the fluorinated builders precipitated from the active gas phase, solutions and as a result frictional conduction is shown. Введение. В концепции малоизнашивающейся трибосистемы, разработанной в [1], ведущая роль принадлежит ингибиторам изнашивания – компонентам, введенным в состав трибосистемы извне или образовавшимся в результате трибохимических реакций, способствующим подавлению неблагоприятного цикла превращений, интенсифицирующего изнашивание. При любых видах контактных взаимодействий в трибосистеме различного состава и конструктивного исполнения формируются слои, выполняющие функции противоизносных компонентов. Одной из важнейших задач триботехники является обеспечение условий образования таких слоев с параметрами, необходимыми и достаточными для устойчивой эксплуатации узла трения в течение заданного ресурса. Решение этой задачи базируется на системном анализе особенностей трибохимических превращений компонентов трибосистемы в определенных условиях функционирования, выявлении превалирующих циклов контактных реакций, определяющих износ, и подборе эффективных методов управления ими путем конструктивных, технологических, материаловедческих решений [1 – 6]. Выбор конкретного типа ингибитора изнашивания, определяющего совместимость компонентов пары трения, а значит и наиболее оптимальные режимы ее эксплуатации [7], предполагает анализ различных вариантов реализации условий функционирования при заданных эксплуатационных режимах [1 – 6, 8 – 10]. К числу эффективных ингибиторов изнашивания систем «металл-металл» и «металл-полимер» относят тонкие пленки фторсодержащих компонентов различной молекулярной массы, строения и технологии получения. Установлено, что независимо от особенностей структуры и массы, пленки фторсодержащих олигомеров, наносимые из растворов [8], формируемые из активной газовой фазы [9], и ротапринтные пленки из продуктов ТГД-синтеза политетрафторэтилена [10], эффективно снижают износ трибосистем, эксплуатируемых без подвода внешней смазки или при смазывании маслами и пластичными композициями на основе нефтяных и синтетических продуктов. При различии технологий формирования ингибиторов изнашивания подобного типа вероятно существуют общие предпосылки реализации их благоприятного влияния на триботехнические процессы, обусловленные структурными особенностями тонких

113

пленок на твердых подложках различного состава. Очевидно, что существенную роль в структурных и фазовых превращениях тонкопленочных фторсодержащих ингибиторов изнашивания играют энергетические характеристики поверхности металлического контртела, которое представляет собой сложную гетерогенную систему. Методика исследований. В качестве основного объекта исследований использовали тонкие пленки фторсодержащих олигомеров «Фолеокс» (разработка Института химии синтетического каучука РАН, г. Санкт-Петербург), формируемые из растворов [8], и ротапринтные пленки из продуктов термогазодинамического синтеза (ТГД-синтеза) политетрафторэтилена (разработка Института химии ДВО РАН, г. Владивосток) [10]. В качестве подложки для пленок использовали промышленные фольги из различных металлов и неметаллов: меди М1, алюминия Al 0, силикатного стекла, полимеров (полиамида 6, полиэтилена низкого давления, полиэтилентерефталата) в состоянии поставки. В качестве объектов сравнения использовали пленки, формируемые из активной газовой фазы по технологии, изложенной в [9]. Анализ строения и структуры фторсодержащих пленок осуществляли с использованием метода ИК-спектроскопии (МНПВО) и атомной силовой микроскопии (АСМ) по общепринятым методикам. Результаты и обсуждение. Тонкопленочные ингибиторы изнашивания формируются на поверхностях трения компонентов трибосистемы, различающихся составом, структурой, топографией. При этом, если полимерный компонент трибосистемы apriori считают гетерогенным (даже при изготовлении его из промышленно выпускаемого полимерного материала одной марки) вследствие полидисперсного строения, наличия примесей, остатков катализатора и др. технологически обусловленных ингредиентов, то сопряженное металлическое тело предполагают макрооднородным с определенными параметрами кристаллического строения, фазового состава, активности и механизма действия в трибохимических, электрофизических и теплофизических процессах в зоне контакта. В ряде работ однозначно указывают, например, на каталитическое или ингибирующее действие металлических подложек на процессы контактного окисления поверхностных слоев полимерного покрытия, считая, что оно определяет адгезионное взаимодействие статических и динамических металлополимерных систем [11, 12]. Экспериментальные данные, между тем, свидетельствуют о неоднозначном влиянии металлического контртела на кинетику переноса, структуру пленок, осажденных на поверхности подложек из активной газовой фазы в вакуумной камере, растворов и расплавов полимеров и олигомеров, образование адгезионных соединений со стабильными параметрами в течение длительного времени эксплуатации. Известны литературные данные о неоднородном строении поверхностных слоев, образованных при разрушении адгезионной металлополимерной склейки, характеризующихся наличием участков с различным типом соединения – адгезионно закрепленных фрагментов полимерного компонента и участков без следов адгезионного разрушения [11]. Сопоставление характерных структур тонких пленок, образованных на металлических подложках по различным механизмам (напылением, осаждением из активной газовой среды, ротапринтным методом, окунанием в раствор, разрушением адгезионного слоя и т.п.), свидетельствует о выраженной неоднородности их поверхностного слоя. Кроме того, классические представления материаловедения основаны на экспериментально доказанных особенностях кристаллизации расплавов металлов, обусловливающих образование зеренной структуры с наличием выраженных

114

границ раздела. Различные виды термической, химико-термической, термомеханической и др. обработок способствуют формированию гетерогенных структур с заданными параметрами деформационно-прочностных, триботехнических, коррозионных, теплофизических и др. служебных характеристик металлических изделий [13]. Очевидным следствием гетерогенного строения металлических компонентов является неравновесность процессов переноса зарядов между отдельными участками поверхностного слоя и на границе раздела компонентов статических и динамических металлополимерных систем, которые оказывают существенное влияние на контактные процессы, прежде всего, на механизм и кинетику коррозионномеханического изнашивания [14]. В связи с этим, существенный интерес представляет анализ особенностей строения металлических компонентов с точки зрения зарядового состояния поверхностного слоя. В модели свободного независимого электрона (адиабатическое приближение) гамильтониан в уравнении Шредингера имеет вид:  2 ˆ ∆ + u (r ) , H =− 2m  где  – постоянная Планка, m – масса электрона, u (r ) – функция потенциала.

(1)

Если гамильтониан (1) применяют для описания состояния электрона в кристалле, то есть в поле действия периодического потенциала, то  где R – вектор трансляции, равный

(

)

   u (r ) = u r + R ,

(2)

    R = ma + nb + pc ,

(3)

   где a , b , c – репер Бравэ, m, n, p – целые числа.

Решением уравнения Шредингера для адиабатического приближения при наличии периодического потенциала является волновая функция ψ nk , определяемая теоремой Блоха:

   ψ nk (r ) = ϕ nk (r ) ⋅ exp ik r ,

(4)

   где волновой вектор k = 2πs , s – вектор обратной решетки.  Функция ϕ nk (r ) обладает свойством периодичности:

(

)

   ϕ nk r + R = ϕ nk (r ) .

(5)

Из формул (1 – 5) следует

( ) 



ψ nk r + R = ϕ nk r + R ⋅ exp ik r + R = ϕ nk (r ) exp ikr ⋅ exp ikR = ψ kk (r ) ⋅ exp ikR . (6) Полученное уравнение

115

(

)

    ψ nk r + R = e ikR ⋅ψ nk (r )

(7)

является другой формой записи теоремы Блоха [15]. Из условия (7) видно, что волновая функция электрона в поле периодического  потенциала (u (r )) соответствует решению уравнения Шредингера для свободного  электрона (ψ (r )) f  (8) [ψ k (r )] f = ψ 0 exp ik r ,

( )

но вместо постоянного амплитудного множителя ψ 0 в уравнении (7) стоит волновая

функция с периодом R . Волновое число (k ) – называют номером зоны. При фиксированном значении k имеется много независимых собственных состояний с определенными значениями энергии, которые распределены по зонам, разделенными значениями энергии, которые не являются собственными значениями оператора Гамильтона, то есть, запрещены для электронных состояний. При попытке описать состояние электрона вблизи поверхности кристалла следует учитывать, что в этих областях вещества нарушается периодичность потенциала, а на поверхности кристалла создается, так называемый, поверхностный барьер, форма которого зависит от многих факторов, начиная от дефектов различной природы (например, поверхность твердого тела является характерным двухмерным дефектом), обусловленных технологической предысторией его формирования, а также от морфологии поверхностных слоев. Функция поверхностного потенциала (u s ) изменяет свою форму, при переходе от одной точки поверхности к другой, то есть → (9) u s = u Q  ,    где Q – радиус-вектор точек поверхности. В работе [15] показано, что при нарушении периодичности потенциала вблизи поверхности, волновая функция приобретает вид, отличный от тех, которые определены условиями (4) и (8). Пример поверхности волновой функции приведен на рис. 1. Заметим, что функция ψ спадает по экспоненте снаружи образца металла и имеет экспоненциально убывающую огибающую внутри него. В этом случае, наряду с действительными  волновыми векторами k (см. 4, 8) внутри кристалла, существуют другие решения с комплексными волновыми векторами, которые соответствуют состояниям Рис. 1. Пример волновой функции электронов, локализованных вблизи одноэлектронного поверхностного уровня, поверхности кристалла, изображенной в направлении х, отличающиеся от объемных. Эти перпендикулярном поверхности [15] поверхностные состояния с

116

определенными уровнями энергии впервые были рассмотрены И.Е. Таммом и носят его имя – таммовские уровни. При рассмотрении объемных свойств кристаллов влиянием этих поверхностных уровней пренебрегают, так как отношение числа поверхностных уровней к числу блоховских уровней не превышает отношения числа поверхностных атомов к совокупному числу атомов в кристалле, которые для макроскопического образца не превышают значение 10-8. В результате поверхностные уровни дают пренебрежительно малый вклад в характеристики объемных свойств, исключение составляют лишь нанообъекты, поверхностные и размерные факторы в которых играют большую, а часто и решающую роль. Однако, в монокристаллах таммовские уровни существенны при описании структуры поверхностного слоя. Например, их необходимо учитывать при всяком действительно микроскопическом расчете структуры поверхностного слоя [15]. Для определенных форм поверхностного потенциала необходимо искать конкретное решение уравнения Шредингера. При этом необходимо анализировать не только действительные, но и комплексные волновые факторы (см. 4, 8), а затем рассматривать вопрос, как будут соотноситься волновые функции поверхностного слоя с внутренними блоховскими функциями и экспоненциально убывающей по амплитуде волновой функцией во внешней для кристалла области. Существенными особенностями анализа являются то, что, во-первых, определить форму потенциального барьера экспериментально очень трудно (если вообще это возможно), так как сам процесс его измерения внесет сильные искажения в форму барьера, а вовторых – функционал поверхностного потенциала зависит от многих факторов и различен для различных точек поверхности. В то же время само наличие поверхностного потенциала как следствие появления такого дефекта, каковым является поверхность образца твердого тела, при любой его форме приводит к появлению поверхностных (таммовских) уровней, которых нет в объемной зонной структуре. Рассмотрим наиболее простой одномерный вариант структуры. Пусть состояние электронов характеризуется дискретным спектром собственных значений оператора Гамильтона, а ось x перпендикулярна поверхности кристалла. Волновые функции в объеме ψ (0 ) ( x ) и на поверхности ψ ( x ) являются решениями соответствующих уравнений Шредингера: Hˆ (0 )ψ n(0 ) ( x ) = E n(0 )ψ n(0 ) ( x ), Hˆ ψ ( x ) = E ψ ( x ). k

(10)

Предположим, что уравнения (10) имеют одинаковую по числу решений систему функций, т.е. n, k = 1,2,3,..., N . Тогда к ним применимо понятие скалярного произведения:

(Hˆ ψ ,ψ ( ) ) = E (ψ ,ψ ( ) ) , (ψ , Hˆ ( )ψ ( ) ) = E ( ) (ψ ,ψ ( ) ) . 0 n

0 n

(11)

0 n

Отсюда

(Hˆ ψ

) (

)(

)

,ψ n(0 ) − ψ k , Hˆ (0 )ψ n(0 ) = E k − E (0 ) ψ k ,ψ n(0 ) .

117

(12)

Так как 2 ∆ +U, Hˆ = − 2m (13) 2  0 ) ( ∆ +V Hˆ = − 2m содержат независимые друг от друга функции поверхностного U и объемного V потенциалов, то левая часть уравнения (12) отлична от нуля. Следовательно, (14) (ψ k ,ψ n(0 ) ) ≠ 0.

Это означает, что функции ψ k и ψ n(0 ) образуют независимые системы, причем число собственных значений для этих двух состояний в общем случае не связаны друг с другом. Уравнения (10) с учетом выражений (13) запишем в виде:

где q k2 =

(

∂ 2ψ k ( x ) + q k2ψ k ( x ) = 0, 2 ∂x 2 (0 ) ∂ ψ n (x ) + p n2ψ n(0 ) ( x ) = 0, 2 ∂x

(15)

)

2m (U − E k ), p n2 = 2m2 V − E k(0 ) . 2  

Решения уравнений (15) ищем в виде

ψ k (x ) = A exp(iqk x ),

ψ n(0 ) (x ) = B exp(ipn x ).

(16)

Отсюда

ψk = ln C + ix(q k − q n ), ψ n(0 )

(17)

A . B Так как q k ≠ q p , и эти величины независимы, то

где C =

ψk ≠ const , ψ n(0 )

(18)

то есть, функции ψ n(0 ) ( x ) или их линейные комбинации не могут быть собственными

функциями оператора Ĥ (0 ) , а ψ k ( x ) – собственными функциями оператора Ĥ . Если уравнения (10) имеют различное количество решений, т.е. k ≠ n , то в том случае, в котором число решений больше, можно брать линейные комбинации волновых функций, то есть с одной стороны, учитываются все решения, а с другой – будет осуществлен переход к одинаковому числу решений. Дальнейший анализ проводится по рассмотренной выше схеме (см. формулы 11 – 18). В кристаллах со спайностью, к которым c некоторым приближением относятся и металлические образцы, структурные дефекты по обе стороны от плоскости расслоения (разрушения) при образовании ювенильной поверхности различны [9]. Это объясняет наличие электронной мозаики на поверхностях диэлектриков[16], но не позволяет, на

118

первый взгляд, объяснить появление электрически заряженных областей на поверхности металлов, а именно эти заряды создают, по терминологии Т.И. Дистлера, подробно изучавшего это явление, своеобразный «электрический рельеф» поверхности поликристаллических металлов [17]. Рассмотрим две (любые) частицы, например, (два кристаллита в поликристаллическом образце металла) с общей границей (рис. 2). Каждое из зерен представляет собой монокристальный объект. При выходе на межзеренную границу по обе стороны от нее находятся различные кристаллографические плоскости, то есть вдоль нормали к границе периодичность расположения атомов различна, как различны и структуры блоховских зон. Поверхностные потенциалы также различны. Следовательно, можно считать, что энергетическое состояние электрона в частицах 1 и 2 вблизи межзеренной границы также различно. Необходимо отметить, что уже только по данной причине следует говорить о том, что поверхностный, точнее, межзеренный потенциальный барьер в металлических образцах будет существовать. При этом потенциалы по обе стороны от этого барьера, относящиеся к контактирующим частицам, будут различны. Следовательно, рассмотренная модель соответствует физической ситуации, наблюдаемой рядом авторов экспериментально [13, 17 –18]. Это различие учитывается, если мы будем считать, что и распределение дефектов в этих частицах также неодинаково, а межзереная граница является потенциальным барьером. Заметим, что кристаллохимическое строение этой границы может сильно отличаться от строения самой частицы. Например, она может представлять собой оксиды, быть обогащена атомами других элементов, иметь иной фазовый состав и др. [13]. Во всех случаях проводимость Рис. 2. Иллюстрация к межзеренной границы имеет другое, по использованию барьерной сравнению с проводимостью зерен, значение. модели. 1, 2 – различные Отсюда следует, что для анализа типичной контактирующие частицы, МГ – структуры металлического образца можно межзеренная граница применить барьерную модель. На рис. 3 области I и III относятся соответственно к частицам 1 и 2, значения потенциала для которых различны. Пусть EI < EIII . Очевидно, что знак неравенства роли не играет. Область II – потенциальный барьер, соответствующий межзеренной границе. Ось x перпендикулярна границе раздела и как видно из рис. 3, W ( x ) имеет вид

0, x ≤ 0, (I ) ;  W (x ) = U ,0 ≤ x < 1, (II ) ; (19) V ,1 ≤ x, (III ) .  Рассмотрим движение частицы слева направо из области I в область III. Волновые уравнения для трех рассматриваемых областей имеют вид:

119

ψ nj + k jψ j = 0 j =1, 2,3 ,

(20)

где 2mE , 2 2 m( E − U ) k 22 = , 2 2 m( E − V ) k 32 = . 2 Решение ищем в виде k12 =

Рис. 3. К механизму образования потенциального барьера на границе зерен металлического образца

ψ j = A j exp(ik j x ) + B j exp(− ik j x ), где j = 1,2,3, (21) причем, не нарушая общности, можно считать A1 = 1, B3 = 0 , так как в области III нет волны, движущейся справа налево. Из условия непрерывности волновой функции и ее производной dψ следует: ψ′= dx ψ 1 (0 ) = ψ 2 (0 ), ψ ′ (0 ) = ψ ′ (0 ),  1 2  ψ 2 (a ) = ψ 3 (a ), ψ 2′ (a ) = ψ 3′ (a ).

(22)

Условия (22) с учетом (20) и (21) приводят к системе уравнений

1 + B1 = A2 + B2 , k (1 − B ) = k ( A − B ),  1 1 2 2 2   A2 exp(ik 2 a ) + B2 exp(− ik 2 a ) = A3 exp(ik 3 a ), k 2 A2 exp(ik 2 a ) − k 2 B2 exp(− ik 2 a ) = k 3 A3 exp(ik 3 a ). Коэффициент прозрачности (коэффициент рассматриваемого случая равен:

пропускания)

барьера

D = A3 . 2

→

(23)

для

(24)

Параметр A3 , как один из корней системы (23), определяется из формулы:

A3 =

4k1 k 2 exp(− ik 3 a ) . (k1 + k 2 )(k 2 + k 3 ) exp(− ik 2 a ) + (k1 − k 2 )(k 2 − k 3 )exp(ik 2 a )

120

(25)

При движении частицы из области III через барьер в область I при той же функции W ( x ) (см. 19) также справедливы уравнения (23 – 25). Причем в этом случае A1 = 0, B3 = 1 . В этом случае получим систему уравнений

 B1 = A2 + B2 , k B = k (B − A ),  1 1 2 2 2   A2 exp(ik 2 a ) + B2 exp(− ik 2 a ) = A3 exp(ik 3 a ) + exp(− ik 3 a ), k 2 A2 exp(ik 2 a ) − k 2 B2 (− ik 2 a ) = k 3 A3 exp(ik 3 a ) − k 3 exp(− ik 3 a ),

(26)

из которой следует, что

B1 =

4k 2 k 3 . (k1 + k 2 )(k 2 + k 3 ) exp(− ik 2 a ) + (k1 − k 2 )(k 2 − k 3 ) exp(ik 2 a )

(27)

Коэффициент прозрачности барьера при движении частицы из области III влево равен: D = B1 , 2

←

(28)

следовательно, отношение коэффициентов прозрачности

D →

D ←

k12 E = 3 k2 E − V .

(29)

Таким образом, различные степени дефектности по обе стороны от поверхности раздела (ювенильной, границы зерен и т.п.) и приводят к появлению на ней электрически заряженных участков с размерами, много больше атомных. Следовательно, две контактирующие друг с другом частицы вследствие наличия между ними потенциального барьера приобретают различные по знаку электрические заряды. Поверхность образца поликристаллического металла в целом остается электронейтральной, но ее адгезионные, триботехнические, адсорбционные и др. свойства зависят не только от кристаллохимических свойств поверхностных слоев, но и наличия поверхностной зарядовой мозаики. В пределах отдельного зерна металлического поликристалла электрические заряды расходятся друг от друга на максимальные расстояния, то есть распределяются на периферии этих зерен. Наличие зарядовой мозаики («электрического рельефа» [17]) подтверждено экспериментальными работами Г.И. Дистлера, М.С. Мецика и др. [18] (рис. 4).

121

а) б) Рис. 4. Электрический рельеф поверхности образцов из углеродистой стали полученных: а) осаждением антрахинона; б) адсорбцией паров воды. Увеличение х100 [17] Характерный вид структуры, сформированной осаждением компонентов активной газовой фазы, полученной деструкцией политетрафторэтилена в вакуумной камере, и обработкой металлической подложки в растворе фторсодержащего олигомера «Фолеокс» (марки Ф-1), приведены на рис. 5.

а) б) Рис.5 Морфология пленочной структуры, сформированной на поверхности кристалла силиката (а) и стали 45 (б) из фторсодержащих компонентов в газообразном состоянии и в растворе (б). Поле сканирования 25х25 мкм Наличие областей с различным строением при одинаковых условиях формирования пленочных структур свидетельствует, очевидно, о существенной роли зарядовой мозаики, как на процессы реполимеризации, так и процессы структурного упорядочения осажденных низкомолекулярных и олигомерных молекул и надмолекулярных образований. Об этом свидетельствует факт фазовой неоднородности олигомерных пленок (сочетание светлых и темных участков) на подложках из стали 45, меди М-1, нитрида титана, свежерасщепленной слюды (рис. 6), обусловленный, вероятно, процессами структурирования с образованием квазикристаллических нанофаз под действием силового поля участков поверхности с различным зарядом.

122

а)

г)

б)

д)

в)

е)

Рис. 6. Морфология поверхности подложек из меди М-1 (а), нитрида титана (б), свежерасщепленной слюды «мусковит» (в) и пленок фторсодержащего полимера Ф1, сформированных окунанием подложек в раствор (г,д,е). Снимки г,д,е получены методом фазового контраста. Поле сканирования 25х25 мкм Необходимо подчеркнуть, что на морфологию тонких фторсодержащих пленок оказывает влияние не только собственная морфология подложки, обусловленная технологией формирования (механической обработкой, термообработкой, диспергированием и т.п.), но и зарядовое состояние ее отдельных участков. Подтверждением этому является факт трансформирования первоначальной структуры пленки под действием энергетических факторов: температуры или мягкого рентгеновского излучения. Энергетическое воздействие обусловливает образование в пленочной структуре характерных областей с более высокой степенью упорядочения, которые обладают повышенной устойчивостью к процессам термодеструкции и действию механических напряжений, по сравнению с неупорядоченными (рис. 7). Исходный рельеф металлической подложки, характеризующийся наличием линейных дефектов металлической обработки (1), вначале сглаживается, а с повышением температуры термообработки до 473К (г) и 523К (д) – вновь проявляется. При этом вид и геометрические размеры надмолекулярных структур во фторсодержащих пленках (2) трансформируются в зависимости от интенсивности энергетического воздействия. Повышенные температуры обработки пленки приводят к формированию областей локального упорядочения (3) в олигомерной матрице, подобных к областям, образованным из активной газовой фазы (рис. 5а). При фрикционном взаимодействии компонентов трибосистемы, как металлополимерной, так и металлической, происходит трансформирование первоначальной структуры фторсодержащего ингибитора и образование разделительного слоя, предотвращающего износ.

123

Реализация ингибирующего действия фторсодержащих компонентов, очевидно, осуществляется по двум механизмам – в результате образования слоя характерного строения под действием морфологических и энергетических особенностей строения подложки и вследствие трансформирования первоначальной структуры с пассивацией ювенильных участков контактирования в результате переноса молекулярных и надмолекулярных фрагментов [8]. В отдельных трибосистемах существенный вклад вносят хемосорбционные процессы, приводящие к образованию низко- и высокомолекулярных металлосодержащих соединений, также как и исходные олигомеры, выполняющих функцию смазочного компонента. 1

а)

б) 1 1

в)

г)

д) Рис. 7. Характерный вид подложки из стали 45 исходной (а), обработанной 5 слоями олигомера Ф-1 при температуре термообработки 294К (б), 373К(в), 473К (г), 523К (д). Поле сканирования 25х25 мкм Таким образом, экспериментальные данные, полученные из литературных источников и проведенных исследований, свидетельствуют о наличии характерного 124

энергетического состояния поверхностных слоев компонентов трибосистемы, которое вносит существенный вклад в механизм ингибирующего действия функциональных материалов различного состава и строения. Заключение. Проведенный анализ возможного механизма формирования зарядовой мозаики на поверхности металлических подложек позволяет уточнить сложившиеся представления о структуре и кинетике образования тонкопленочных ингибиторов изнашивания трибосистем различного состава. Наличие на контактных поверхностях областей с различным зарядом обусловливает кинетические закономерности протекания механизмов контактных реакций, определяющих эксплуатационный ресурс при практическом применении узлов трения. Список литературы: 1. Струк, В.А. Трибохимическая концепция создания антифрикционных материалов на основе многотоннажно выпускаемых полимерных связующих: Дисс. … докт. техн. наук, Минск: 1988 – 325. 2. Гольдаде, В.А. Ингибиторы изнашивания металлополимерных систем. / Гольдаде В.А., Струк В.А., Песецкий С.С. – М. Химия, 1993. – 240с. 3. Трибохимические технологии функциональных композиционных материалов: Ч. 1,2. / С.В. Авдейчик [и др.]; под ред. В.А. Струка, Ф.Г. Ловшенко. – Гродно: ГГАУ, 2007, 2008. – 320с., 399с. 4. Зайцев, А.Л. Физико-химические основы регулирования фрикционного взаимодействия полимеров со спеченными переходными металлами и сплавами. Автореф. дисс. … д-ра техн. наук: Гомель, 2001. – 37с. 5. Гороховский, Г.А. Поверхностное диспергирование динамически контактирующих полимеров и металлов. / Г.А. Гороховский. – Киев: Наукова думка, 1972. – 152с. 6. Адериха, В.Н. Исследование поведения антифрикционных наполненных систем на основе термостойких полимеров в процессе трения в широком интервале температур. Автореф. дисс. … канд. техн. наук: М., 1982. – 18с. 7. Буше, Н.К. Совместимость трущихся поверхностей. / Н.К. Буше, В.В. Копытько. М.: Наука, 1984. – 128с. 8. Овчинников, Е.В. Тонкие пленки фторсодержащих олигомеров: основы синтеза, свойства и применение. / Е.В. Овчинников, В.А. Струк, В.А. Губанов. – Гродно: ГГАУ, 2007. – 326с. 9. Нанокомпозиционные машиностроительные материалы: опыт разработки и применения. / С.В. Авдейчик [и др.]; под ред. В.А. Струка. – Гродно: ГрГУ, 2006. – 403с. 10. Металлополимерные нанокомпозиты (получение, свойства, применение). / В.М. Бузник [и др.]. – Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2005. – 260с. 11. Белый, В.А. Адгезия полимеров к металлам. / В.А. Белый, Н.И. Егоренков, Ю.М. Плескачевский. – Минск: Наука и техника, 1971. – 286с. 12. Плескачевский, Ю.М. О некоторых аналогиях фрикционного динамического и адгезионного статического контактирования металла с термопластичным полимером. /Ю.М. Плескачевский. // Трение и износ, 1983. Т4, №5, С. 948 – 952. 13. Материаловедение: учебник. / В.А. Струк [и др.]. – Минск: ИВЦ Минфина, 2008. – 519с. 14. Прейс, Г.А. Электрохимические явления при трении металлов. / Г.А. Прейс, А.Г. Дзюб // Трение и износ, 1980. Т. 2, № 1. – С. 217-235. 15. Акшофт, Н. Физика твердого тела. / Н. Акшофт, Н. Мермин. М.: Наука, 1979. – 350с. 16. Полимер-силикатные машиностроительные материалы: физико-химия, технология, применение. / С.В. Авдейчик [и др.]; под ред. В.А. Струка, В.Я. Щербы. – Минск: Тэхналогія, 2007. – 431с. 17. Дистлер, Г.И. / Декорирование поверхности твердых тел. / Г.И. Дистлер, В.П. Власов, Ю.М. Герасимов [и др.]. М.: Наука, 1976. – 120с. 18. Шерманов, Л.А. Исследования в области физики твердого тела. / Л.А. Шерманов, М.С. Мецик, Л.М. Голубь; под ред. проф. Мецика М.С. Иркутск: ИГУ, 1974. – 150с.

125

МОДИФИКАТОРЫ ПОЛИМЕРНЫХ НАНОКОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ Ч.1 МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ НАНОЧАСТИЦ Лиопо В.А., Рыскулов А.А., Струк В.А., Ахмадиева Л.В., Авдейчик С.В. (УМЦ «Промагромаш» ОАО «Белкард», г. Гродно, Беларусь) The classification of methods of deriving nanodimension particles of a various structure on the basis of various principles of obtaining is developed. Effective technologies of obtaining of dispersese polymeric modifiers with application of high-energy effect on semifinished materials are considered. Введение. Важнейшим компонентом функциональных материалов на полимерных, металлических, керамических и иных матрицах, определяющим механизмы реализации заданных параметров служебных характеристик, являются низкорамерные частицы определенного состава, строения, формы и активности. Низкоразмерные частицы представляют интерес не только как объекты многофазных многокомпонентных систем, создание и применение которых осуществляется в рамках специальных областей hi-tech-технологий и материаловедения (наноматериаловедения и нанотехнологий), но и как самостоятельные объекты, параметры характеристик которых существенно отличаются от табулированных данных объемных частиц. При анализе весьма многочисленных исследований, посвященных различным аспектам технологии получения низкоразмерных частиц [1-9], необходимо особо подчеркнуть два характерных аспекта: - во-первых, спектр технологий получения наночастиц интенсивно расширяется благодаря развитию аппаратурного оформления hi-tech-технологий, основанных на применении как традиционных методов синтеза наночастиц (диспергирование, термолиз прекурсоров, химическое и электрохимическое осаждение и т. д.), так и высокоэнергетических потоков (лазерных, электронных, ионизирующих, тепловых и т. д.); - во-вторых, номенклатура низкоразмерных частиц, представляющих интерес для материаловедения и технологии функциональных материалов, расширяется благодаря интенсивному развитию инструментальных методов визуализации и исследования объектов с размерами менее 100 нм (растровой электронной, туннельной, атомной силовой микроскопии, рентгеноструктурного анализа и др.). Указанные аспекты наноматериаловедения и нанотехнологий обусловливают необходимость системного анализа методологических принципов, положенных в основу современного наноматериаловедения, с целью выявления наиболее перспективных направлений развития технологии получения низкоразмерных частиц различного состава, строения и модифицирующего действия. Цель настоящей работы состояла в разработке основ классификации различных методов получения наночастиц, базирующихся на различных методологических принципах с последующим анализом особенностей их формы (габитуса), зарядового состояния и активности в процессах взаимодействия с матрицами, отличающимися природой, составом и строением. Результаты и обсуждение. Анализ известных литературных источников, посвященных методам получения наночастиц [1-5], позволил выявить основные принципы, положенные в основу технологий, и определяющие механизмы образования вещественных объектов с размерами до 100 нм хотя бы в одном направлении: - диспергирование конденсированных полуфабрикатов, в т. ч. минеральных;

126

- конденсирование атомарных и молекулярных ингредиентов на активных центрах в различных средах и системах (однофазных и гетерофазных); - синтез из компонентов в атомарном, молекулярном и конденсированном (фазовом) состояниях в различных средах-носителях. Систематизация наиболее распространенных подходов к получению наночастиц, используемых в современном функциональном материаловедении, с применением предложенных принципов, позволила выявить перспективные технологии, обеспечивающие получение нанопродуктов с заданными параметрами служебных характеристик (рис. 1).

Рис. 1. Принципы получения наноразмерных модификаторов полимерных матриц Не ставя перед собой задачу всеобъемлющего анализа промышленно применяемых технологий, рассмотрим характерные особенности способов, основанных на различных видах энергетического воздействия на ингредиенты и полуфабрикаты. Среди технологий механического диспергирования полуфабрикатов на металлических, силикатных и органических полимерных матрицах особое распространение получили технологии с применением энергии ультразвуковых колебаний, обусловливающие не только разрушение макрочастиц, но и протекание специфических (сонохимических) реакций синтеза [1] между компонентами полуфабриката и технологической среды (рис. 2). Применение термического воздействия на полуфабрикат позволяет не только получить наночастицы вследствие разрушения (термолиза) прекурсора, но и в результате протекания вторичных термохимических процессов, например, дегидратации, дегидроксилации и т. п. [1, 8]. Подобные технологии интенсивно используют при получении наночастиц на основе металлов, оксидов, геосиликатов, графита и других соединений со слоистой структурой кристаллической решетки [7]. При действии концентрированных энергетических потоков на полуфабрикат (лазерных, ионизирующих, тепловых) обеспечивается диспергирование поверхностных слоев по механизму разрушения термодинамически неравновесных участков с дефектами различного размера, происхождения и механизма образования. Например, при концентрированном действии лазерных пучков или потоков заряженных частиц, инфракрасного излучения на полимерный полуфабрикат происходит разрушение проходных макромолекул в аморфной фазе, локализованных примесей, низкомолекулярных и олигомерных фракций, несовершенных (дефектных) надмолекулярных образований и других неустойчивых структур, которое обусловливает образование низкоразмерных частиц, обладающих способностью к реполимеризации, монолитизации и конденсации на твердых подложках [7, 10]. Подобная технология имеет разнообразные области применения – от формирования

127

функциональных покрытий (аппретирующих, декоративных, гидрофобизирующих, триботехнических, изоляционных) на поверхностях деталей трибосистем, энергетического оборудования, защитных конструкций, полуфабрикатов композиционных материалов в виде волокон, тканей, изделий и т. п. до получения нанодисперсных частиц, применяемых в качестве компонентов конструкционных, триботехнических материалов, смазок, лакокрасочных материалов, смазочноохлаждающих и технологических сред [7-10].

Рис. 2. Методы получения конденсированных полуфабрикатов

наноразмерных

128

частиц

диспергированием

Среди технологий получения наночастиц, основанных на конденсировании компонентов в атомарном, молекулярном и фазовом состоянии в растворах, расплавах или многофазных системах особый интерес для функционального композиционного материаловедения имеют технологии формирования надмолекулярных структур различного состава и строения (рис. 3). Например, направленной кристаллизацией расплавов полимерных матриц с помощью воздействия тепловых, ионизирующих, лазерных, ультразвуковых потоков, механических напряжений, активных центров модификаторов кристаллизации возможно формирование нанокомпозиционных и нанофазных материалов с повышенными показателями деформационно-прочностных, триботехнических, адгезионных и др. характеристик [7, 8].

Рис. 3. Методы получения наноразмерных частиц конденсированием на активных центрах Технологии, основанные на принципе конденсирования компонентов в растворах, расплавах, в газовой фазе, в настоящее время широко применяют при

129

формировании тонкопленочных композитов для микроэлектроники, систем записи и хранения информации, медицинской техники и т. п. [2-6]. Принцип синтеза наноразмерных частиц из ингредиентов в атомарном и молекулярном состоянии, основанный на представлениях кинетики химических реакций, разработанных в химии ВМС, коллоидной, органической, неорганической и физической химии, обусловил существование наиболее распространенных технологий, которые в настоящее время используют для крупнотоннажного производства модификаторов полимерных композитов (красителей, наполнителей, регуляторов реологических характеристик и т. п.), функциональных компонентов нефтехимического синтеза, порошковой металлургии и др. областях функционального материаловедения (рис. 4) [6, 7]. Весьма перспективным направлением реализации этого принципа является механохимический синтез нанофазных материалов на основе металлических, керамических и смесевых матриц [7]. Высокоэнергетическое воздействие на дисперсные частицы компонентов в процессе их перемешивания и диспергирования обусловливает возможность взаимодействия в твердом агрегатном состоянии с образованием армирующих нанофаз, увеличивающих показатели деформационнопрочностных, теплофизических, триботехнических характеристик.

Рис. 4. Методы получения наноразмерных частиц синтезом 130

Установленные эффекты упрочнения характерны для композиционных материалов на основе металлических и керамических матриц. Следует ожидать, что подобный механизм образования нанофазных компонентов многофункционального назначения может быть реализован и в полимерных нанокомпозитах, содержащих в качестве модификаторов ингредиенты в различном агрегатном состоянии. Заключение. Рассмотренные примеры практической реализации различных принципов получения наноразмерных частиц свидетельствуют о возможности проявления многоаспектного (синергического) действия в матрицах различного состава и строения независимо от технологии синтеза и специфических особенностей строения. Очевидно, существуют общие закономерности проявления механизма модифицирующего действия наночастиц, обусловленные существованием общефизических предпосылок проявления их активности на основе электронного строения, реализуемого вследствие различных технологий получения. Системный подход к анализу закономерностей модифицирующего действия наноразмерных компонентов в матрицах различного состава и строения предполагает рассмотрение различных аспектов: энергетического, размерного, кристаллофизического, технологического. Эти аспекты будут составлять предмет специального исследования. Список литературы: 1. Наночастицы металлов в полимерах / А.Д. Помогайло, А.С. Розенберг, И.Е. Уфлянд. – М.: Химия, 2000. – 672 с. 2. Кобаяси, Н. Введение в нанотехнологию. Пер. с японск. / Н. Кобаяси. – М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2005. – 134 с. 3. Головин, Ю.И. Введение в нанотехнологию. / Ю.И. Головин. – М.: Машиностроение, 2003. – 112 с. 4. Гусев, А.И. Наноматериалы, наноструктуры, нанотехнологии. /А.И. Гусев. – М.: Физматлит, 2005. – 416 с. 5. Суздалев, И.П. Нанотехнологии: физико-химия нанокластеров, наноструктур и наноматериалов. / И.П. Суздалев. – М.: Ком Книга, 2006. – 592 с. 6. Анищик, В.М. Наноматериалы и нанотехнологии / В.М. Анищик [и др.]; под ред. В.Е. Борисенко, Н.К. Толочко. – Минск: Изд. центр БГУ, 2008. – 375 с. 7. Нанокомпозиционные машиностроительные материалы: опыт разработки и применения / С.В. Авдейчик и [др.]; под ред. В.А. Струка. – Гродно: ГрГУ, 2006. – 403 с. 8. Полимер-силикатные машиностроительные материалы: физико-химия, технология, применение. / С.В. Авдейчик [и др.]; под ред. В.А. Струка, В.Я. Щербы. – Минск: Тэхналогiя, 2007. – 431 с. 9. В.А. Струк. Материаловедение: учебник применения / В.А. Струк и [др.]. – Минск: ИВЦ Минфина, 2008. – 519 с. 10. Бузник, В.М. Металлополимерные нанокомпозиты (получение, свойства, применение). / В.М. Бузник [и др.] – Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2005. – 260 МОДИФИКАТОРЫ ПОЛИМЕРНЫХ НАНОКОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ Ч. 2. РАЗМЕРНАЯ КЛАССИФИКАЦИЯ Лиопо В.А., Рыскулов А.А., Авдейчик С.В., Михайлова Л.В., Ахмадиева Л.В., Эйсымонт Е.И. (УМЦ «Промагромаш» ОАО «Белкард», г. Гродно, Беларусь) The method of particles dimensions division is offered. The measure of dispersivity is calculated with formula δ = − ln d where d is linear dimension of particle. It is discussed the

131

generalised function of substance properties dependence from its particles measure in nanometric range. Введение. Нанокомпозиционные материалы на основе полимерных матриц находят все большее применение в современном машиностроении. Служебные характеристики нанокомпозитов зависят не только от содержания низкоразмерного модификатора, но и от особенностей его зарядового состояния, определяющего активность в процессах адсорбционного взаимодействия. К числу наиболее распространенных низкоразмерных модификаторов полимерных матриц относят порошки металлов и оксидов, керамики, слоистых минералов, углесодержащие продукты детонационного синтеза УДА, УДАГ [1]. Установлены общие закономерности модифицирующего действия наночастиц различного состава и технологии получения, основанные на изменении кинетики адсорбционного взаимодействия полимерных макромолекул с активными центрами поверхностного слоя и формировании упорядоченной структуры граничного слоя под действием электрических полей наполнителя. Анализ исследований в области создания функциональных полимерных нанокомпозитов свидетельствует об отсутствии единой точки зрения на влияние размеров и формы наночастиц на эффективность их модифицирующего действия. Для более строгого обоснования наноразмерности частиц модификатора потребовалось проведение теоретических исследований, объясняющих влияние размерных факторов на свойства вещества и позволяющих установить размер частиц L0 , ниже которого вещество начинает приобретать свойства отличные от тех, которые характеризуют вещество в большом объеме. При размерах частиц l<L 0 вещество переходит в наносостояние, так как L 0 соответствует размерам, меньшим 100 нм. Прежде чем переходить к анализу указанных вопросов теории, мы считаем необходимым рассмотреть классификацию частиц вещества по их крупности, не затрагивая механизмы межатомных и межчастичных взаимодействий. Все вещества, которые человек использует в различных видах деятельности, делятся на естественные, то есть истинно природные; искусственные, то есть созданные человеком по природным аналогам; и синтетические, то есть не встречающиеся в природе, а созданные человеком для решения отдельных технических, бытовых, лечебных, исследовательских и других задач. Вещества являются атомно-молекулярными системами и откликаются на внешнее воздействие соответствующим образом, но всегда так, чтобы это воздействие ослабить. Если, например, в веществе создать температурные градиенты, то есть вдоль какого-то направления r будет наблюдаться изменение температуры ΔΤ, то есть ∆Т ∆r ≠ 0 , то объект будет выравнивать эту температуру, что приведет к возникновению теплового потока. Если материальный объект деформируется, то возникающие в нем напряжения создадут условия для формирования в нем таких сил, которые будут препятствовать силам деформирования. Этих примеров можно привести достаточно много. Таким образом, в общем случае можно говорить об откликах объектов любой природы на соответствующее внешнее воздействие. Эти отклики изучают, их численные характеристики заносят в таблицы и называют свойствами материалов. Следовательно, принцип Ле-Шателье – Брауна: «Любая система отвечает на внешнее воздействие так, чтобы это воздействие максимально ослабить» проявляется в любых процессах и состояниях. Когда в общем случае говорят о свойствах вещества, то, как правило, размеры образца этого вещества не учитывают. Например, рассмотрим электропроводность (теплопроводность, упругость и т.д.) металлов. В таблицах приведены значения 132

параметров характеристик этого свойства без указания геометрических размеров образца, то есть предполагают, что размеры образцов на эти свойства не влияют. Опыты показывают, что такое предположение действительно выполняется для широкого интервала размеров, но для очень маленьких (менее 0,1 мкм) частичек и у тонких пленок характеристики свойств могут существенно отличаться от объемных. Простейший пример – непрозрачный в макрообразце металл в пленочном состоянии пропускает свет. Результаты и обсуждение 1.1. Размерные классы частиц В технике, в быту человек обычно имеет дело с крупными телами. Считается, что мелкие объекты в практике играют менее заметную роль. Развитие нанотехнологий, то есть технологий с использованием наноразмерных объектов (1 нм = 10-9 м), заставило обратить внимание на изучение их свойств. Появился новый раздел – нанофизика. В то же время мельчайшие системы играют громадную роль в жизнедеятельности организмов. Например, у человека при дыхании происходит поглощение кислорода в альвеолах легких, представляющих собой мельчайшие пузырьки воздуха, окруженные тончайшей пленкой, которую пронизывают капилляры. Общая площадь поверхности альвеол приближается к 100 м2, а их число измеряется сотнями миллионов. Кислород, попадая в кровь, связывается эритроцитами, число которых в теле человека превышает 25 триллионов. Диаметр эритроцита человека составляет 7-8 мкм. Для сравнения, у слона этот размер 9 мкм, у кабарги – 2 мкм, у лягушки до 30 мкм. Громадную роль в нашей жизни играют биологические мельчайшие объекты – микроорганизмы (микробы и вирусы). Из своей жизненной практики мы знаем, что защититься от действия малых частиц, которое может быть не просто негативным, а разрушительным, гораздо труднее, чем от влияния крупных. Существенное влияние на жизнедеятельность нашего организма оказывает пленочное состояние вещества. Например, долгое время считали, что вода в нашем организме выполняет функцию среды, в которой протекают биохимические реакции. Однако во второй половине XX века было установлено, что сама вода является активным участником процессов в живых организмах: она, к тому же, в этом случае обладает характеристиками свойств, отличными от характеристик объемной воды. Объемная вода при 0°С замерзает, и при этом увеличивается ее объем. Следовательно, любое дерево после зимних морозов должно погибнуть, так как в его стволе есть вода, которая, замерзая (в стволах деревьев нет источников тепла), должна разорвать капилляры и клетки дерева. Этого не происходит, потому что капиллярная и тонкопленочная вода обладают свойствами, отличными от свойств объемной воды. Такая вода, при понижении температуры увеличивает вязкость и не замерзает даже при -40°С. Она, как говорят, «застекловывается», что не приводит к увеличению объема. В капиллярах и тонких пленках молекулы воды лишаются той подвижности, которая свойственна молекулам в объемной воде. Неудивительно, что пленочная вода характеризуется такой характеристикой, как сдвиговая упругость. Пленочная вода намного слабее реагирует на действие электрического поля, и ее теплопроводность может превосходить эту характеристику для объемной воды в 70 раз [1 – 3]. Каждая клетка нашего организма омывается жидкой субстанцией на основе пленочной воды. Если клетку моделировать шаром, то при радиусе d = 4000 Å = 4∙10-7 м ее поверхность равна S ≈ 5∙10-13 м2. Количество клеток в нашем организме N = 1018. Следовательно, общая площадь поверхности всех клеток Ρ = 5∙105 м2 = 0,5 км2. В 70-ти килограммовом человеке воды примерно 50 л, значит толщина пленки на поверхности каждой клетки

133

равна в среднем 10 −7 м, то есть она включает не более 500 мономолекулярных водных слоев [3]. Биофизики, биохимики, физиологи и врачи в последние годы рассматривают гипотезу о том, что вода в живых организмах является не просто средой, необходимой для осуществления различных биохимических реакций и процессов, но сама, находясь в особом состоянии, является таким же фундаментальным элементом жизненных процессов, как дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК), белки, липиды и др. Эти примеры, а к ним можно добавить и другие, показывают, что мир мелкодисперсных частиц и тонких пленок играет громадную роль в процессах существования различных форм жизни на Земле. Естественно, частицы влияют на природные процессы, а то, что при наноуровневых размерах вещества начинают менять параметры своих свойств по сравнению с объемными, находит все большее применение на практике. Это обстоятельство привело к появлению новых технических решений, получивших название нанотехнологий, а также к формированию нанофизики, как раздела физики поверхностного состояния, занимающегося изучением наноразмерных объектов. Как крупные, так и мелкие частицы могут иметь различную форму, когда их линейный размер вдоль различных направлений может иметь значения, резко отличающиеся от размеров для других направлений. Если исключить эти варианты, то можно говорить о частицах, у которых величина поперечного размера (d) не зависит от направления. При описании частиц с малыми размерами указывают либо их поперечный размер (d), либо число таких частиц в 1 метре. Величину D, равную D =1 d,

(1)

называют дисперсностью частицы. Так как размеры частиц обычно на порядки меньше метра, то удобнее использовать величину, называемую мерой дисперсности δ, равную

δ = lgD = -lgd.

(2)

В зависимости от меры дисперсности всю совокупность частиц можно разделить на несколько типов или классов дисперсности (табл.). При размерах объекта r>1м говорить об этом объекте как о частице просто нет смысла, это действительно громадный объект, поэтому в таблице номер класса у такого типа частиц нулевой. Так как размеры атомов лежат вблизи 1Å = 10-10 м, то размер частицы меньше 10-10м невозможен. Таким образом, все частицы по своим размерам оказываются распределенными по 10 классам, каждый из которых находит определенное применение в различных областях деятельности, например, частицы классов 1, 2 применяют в строительстве, 3, 4 – как наполнители в бетонных системах, в дорожном строительстве, 5-7 – в медицинских препаратах, в различных пищевых добавках, в отраслях химической промышленности. Наибольший интерес в последние годы вызывают частицы 8-10 классов, которые относят к наноразмерным системам.

134

Таблица 1. Классификация частиц в зависимости от их размеров Номер класса частиц 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Мера Размер частиц Название класса Дисперсность D дисперсности r [м] дисперсности. δ r > 1 D<1 δ<0 Гигантские 1 > r > 0,1 1 < D < 10 0<δ<1 Очень крупные -1 -2 2 10 > r > 10 10 < D < 10 1<δ<2 Сантиметровые -2 -3 2 3 10 > r > 10 10 < D < 10 2<δ<3 Миллиметровые -3 -4 3 4 10 > r > 10 10 < D < 10 3<δ<4 Слабодиспергированные -4 -5 4 5 10 > r > 10 10 < D < 10 4<δ<5 Среднедиспергированные -5 -6 5 6 10 > r > 10 10 < D < 10 5<δ<6 Микронные -6 -7 6 7 10 > r > 10 10 < D < 10 6<δ<7 Высокодиспергированные -7 -8 7 8 10 > r > 10 10 < D < 10 7<δ<8 Очень мелкие -8 -9 8 9 10 > r > 10 10 < D < 10 8<δ<9 Наноразмерные -9 -10 -9 -10 10 > r > 10 10 < D < 10 9 < δ < 10 Предельно мелкие

Очевидно, что реальные вещественные объекты, имеющие различную форму, по разным направлениям могут относиться к различным классам дисперсности. Например, проволока вдоль своей оси относится к классу 0, а по направлению в сечении плоскостью перпендикулярной оси, может относиться к классам 4÷6. Это же замечание относится к листовым и пленочным материалам. В общем случае для частиц любой формы для указания их дисперсности можно использовать обозначения тремя числами m, n, p, где эти числа обозначают класс дисперсности вдоль трех перпендикулярных осей. Значения этих классов можно указывать в порядке возрастания номера класса дисперсности. 1.2. Факторы, влияющие на свойства вещества Известно, что на количественные параметры свойств веществ оказывает влияние достаточно большое число самых различных факторов, которые можно разделить по нескольким группам. Влияние химического состава вещества не требует какого-то особого аргументирования. Очевидно, что, взяв вещества разного химического состава, мы получим материалы с совершенно разными параметрами свойств, даже если эти вещества в чем-то похожи друг на друга. Например, элементы одной группы (С и Si или А1 и Sc и т.п.) имеют много общего в химических реакциях, но отличаются друг от друга по значениям параметров физических свойств. Некоторые из этих параметров могут быть достаточно близкими для веществ разного состава, например, электроили теплопроводность многих металлов и сплавов, но всегда имеются параметры, которые разнятся в зависимости от состава [4]. Вещества могут иметь одинаковые Рис. 1. Структура кристалла структурные мотивы. В качестве примера сфалерита (ZnS) рассмотрим структуру сфалерита (ZnS), 135

приведенную на рис. 1. Если в решетке сфалерита атомы Zn и S заменить атомами углерода, то получим структуру алмаза. Если вместо атомов в сфалерите размещены молекулы воды, то это будет структура льда–1. Сфалеритовый тип структуры имеют многие полупроводниковые (с алмазоподобной структурой) кристаллы [5]. Вторая группа включает один, но очень важный фактор - идеальная структурная модель («идеальный структурный мотив», по Н.В.Белову [5]). Речь идет о структуре вещества, описываемой идеализированной взаимоконфигурацией (взаимным расположением) образующих его атомов. Эта идеализированная схема строго соответствует определенной точечной и пространственной группам, если вещество кристалл, либо определенному типу взаиморасположения координационных полиэдров, молекул, радикалов, отдельных атомов. Если вещество некристаллическое, то и в этом случае вещества с одинаковым составом могут иметь разные параметры свойств, так как одни и те же атомы могут образовывать различные молекулы [5,6]. Наиболее яркими примерами кристаллов с одинаковым химическим составом и различными свойствами являются алмаз и графит, серое и белое олово, полиморфные модификации железа, аллотропные разновидности серы и др. Факторы первого и второго типа можно объединить, введя понятие «идеальная кристаллохимическая модель» для кристаллов и «структурно-химическая модель» для некристаллических веществ. Третья группа факторов, влияющих на свойства веществ – это дефекты, которые являются любыми отклонениями состава или структуры данного конкретного образца («вещественного индивидуума» по терминологии академика Н.В. Белова) от идеальной кристаллохимической модели. Понятие дефекта (дефектности) в физике не имеет негативного смысла. Наоборот, дефектность – это возможность изменить свойства вещества в требуемом направлении. Например, введение примесей в диэлектрик может преобразовать его в полупроводник. Дефекты могут изменить прочностные характеристики, например, ковка упрочняет стальное изделие. Дефекты можно разделить на несколько типов по их размерности. Нольмерные или точечные дефекты затрагивают отдельные атомы. К таким дефектам относят смещения атомов от идеального положения в произвольную (межузельную) позицию (дефекты по Френкелю), невхождение атома в его структурную позицию, то есть образование вакансии (дефекты по Шоттки), дефекты замещения основного атома примесным, внедрение «чужого» атома в междоузлия (дефект внедрения) и т.п. Следует отметить, что нульмерный (точечный) дефект вызывает искажения соответствующей ячейки кристалла, что вызывает изменения в соседних ячейках. Следовательно, точечный дефект может вызвать изменения в объеме кристалла, существенно превышающем объем одной ячейки. Например, при наличии дефекта замещения положительный одновалентный катион кристалла может быть заменен двух- и даже трехвалентным катионом без появления вакансии, а электростатическая нейтральность достигается за счет вхождения в кристалл электронов. Появляется положительно заряженный центр и связанный с ним электрон (или электроны). Электрон характеризуется своими состояниями с уровнями энергии в оптическом диапазоне. В спектре поглощения такого кристалла появляются дополнительные линии. Такие, связанные с дефектами, электроны называются центрами окраски, так как их присутствие в прозрачных кристаллах вызывает их окрашивание. Этот эффект особенно отчетливо проявляется в прозрачных щелочно-галоидных кристаллах.

136

Рис.2. Схемы краевой (а) и винтовой (б) дислокаций Кроме нульмерных дефектов в кристаллах возможно существование одномерных дефектов, которые называются дислокациями. Дислокации бывают двух типов: краевые и винтовые (рис. 2). Так как дислокации, во-первых, могут появиться вследствие действия на кристалл внешних сил, а во-вторых, создают области механических напряжений в кристалле, то есть они изменяют параметры его свойств, в том числе, и поверхностных. Следовательно, действуя на кристалл внешней силой (например, при ковке), можно изменить (увеличить) число дислокацией, то есть повысить, например, твердость или износостойкость детали. При дроблении, т.е. диспергировании, кристалла в кристаллитах может повысится концентрация дефектов, что приведет к повышению активности их поверхности. Это крайне важно для многих технологических процессов, например, при флотационном обогащении полезных ископаемых, для повышения модифицирующего действия частиц наполнителя на вещество матрицы композиционного материала и др. [1]. Двухмерными дефектами в кристаллах является поверхности, которые зачастую играют решающую роль в ходе различных природных и технологических процессов. Поверхностью частицы любого объема является геометрическое место точек по одну сторону от которых геометрический луч, исходящий из этой точки, направлен внутрь вещества, а по другую – в среду иной природы, то есть другого состава и структуры. Естественно, поверхность, как двухмерный дефект, влияет на атомные слои вещества в приповерхностных слоях, и это влияние проявляется особенно сильно в объектах с малыми размерами. При наличии в частице включений других фаз (частицы других веществ, газоводных линз, каверн, пор, трещин и т.п.) говорят о трехмерных дефектах. В реальных кристаллах все виды дефектов зачастую существуют одновременно, так как, например, наличие трехмерных дефектов связано с существованием поверхностей раздела, которые, в свою очередь, вызовут искажение идеальной структуры, по крайней мере, в приповерхностных атомных слоях [7]. Обычно, говоря о дефектах, рассматривают стационарные состояния частицы вещества. В реальных ситуациях и концентрация дефектов и их типы могут изменяться с течением времени. В этом случае следует говорить о динамическом дефекте, подчеркивая его изменчивость во времени. В качестве примера можно привести эффект закалки, когда в образце создаются дефекты вследствие резкого охлаждения нагретого вещества. Это приводит к внутренним напряжениям. Так как внутренняя энергия дефектного кристалла обычно больше внутренней энергии кристалла без дефектов, то в кристалле происходят релаксационные процессы. Отпуск после закалки – пример проявления динамического дефекта [7].

137

Четвертой группой факторов, влияющих на свойства вещества, являются характеристики внешней среды. В одной среде вещество может обладать одними свойствами, а в другой - совершенно другими. Вариации температуры, характера механических напряжений, влажности, рН среды и т. д. приводят к изменению как параметров свойств, так и самих веществ. Часто эти изменения могут быть весьма существенными. Например, какая-то деталь, изготовленная из одного материала, может эффективно эксплуатироваться в одной среде и разрушаться при действии на нее другой. 1.3. Зависимость физических свойств частиц от их размера в нанодиапазоне Зависимость параметров физического свойства от размерного фактора начинает проявляться для частиц 9-го и 10-го классов дисперсности (табл.). Для примера приведены экспериментальные результаты исследований, взятые из работ [8 – 10], которые характеризуют типичную зависимость параметра конкретного свойства от размера частиц (рис. 3).

Рис. 3. Зависимости периода решетки алюминия от диаметра наночастиц (а) [8], температур плавления золота (б) [10], и олова (в) [9] от размера их наночастиц Существует размерная область, где физическое свойство (S) определяется постоянными параметрами, которые и вносят в таблицы. При размерах, меньших свойственного каждому веществу значения l=L 0 , численный параметр свойства изменяется и, как следует из приведенных графиков, приближается к нулю в предельном переходе r→0. Таким образом, размер l=L 0 , является размерной границей между макросостоянием вещества, когда размер объекта не оказывает влияния на его свойства, и наносостоянием, когда в области l<L 0 начинают играть роль размерные факторы. Сама эта граница, как показывают многочисленные исследования, лежит в нанодиапазоне. Трудности анализа наносвойств веществ обусловлены многими обстоятельствами. Прежде всего, это связано со сложностями получения объекта с одинаковыми размерами частиц. Как показывает эксперимент, наличие в объекте частиц с размером, превышающим L 0 , искажает значения параметров, свойственных частицам с усредненным размером для данной дисперсной системы. Типичная обобщенная зависимость физического свойства от размера частиц приведена на рис. 4 [8]. Значение S V является постоянной величиной и соответствует свойствам объемной частицы. Параметр L 0 является размерной границей между нано- и макросостояниями. Чем больше r отличается от L 0 , тем достовернее принадлежность изучаемого объекта к объемному (макро) состоянию или к наносостоянию. 138

Следовательно, L 0 не является резкой границей между указанными состояниями. Этот параметр, в какой-то мере, напоминает температуру Дебая, которая является границей между квантовой и классической областями при описании свойств кристаллов. Приведенная кривая всегда может быть построена при соответствующем выборе параметра. Например, электропроводность и сопротивление не Рис. 4. Обобщенная кривая зависимости значений параметра могут меняться одинаково. Но всегда физического свойства от размера частиц. можно добиться, чтобы оценка параметра SV – объемное значение параметра; L0 – была такая, что при уменьшении r размерная граница между нано- и уменьшалось бы и значение S (r). Зависимость S=S(r), приведенная на рис. 4, макросостояниями может быть представлена функцией вида: SV , (3) S (r ) = 32  L0  n  exp α   − 1  r   где α, n – постоянные положительные величины, зависящие от вещества и изучаемого свойства, SV – значение объемного свойства. Если r≥L 0 , то S (r ) = SV .  L0  n  Действительно, если r>L 0 , то L 0 / r<1 и в квадратных скобках величина   − 1 <0,  r   то есть показатель экспоненты становится мнимой величиной. При этом модуль

(

e iA = e iA ⋅ e −iA

)

всегда равен единице.

Производная dS (r ) / dr имеет вид:

dS = dr

L  3n ⋅ α ⋅  0   r 

n −1

 L0  n    − 1   r 

  L  2r 2 exp α  0  − 1   r  n

(4)

В области 0<r<L 0 dS/dr >0, при r=L 0 dS/dr =0. Так как при r>L 0 S (r ) = SV = const , то (dS / dr )r >L0 = 0 . Следовательно, функция S(r) (см. (3)) и ее производная непрерывны во все области существования r [8]. Анализ литературных данных, которые отражают экспериментальные зависимости S(r) для различных свойств, показывает, что α, как и L 0 , является параметром, свойственным определенному веществу, а значения n достаточно хорошо аппроксимируются величиной n=2. В этом случае открывается возможность экспериментального определения численного значения параметра α. Действительно, из эксперимента определяются величины S(r) и r. Значения SV , характеризующие

139

объемные свойства, либо берутся из таблиц-справочников, либо определяются экспериментально на образцах с макроразмерами. Величина L 0 может быть либо получена из экспериментальных зависимостей S(r), либо рассчитана по формуле:

L0 =

1,5 −1 2 −1 2 ⋅ h(θ D ) = 230(θ D ) , km

(5)

где h, m, k – физические постоянные: Планка, Больцмана, масса электрона соответственно; θ D – температура Дебая. Параметр L 0 в формуле (5) имеет размерность [нм] [11]. Как и в случае отнесения частиц к определенному классу дисперсности, когда по разным направлениям измерения линейного размера объект будет соответствовать разным классам дисперсности, при анализе мелких частиц вероятны три ситуации: 1. Чешуйчатая частица может иметь толщину l<L 0 , а в плоскости чешуйки все r> L 0 . Следовательно, такая чешуйка является одномерной наночастицей. 2. Если частица имеет такую форму, что вдоль одного направления l>L 0 , а во всех направлениях перпендикулярных первому r<L 0 , то такая частица называется наностержнем (нанопроволокой, вискером), и она относится к двухмерным наночастицам. 3. Собственно наночастицы имеют наноразмерность, равную трем, то есть во всех направлениях их линейный размер r<L 0 . Форма наночастиц, то есть их габитус, в определенной мере зависит от способа их получения, но при диспергировании крупных кристаллов, то есть при переходе частицы в класс со все большим значением дисперсности, главное влияние на габитус оказывает точечная группа исходного кристалла. Для частиц 1 – 3 класса форма может быть произвольной, то есть механической обработкой можно придать объекту вид частицы с точечной симметрией, некоррелирующей с точечной симметрией макрокристалла. Последняя начинает проявляться при переходе к классам возрастающей дискретности и для классов от четвертого до седьмого габитус частиц – полиэдр с симметрией соответствующей точечной группы. При переходе в нанообласть во все большей степени начинает проявляться влияние поверхности частицы, грани и ребра полиэдров сглаживаются и изгибаются. Частица приобретает форму трехосного эллипсоида с различными отношениями осей. Точечная симметрия габитуса наночастиц будет описываться предельной точечной группой кристалла в соответствии с его сингонией. Более подробно этот вопрос будет нами проанализирован в последующих публикациях. Заключение. Любое вещество в природе формируется в виде частиц с различными размерами от десятков, сотен и более метров до нанометров. По степени дисперсности частицы предлагается разделить на классы, номера которых определяются величиной δ = − ln d , где d – линейный размер частицы в метрах. Если форма частицы отличается от сферической, то следует указать классы вдоль трех взаимно перпендикулярных направлений в порядке возрастания номера класса дисперсности. Установлено, что приведенные в научной литературе зависимости численных параметров различных свойств вещества в нанодиапазоне размеров их частиц описываются кривыми одинаковой формы. Предложена формула, описывающая эту зависимость. Обосновано существование наночастиц с различной размерностью, то есть одномерные наночастицы (чешуйки, пленки, пластинки), двухмерные

140

наночастицы (стержни, проволоки, усы) и трехмерные наночастицы (имеющие сферическую или близкую к ней форму). Список литературы: 1. Полимер-силикатные машиностроительные материалы: физико-химия, технология, применение. / С.В. Авдейчик [и др.]; под ред. В.А. Струка, В.Я. Щербы. – Минск: Тэхналогія, 2007. – 431с. 2. Лиопо, В.А. Действие кристаллов слюд на поверхностные водные пленки. / В.А. Лиопо [и др.] // Веснік ГрДУ. 2008. – Сер. 2. – №3. – С. 93 – 100. 3. Лиопо, В.А. Эта непростая простая вода. / В.А. Лиопо // Альфа. 2001. – №1. – С. 51 – 59. 4. Брэгг, У. Кристаллическая структура минералов. / У. Брэгг, Г. Кларингбулл. – М.: Мир. 1967. – 390с. 5. Белов, Н.В. Очерки по структурной минералогии. / Н.В. Белов – М.: Недра. 1976. – 344с. 6. Нараи-Сабо, И. Неорганическая кристаллохимия. / И. Нараи-Сабо. Будапешт: Изд. АН Венгрии. 1969. – 504с. 7. Струк, В.А., Материаловедение и конструкционные материалы. / В.А. Струк, В.А. Гольдаде, В.Ф. Комар [и др.]. (Часть 2. Металлы и сплавы). Гродно: Изд. ГрГУ.2007. – 240c. 8. Лиопо, В.А. Введение в физику наноразмерных частиц. / В.А. Лиопо, В.А. Струк, С.В. Авдейчик. // Промышленность региона: проблемы и перспективы инновационного развития. –. Гродно: ГГАУ. 2008. – С. 223 – 272. 9. Гусев, А.И.. Наноматериалы, наноструктуры, нанотехнологии. / А.И. Гусев – М.: Физматлит. – 2005. – 416с. 10. Ajayan, P.M. Nanocomposite science and technology. / P.M. Ajayan, L.S. Schadler, A.V. Braun. Willey. – VCY. Gmbh I Co KgaA. – 2004. – 230p. 11. Лиопо, В.А. Размерная граница меджу нано- и объемными состояниями: теория и эксперимент. / В.А. Лиопо // Веснік ГрДУ. Серыя 2. – №2. – 2007. – С. 65 – 71. МОДИФИКАТОРЫ ПОЛИМЕРНЫХ НАНОКОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ Ч. 3. ГАБИТУС НАНОЧАСТИЦ, ПОЛУЧЕННЫХ ДИСПЕРГИРОВАНИЕМ ПОЛУФАБРИКАТОВ Лиопо В.А., Рыскулов А.А., Михайлова Л.В., Ахмадиева Л.В., Авдейчик С.В., Эйсымонт Е.И. (УМЦ «Промагромаш» ОАО «Белкард», г. Гродно, Беларусь) On the base of matrical representation of point groups of crystal symmetry it was investigated the general and partial forms of crystal. These forms are the polyhedrons. For nanomeasure crystal particles these polyhedrons convert to spheres, spheroids, three-axial ellipsoids, viscers, thinscales. The habit of nanocrystals depends on the point group of macrocrystals and their interatomic actions. Введение. При диспергировании кристаллов, начиная с размеров порядка долей миллиметра, форма микрочастиц определяется, в основном, особенностями их кристаллической структуры [1-4], т.е. их морфологическая симметрия соответствует точечной группе кристалла. В первом приближении можно сделать предположение о том, что структура наночастицы соответствует структуре в объеме, равном этой частице в пределах бесконечного в физическом смысле кристалла. Следовательно, если ρ(xyz) – структура кристалла, то кристаллическая структура частицы определяется условием ρρ ( xyz ) = δ ρ ρ ( xyz ) ,

141

(1)

где δ – фактор формы частицы, обладающий свойствами 1 в пределах частицы 0 вне частицы

δρ − 

(2)

Это предположение носит ограниченный характер и приемлемо для классов дисперсности не выше седьмого. Для более мелких частиц существенную роль начинает играть их поверхность, то есть полиэдрическая форма начинает исчезать и частица становится более гладкой без выраженных для полиэдров плоских граней и ребер. Однако и в этом случае точечная симметрия проявится в габитусе нанокристалла. 1.Точечные группы кристаллов Точечная симметрия характеризует объекты, которые при перемещении в пространстве при сохранении неподвижной хотя бы одной точки совпадают сами с собой. Если эту неподвижную точку совместить с началом координат декартовой системы, которая в данном случае называется кристаллофизической (КФ), и у которой координатные оси имеют направления ( xyz ) , то после выполнения точечного движения эти оси, закрепленные с объектом, займут положения ( x′y′z ′ ) . Это точечное движение описывается матрицей C вида [5]:

cos x ′x cos x ′y cos x ′z C ij = cos y ′x cos y ′y cos x ′z cos z ′x cos z ′y cos x ′z

(3)

Ячейка кристалла, построенная на трех некомпланарных трансляциях, в общем случае косоугольная и описывается шестью параметрами abc и αβγ (рис.).

Рис.1. Ячейка кристалла и ее линейные (a, b, c) и угловые (α, β, γ) параметры В кристаллофизике наряду с КФ координатной системой, используют, так называемую, кристаллографическую (КГ) систему, у которой оси направлены вдоль ребер ячейки, а за единицу измерения приняты линейные параметры a, b, с вдоль КГ координатных осей x, y, z соответственно. Для переходов между координатами точки в КГ- и КФ-системах используют условия:

142

x x x x   −1  y = М y , y = M y , z z КГ z КГ z КФ   КФ

(4)

где М, М-1 – соответственно прямой и обратный метрические тензоры, имеющие вид [6]:

  a (M ) =  0  0   1  a  M −1 =  0   0   a*r *  *  sin α = 0   0 

(

)

b cos γ b sin γ 0 ctgγ a 1 b sin γ

−

(

  с cos β  c (cos α − cos β cos γ ) sin γ  c⋅r   sin γ  cos γ cos α − cos β   ar sin γ  cos β cos γ − cos α  = br sin γ  sin γ  сr 

a * cos β * − cos γ * cos α * sin α * b * sin α * 0

)

(5)

 a * cos β *   b * cos α * ,  c*  

(6)

где r = (1 − cos 2 α − cos 2 β − cos 2 γ + 2 cos α cos β cos γ ) 2 , 1

(

r * = 1 − cos 2 α * − cos 2 β * − cos 2 γ * + 2 cos α * cos β * cos γ *

)

где a∗ , b∗ , с∗ , α ∗ , β ∗ , γ ∗ – линейные и угловые параметры ячейки обратной решетки []. Одно из многочисленных определений кристалла гласит: «Кристаллы это вещества, которые в качестве естественных форм характеризуется полиэдрами с плоскими гранями и ребрами в виде прямолинейных отрезков». Еще О. Бравэ в первой половине 19 века было установлено, что естественными гранями кристаллов являются плоскости с наибольшей плотностью атомов. Кристаллические полиэдры симметричны и их симметрия определяется точечной симметрией кристалла. 1.1. Матричное описание точечных симметрий кристаллов Пусть в кристалле имеется только ось вращения. Если эта ось направлена вдоль 2π оси z и минимальный угол поворота равен α = , где n – порядок оси, то поворот n вокруг этой оси описывается матрицей nα , которая на основании условия (3) имеет вид [5,6]:

143

 cos α , − sin α  nα =  sin α , cos α  0 0 

0  0 1 

(7)

Операции отражения в плоскости, совпадающей с координатной плоскостью yz

( mα ) ,

отражение в центре симметрии в точке с координатами (000)

(1) ,

вращения

вокруг оси 2, перпендикулярной оси z (2 x ) и вращения вокруг инверсионной оси nα , представляющей сочетание вращения вокруг оси n-го порядка с одновременным отражением в центре симметрии, описываются матрицами

 −1 0 0   −1 0 0  1 0 0   − cos α        ma =  0 1 0,(1) =  0 −1 0  , ( 2 x ) =−  0 1 0  , nα =  − sin α  0 0 1  0 0 −1  0 0 −1  0       

sin α − cos α 0

0  0  (8) −1

В кристаллах порядок осей вращения исчерпывается набором 1, 2, 3, 4, 6, а инверсионные оси могут иметь порядок 4 и 6. Все кристаллы можно разделить на две группы: кристаллы, у которых имеется какое-то единственное, не имеющего ему аналогов другое направление, называются кристаллами с единичным направлением. В противном случае говорят о кристаллах без единичного направления. Если в кристалле имеется только ось вращения, идущая вдоль единичного направления, совмещенного с осью z, то такие кристаллы относят к примитивным группам. Очевидно, что примитивных точечных групп кристаллов с единичным направлением пять. Если в кристалле имеется поворот вокруг оси и отражение в центре симметрии, то такие группы называются центральными. По такому же типу находят остальные группы, которые приведены в табл. 1. В этой таблице наряду с названием групп и их матрицами-генераторами приведены международные обозначения и число групп для их отдельных типов. В международной символике используют следующие обозначения элементов симметрии. Оси вращения обозначают их порядком n, то есть 1, 2, 3, 4, 6; центр симметрии – 1 , инверсионные оси обозначаются их порядком с чертой сверху, то есть n ( 3, 4, 6 ) . (Выражение читается «эн с чертой» или «инверсионная ось n-го порядка».) Плоскость отражения имеет обозначение m. Если плоскость перпендикулярна оси n-го порядка, то это обозначается n/m. Если m проходит через ось, то обозначается nm либо nmm. Все сказанное относится к кристаллам с единичным направлением. У кубических кристаллов обозначения построены по более сложному алгоритму, обозначения точечных групп кристаллов с единичным направлением следует просто запомнить. Естественно, что в обозначениях указывают только основные элементы симметрии, входящие в матрицы-генераторы точечных групп. Вся точечная группа строится путем перемножения матриц-генераторов друг с другом (в том числе и саму на себя), а также перемножением всех элементов, полученных при перемножении матриц, вплоть до построения множества, удовлетворяющего требованиям групповых постулатов [6].

144

Таблица. 1. Точечные группы кристаллов с единичным направлением Названия МатрицыЧисло Обозначения групп (символы) групп -генераторы групп Примитивные nα 1 2 3 4 6 5 (вращения) Центральные

nα 1

Планальные

nα ma

mm2

4mm

6mm

Аксиальные

nα 2 x

222

422

622

nα 2 x ma

mmm

nα

nα mx

42m

6 m2

Планаксиальные Инверсионнопримитивные Инверсионнопланальные

4 mmm 6 mmm

Матрицы-генераторы точечных групп кристаллов с единичным направлением включают в себя матрицы поворота вокруг оси 3, совпадающей с биссектрисой трехгранного угла, созданного координатными плоскостями (3 d ), а также отражение в плоскости, проходящей через ось x и через биссектрису угла между осями yz (m yz ), а также через ось 2, проходящей через эту же биссектрису (2 yz ). В табл. 2 приведены названия и матрицы-генераторы точечных групп кристаллов без единичного направления [5,6]. Таблица 2. Названия, матрицы-генераторы и символы (обозначения) точечных групп кристаллов без единичного направления Название Матрицы-генераторы Символ 3d 2 x = 3d 2 x 23 Примитивная Центральная

3d 2 x

Планальная

3d 2 x

m yz

43m

Аксиальная

3d 2 x

2 yz

432

План-аксиальная

3d 2 x

m yz

2 yz

m3m

В каждом типе точечных групп кристаллов с единичным направлением их всего по одной. Всех точечных групп кристаллов 32, из них 5 точечных групп кристаллов с единичным направлением и 27 без него. Все точечные группы распределены по семи сингониям, каждая из которых описывается определенными требованиями как к значениям параметров (угловых), так и к взаимозависимости параметров ячейки. Как показано в работе основную роль в распределении по сингониям играет точечная симметрия, и для каждой сингонии требуется строго определенный минимальный набор элементов точечной симметрии, которые также указаны в табл. 3. Ячейка кристалла должна соответствовать точечной симметрии кристалла в целом. У гексагональных и тригональных (в Н-установке) кристаллов это требование выполняется для группы из трех ячеек. 145

число неизвестных параметров

МТС

четыре оси 3 d , три оси 2 d

a=b

a, c

ось 4 или 4

α=β=90° γ=120°

a=b

a, c

ось 6 или 6

α=β=90° γ=120°

a=b

a, c

α=β=γ a=b=c

α, a

Кубическая

Тетрагональ α=β=γ=90° ная

Гексагональ ная

Тригона льная*

произвольные

Название

взаимосвязанные

фиксированные

Таблица 3. Параметры ячеек, минимальные (обязательные) точечные симметрии (МТС), распределение точечных групп для сингоний кристаллов Сингония Параметры

α=β=γ=90° a=b=c

ось 3 или 3

Точечны е группы

23, m3, 43m , 432, m3m 4, 4/m, 4mm, 422, 4/mmm, 4 , 42m 6, 6/m, 6mm, 622, 6/mmm, 6 , 6 m2 3, 3 , 3m, 32, 3m

общее число mm2, осей 2 и 5 α=β=γ=90° a, b, c 3 222, плоскостей m mmm не менее трех ось 2 и m, но Моноклинн a, b, c, 6 α=β=90° 4 каждой не 2, m, 2/m ая α более единицы a, b, c, ничего кроме 7 Триклинная 6 1, 1 α, β, γ 1, либо 1 * У кристаллов тригональной сингонии возможна установка координатных осей как у гексагональных кристаллов, но оси 6 и 6 отсутствуют (Н-установка), ячейка может быть представлена в виде ромбоэдра (R-установка). Переходы от Н- к Rустановке достаточно простые [5, 6]. ** Можно встретить название «орторомбическая». Ромбическа я**

2. Правильные формы кристаллов Грани кристалла всегда совпадают с определенными кристаллографическими плоскостями (hkl ) . Индексы hkl всегда целые числа и определяют однозначно ориентацию плоскости в базисе Бравэ кристалла, так как отсекают от осей

146

кристаллографической системы координат отрезки, равные a h,b k ,c l , соответственно от осей x, y, z. Если все грани кристалла связаны между собой точечной симметрией данного кристалла, то полученный многогранник является правильной формой этого кристалла. Если hkl принимают произвольные значения, то форма кристалла называется общей. Число граней общей правильной формы равно порядку группы. Грани общей правильной формы имеют индексы ( hkl ) f = ( hi ) f и определяются для всех сингоний, кроме гексагональной и тригональной в Н-установке по формуле ( hi ) f = g ( hi )1

(9)

Для гексагональных кристаллов расчет индексов граней правильных форм осуществляется по формуле [6] (10) ( hi ) f = M −1 gM ( hi )1 В формулах (9, 10) ( hi )1 –индексы грани, принятой за начальную. Индексы граней общих правильных форм и названия соответствующих полиэдров приведены в табл. 4. Для записи ( hi ) f приняты следующие сокращения. Если порядок индексов граней правильной формы не меняется, то над ними или перед ними указаны лишь их знаки. Например, группа 2/m имеет форму + − −   (h k l), (h k l), (h k l ), (h k l ) и в краткой форме записывается в виде ±  + + +  или h k l    + + −   (hkl ) . Запись hk l означает плоскости с циклической перестановкой ±  + + +

( )

индексов, т.е.

( hkl ) = (hkl), (klh ), (lhk ) . Запись

{hkl} = (hkl), (hlk ), (klh ), (khl), (lhk ), (lkh ) .

{hkl}

означает перестановку индексов

Если необходимо осуществить перестановку знаков, то над индексами ставят символ S. Например, группа 4mm имеет форму  S   ( hkl ) , ( hkl ) , ( hkl ) , ( h kl ) , ( khl ) , ( khl ) , ( khl ) , ( k hl ) , что тождественно  hk l  .    Для гексагональных и тригональных кристаллов в гексагональной установке (Нустановке) осей вводится индекс i=-h-k. В этом случае, например, записи ([hki]l) для группы 3 и ({hki}l) для группы 3m означают соответственно (h,k,(-h-k),l), (h,(-h-k),k,l) ((-h-k),k h 1) и (h,k,(-h-k)l, (h,(-h-k),k,l), (k,h(-k-h)l), (k,(-k-h),h,l), ((-h-k),h,k,l), ((-hk)k,h,l). Изображения многогранников общей правильной формы для всех 32 точечных групп приведены в табл. 5, причем эти многогранники будут сохранять свой вид для любых неравных друг другу hkl, но при этом могут меняться их геометрические размеры, например, будут увеличиваться или уменьшаться их высота для точечных групп с единичным направлением, которые относятся ко всем сингониям, кроме кубической. Реальные кристаллы могут иметь грани, относящиеся к разным формам, когда их грани соответствуют кристаллографическим плоскостям с различными индексами, что и приводит к различным формам одни и тех же кристаллов. Кроме того, на форму кристаллов влияют не только симметрия их решетки, но и характер взаимодействия между атомами.

147

Таблица. 4. Общие простые формы кристаллов и кристаллографические индексы их граней (hkl). ТГ – точечная группа в международном обозначении и ее порядок (п), которому равно число граней. Сингонии отделены друг от друга горизонтальными линиями ТГ Многогранни Многогранни № (hkl) ф № ТГ (п) (hkl) ф (п) к к дитетрагонал  S  1 моноэдр 1 4mm ( hkl ) 1 ьная  hk l 7 (8) (1) (педион)   пирамида ( ± ( hk ) l ) ,

{ }

(2)

1 8

± ( hkl )

пинакоид

422 (8)

2 (2)

диэдр (осевой)

− − + + + + h k l 

1 9

4 2m

m (2)

диэдр (планальный)

+ + − + + + h k l 

2 0

4/mm m (16)

2/m (4)

ромбическая призма

2 1

6 (6)

222 (4)

ромботетраэд р

− − − ±+ + + h k l  + − − − + + ( hkl ) − − + + + +

2 2

mm 2 (4) mm m (8)

ромбическая пирамида

 S    h k l    

2 3

6/m (12)

ромбическая бипирамида

 S  hk l  

2 4

622 (12)

3 (3)

тригональная пирамида

2 5

6mm (12)

ромбоэдр

2 6

6 m2

(12)

2 7

6/mm m (24)

( hkl ) H) ( hki l ) R) ( ± hkl ) H) ( ± hki l ) R)

1 0

(6)

1 1

3m (6)

R) {hkl} дитригональ ная пирамида H) ( ± hki l )

1 2

32 (6)

тригональны й трапецоэдр

1 3

тригональны й скаленоэдр

(12)

R) ( ± hkl H)

(

)

hki ± l

R) ± {hkl}

)

(8)

(6)

( ± ( kh ) l )

 S    h k l    

тетрагональн ый скаленоэдр

{ }

 S   hk ±l  

hki l

)

(

hki ± l

)

(±

hki ± l

(±

тригональная бипираида гексагональн ая бипирамида гексагональн ый трапецоэдр дигексагонал ьная пирамида дитригональн ая бипирамида дигексагонал ьная бипирамида

23 (12)

пентагонтритетраэдр

2 9

m3 (24)

дидодекаэдр

 S   k hl    

дитетрагонал ьная бипирамида гексагональн ая пирамида

2 8

148

( ± ( kh ) l ) ( ± ( hk ) l ) ,

тетрагональн ый трапецоэдр

(± (±

)

), l)

hki l hki

( ± {hki} l )

( (

hki ± l h k l

)и ± l)

({hki} ± l ) − − + +

− + − +

+ − hkl − +

 S   hkl   

Продолжение табл. 4 H)

( 1 4

4 (4)

тетрагональн ая пирамида

1 5

(4)

тетрагональн ый тетраэдр

1 6

4/m (8)

тетрагональн ая бипирамида

(

hki l

или hik

)

( ± ( hk ) l ) и

( ± ( kh ) l )

( ± ( hk ) l ) и

( ± ( kh ) l )

( ( hk ) ± l ) и

(( kh ) ± l )

(12)

гексоктаэдр

− − + +

− + − +

+ − {hkl} − +

3 1

432 (24)

пентагонтриоктаэдр

− − ±+ + 

− + − +

+ − − +

3 2

m3m (48)

гексатетраэдр

3 0

4 3m

(

hkl

)

   

{ } S

hkl

Если, например, в кристалле атомы расположены слоями, причем в пределах слоя межатомная связь намного сильнее чем связь между слоями, как в кристаллах графита и слюд, то, несмотря на их различные сингонии (графит относится к гексагональной, а слюда – к моноклинной сингонии), кристаллы у этих веществ имеют одинаковую форму тонких пластинок – чешуек. У этих кристаллов атомы в слоях связаны валентными силами, а межслоевое воздействие имеет Ван-дер-Ваальсовую природу.

Ромбическая

Триклинная, моноклинная

Сингонии

Таблица 5. Изображения полиэдров общих правильных форм кристаллов для различных точечных групп Полиэдры

Моноэ др (педио н)

Пинакоид

Диэдр (осевой)

Диэдр (планальный)

Ромбическая призма

Ромботетраэдр

Ромбическая пирамид а

Ромбическая бипирами да

149

Кубическая

Гексагональная

Тетрагональная

Тригональная

Продолжение табл. 5

Тригонал Ромбоэдр Тригональ- Дитриго- Тригональный нальная ный ь-ная пирамида трапецоэдр пирамида скаленоэдр

Тетраго- ТетрагоТетраго- Дитетраго- Дитетрагональная нальная нальный нальная нальная пирамида бипирамида трапецоэдр пирамида бипирамида

Тетрагональный тетраэдр

Гексаго- ГексагоГексаго- Дигексаго- Дигексаго- Тригональ нальная нальная нальный нальная нальная -ная пирамида бипирамида трапецоэдр пирамида бипирамида бипирами да

Тетрагональный скаленоэ др

Дитригональная бипирам ида

Пентагон Дидоде- Пентагон- Гекса- Гексоктаэдр -тетраэдр каэдр -триоктаэдр тетраэдр

Если в качестве исходной грани взять плоскость (0 0 1), то для полярных кристаллов с единичным направлением вдоль оси Ζ простая форма – моноэдр, для неполярных – пинакоид. В этом легко убедиться, если взять индексы граней соответствующих общих форм и подставить значения h = k = 0. В тригональных кристаллах при установке оси 3 параллельно [111] (R – установка) для получения пинакоида (группы 3 , 32, 3 m ) или моноэдра (группы 3, Зm) в качестве исходной необходимо взять плоскость (111). Если в качестве исходной плоскости для кристаллов с единичным направлением взят боковой пинакоид (плоскости (h 0 0) или (0 k 0)), то наряду с рассмотренным возникают некоторые новые простые формы, которые для кристаллов с единичным направлением приведены в табл. 6, в которой указаны названия полиэдров, но не приведены их изображения, так как эти полиэдры известны.

150

Таблица 6. Частные правильные формы кристаллов при исходной грани ( h00 ) Группы

Полиэдр

1, m

моноэдр

2, 1 , 2/m, mm2, 222, mmm

пиканоид

3 (H- установка)

тригональная призма

тетрагональные*

тетрагональная призма

Индексы граней

( h00 ) ± ( h00 )

( h0h 0 ) ( ± h0 0 ) ( ± h0h 0 )

гексагональные и гексагональная призма тригональные** * Все группы тетрагональной сингонии. ** Все группы гексагональной и для Н-установки тригональной (кроме 3) сингоний. При исходной грани (h k 0), когда h ≠ k, возникают как известные, так и новые формы кристаллов с единичным направлением (табл. 7). Исходные грани типа (h 0 1), (0 k l) или (h h 0) для кристаллов с единичным направлением не приводят к возникновению новых форм. Для тригональных кристаллов в табл. 6 и 7 приведена только гексагональная установка осей:, α=β=90° γ=120°, a = b, c . Получить индексы граней чистых правильных форм тригональных кристаллов при R – установке координационных осей можно на основании табл. 2, взяв за исходную грань (hhh). В кристаллах без единичного направления (кубическая сингония) наряду с общими простыми формами, возможны частные при исходных плоскостях: (h h h ), (h 0 0) ≡ (0 k 0) ≡ (0 0 l) , (h k 0) ≡ (h 0 l) ≡ (0 k l) , (h h 0) ≡ (h 0 h ) ≡ (0 k k ) , (h h l) ≡ (h k k ) ≡ (h k h ) . Очевидно, что частные простые формы могут быть получены из общих простых форм кристаллов соответствующих точечных групп при подстановке индексов исходной грани частной формы. При исходной плоскости (h h l) в зависимости от величины индексов h и 1 полиэдры, изображающие простую форму кубических кристаллов имеют разный вид, хотя индексы граней формы одинаковы. Различие полиэдров при исходной плоскости (h k 1) для случаев h<l и h>l можно доказать, анализируя грани форм, приведенных в табл. 4. Из фигур, полученных при сечении полиэдров, соответствующих простым формам кристаллов без единичного направления, координатной плоскость, например, z=0 видно, что при h<l в сечении лежит дитетрагон, а при h>l – тетрагон. Очевидно, что это может выполняться лишь при различии полиэдров для условий h<l и h>l. Таблица. 7. Частные простые формы кристаллов с единичным направлением (исходная грань ( hk 0 ) )* Группы

Полиэдр

1, m

моноэдр

2, 1 , 2/m, mm2, 222, mmm

пинакоид

3, 6

тригональная призма

( hki 0)

4, 4 , 4/m

тетрагональная призма

S   S    h k0, h k 0    

151

Индексы граней

( hk 0 ) ± ( hk 0 )

Продолжение табл. 7

( ± hki 0)

6, 6 , 6/m

гексагональная призма

32, 3m, 6 m2

дитригональная призма

({hki} 0 )

4mm, 422, 4/mmm, 42m

дитетрагональная призма

 S   h k 0  

6mm, 622, 6/mmm, 3 m

дигексагональная призма

{ }

( ± hki 0) и ( ± hik 0)

Тригональные группы в Н-установке.

Кристаллы кубической сингонии не имеют единичного направления. Естественно, такое направление отсутствует у полиэдров их частных форм. Так как при «сглаживании» граней и ребер этих полиэдров во всех точечных группах и для всех исходных граней получаются одинаковые фигуры с осями порядка ∞, то в табл. 8 приведены названия полиэдров и число граней. Изображения этих полиэдров можно найти, например, в работах [2 – 5]. Таблица. 8. Частные простые формы кубических кристаллов Индексы Индексы граней исходной Полиэдр Группы правильной формы грани 23, m3, 43m , 432, ± {h00} куб (6) ( h00 ) m3m 23, m3, 43m , 432, m3m

( hh0 )

ромбододекаэдр (12)

{ }

23, m3

( hk 0 )

пентагондодекаэдр (12)

hk 0

43m , 432, m3m

( hk 0 )

тетрагексаэдр (24)

23, 43m

( hhh )

тетраэдр (4)

m3, 432, m3m

( hhh )

октаэдр (8)

h<l 23, 43m

hhl

h>l h<l

m3, 432, m3m

hhl

h>l

тригонтетраэдр (12) тетрагонтритераэдр (12) тригонтриоктаэдр (24) тетрагонтриоктаэдр (24)

hh0 S

{ } S

h k0

+ + − −

+ − + −

+ − − ( hhh ) +

{ } S

h hh

+ + − −

+ − + −

+ − − ( hhl ) +

{ } S

h hl

В табл. 6, 7, 8 для краткой записи индексов граней частных правильных форм кристаллов использованы те же методики записи, что и в таблице общих правильных форм (табл. 4).

152

3. Габитус наночастиц, полученных при диспергировании крупных кристаллов На форму крупных кристаллов существенное влияние оказывает не только их точечная симметрия, но и различные дефекты: дислокации, включения, трещины, каверны и т.п. Чем меньше кристалл, тем большую роль играет их точечная симметрия. При этом следует учитывать, что габитус микрокристалла объясняется сочетаниями общих и частных простых форм. Например, для группы m3, 432, m3m возможно сочетание граней октаэдра и граней куба. Кристалл будет иметь форму кубоктаэдра, которая не является простой, ибо ее грани образуют два семейства симметрично  S  связанных друг с другом плоскостей. Грани кубоктаэдра имеют индексы  (kkk ) ,  

{ } S

h00 , где k и h принимают произвольные значения, но так, чтобы грани октаэдра и

куба пересекались. При диспергировании кристалла, пока поверхностные силы не играют существенную роль в формировании габитуса частицы, эти частицы имеют форму полиэдров. Кристалл при его механическом дроблении ограничивается плоскостями с наибольшей ретикулярной плотностью, то есть с наибольшим числом атомов на единицу поверхности. Взаимосвязи между простыми формами и возможными сочетаниями в кристаллах легко просматриваются из приведенных таблиц кристаллографических индексов их граней. Как простые формы, так и их сочетания описывают габитус микрочастицы, до тех пор, пока поверхностные силы не имеют решающего влияния на взаимоконфигурацию атомов. Когда поверхностные силы велики, то в кристаллических многогранниках в соответствии с принципом наименьшей энергии для равновесных состояний форма микрочастицы преобразуется в сферы, эллипсоиды вращения или трехосные эллипсоиды. То есть точечные группы кристаллов с большой степенью вероятности позволяют предсказать форму наночастиц, полученных на их основе. Другими словами точечные группы габитуса нанокристаллов являются предельными переходами точечных групп кристаллов, из которых путем их диспергирования получены нанокристаллы. Для нанокристаллов на основе кристаллов кубической сингонии наиболее вероятной формой является сфера. Для средних сингоний – эллипсоид вращения, отношения длин осей в котором определяется взаимодействием между атомами. Для кристаллов со спайностью размер кристаллита может быть много меньше вдоль оси вращения эллипсоида, чем размер в перпендикулярном направлении, то есть частица будет чешуйчатой. В противном случае частица имеет игольчатую (вискерную) форму. У наночастиц, полученных диспергированием кристаллов низших сингоний, их наиболее вероятной формой является трехосный эллипсоид с различными отношениями его осей. В предельных случаях этот эллипсоид может быть настолько сжатым, что частица приобретает форму чешуйки, либо настолько вытянутым, что можно говорить об игольчатой (вискерной) форме. Возможна ситуация, когда, например, чешуйка может иметь толщину несколько нанометров, а ее поперечный размер – несколько микро- или милли- и даже сантиметров. В этом случае следует говорить об одномерном нанообъекте. Игольчатый (вискерный) габитус наночастиц приводит к двухмерной наночастице. Сферолитные наночастицы – это трехмерные нанообъекты.

153

Заключение. Выполненный анализ индексов граней правильных (общих и частных) форм кристаллов позволяет не только найти формы полиэдров кристаллов, полученных при диспергировании макрокристаллических образцов, но и найти форму нанокристаллов, полученных на их основе. Наночастицы можно получать не только диспергированием достаточно крупных объектов, но и при выращивании их из газовой или жидкой сред. В этом случае габитус наночастиц может отличаться от габитуса наночастицы, полученной диспергированием, но этот вопрос требует дополнительного изучения. Список литературы: 1. Полинг Л., Полинг П. Химия. М.: Мир, 1978. – 683с. 2. Бондарев, В. П. Основы минералогии и кристаллографии. / В. П. Бондарев. – М.: Наука, 1978. – 318с. 3. Костов, И. Кристаллография / И. Костов. – М.: Мир, 1965. – 528с. 4. Шаскольская, М. П. Кристаллография. / М. П. Шаскольская. – М.: Высшая школа, 1976. – 391с. 5. Лиопо, В.А. Введение в физику наноразмерных частиц. / В.А. Лиопо, В.А. Струк, С.В. Авдейчик. // Промышленность региона: проблемы и перспективы инновационного развития. – Гродно: ГГАУ. 2008. – С. 223 – 272. 6. Вайнштейн, Б. К. Современная кристаллография / Б. К. Вайнштейн. Т. 1. – М.: Наука, 1979. – 383с. 7. Лиопо, В. А. Матричная кристаллография. / В. А. Лиопо. – Гродно, 1998. – 78с. 8. Лиопо, В.А. Гексагональная решетка в четырехмерном пространстве. / В.А. Лиопо // Весці НАН РБ, сер. ф.-м. навук. 1999. -- №4. – С. 103 – 106. 9. Лиопо, В.А. Габитус нанокристаллов / В.А. Лиопо // Наноразмерные системы-2. В. 4. Гродно. – 2005. – С. 175 – 186. 10. Дункен, Х. Квантовая химия адсорбции на поверхности твердых тел. / Х. Дункен, В. Лыгин. – М.: Мир. – 1980. – 288с. 11. Гусев, А.И.. Наноматериалы, наноструктуры, нанотехнологии. / А.И. Гусев – М.: Физматлит. – 2005. – 416с. МОДИФИКАТОРЫ ПОЛИМЕРНЫХ НАНОКОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ Ч. 4. СТРУКТУРА И ГАБИТУС НАНОЧАСТИЦ, ПОЛУЧЕННЫХ КОНДЕНСИРОВАНИЕМ Лиопо В.А., Рыскулов А.А., Михайлова Л.В., Ахмадиева Л.В., Авдейчик С.В., Эйсымонт Е.И. (УМЦ «Промагромаш» ОАО «Белкард», г. Гродно, Беларусь) The nanoparticles habit are analysed by the close packing of atoms method. It was described the Face Centered Cubic and Inter Centered Cubic lattices and so hexagonal close packing and on their basis the form of nanoparticles were investigated. It was analysed the particles which are growthed from liquid or gas states. The forms of fullerenes are considered as 3-D projection of multimeasure regular lattices. The theory of generalized regular lattices use the gold ratio as element of matrical representation of symmetrical point groups and this method gives possibilities to described the habits of fullerene-like objects. Введение. В работе [1] рассмотрены геометрические характеристики наночастиц, полученных при диспергировании крупных (макроразмерных) кристаллов. Но частицу можно получить и путем конденсации атомов вещества из жидкости (раствора, расплава) или газа. При этом центрами роста часто служат атомные агрегаты вещества, частицы или кристаллы которого требуется получить. В простейшем варианте рассмотрим случай, когда вещество моноатомное. Тогда форма атома моделируется сферой, а центром роста является отдельный атом. Следовательно, в рамках такого

154

приближения можно использовать модели шаровых упаковок [2, 3]. Для такого вида атомных систем вводится ряд характеристик, из которых, на наш взгляд, основными являются следующие: координационное число (КЧ) – это число шаров, контактирующих с выбранным за начальный атомом (шаром); коэффициент упаковки (компактности) (К), который определяется отношением суммарного объема всех атомов в частице V a к общему объему частицы V ч . Для шаров одинакового радиуса r справедлива формула: 4 3 πr N 3 , (1) K= Vч где N – число атомов в объеме частицы или любом другом объеме. Атомы, контактирующие с начальным, находятся на одинаковом от него расстоянии и их центры расположены на первой координационной сфере. Атомы, примыкающие к атомам первой координационной сферы, формируют вторую координационную сферу и так далее. Если пренебречь тепловым движением, то есть считать, что центры атомов или центры объема, внутри которого они колеблются, неподвижны, то радиусы координационных сфер могут быть определены до сколь угодно больших n (R n ), где n – номер координационной сферы. 1.Шаровые упаковки как модели моноатомных структур В общем случае шаровых упаковок может быть бесчисленное множество, но для атомов, с учетом их взаимодействия друг с другом, число таких упаковок не столь велико, особенно для атомов одного сорта. Если атом моделируется шаром, то следует говорить об изодесмичности межатомных связей. При выполнении этих условий коэффициент упаковки будет наибольшим. Для атомных шаровых упаковок, с учетом того, что при дальнейшем росте должен сформироваться макрокристалл с определенной симметрией [4], при описании атомных плотнейших упаковок рассматриваются две основные возможности. На плоский слой плотнейшей шаровой упаковки (рис. 1) можно наложить второй аналогичный слой. При этом атомы второго слоя находятся над пустотами между тремя шарами первого слоя. Это показано на рис. 2, на котором для большей Рис. 1. наглядности шары немного раздвинуты [3]. При наложении третьего слоя шаров возможны два Плотнейшая плоская шаровая варианта. В первом варианте каждый шар третьего слоя лежит на трех шарах второго слоя таким образом, что под шаром упаковка третьего слоя нет шара в первом слое. Во втором – каждый шар третьего слоя тоже лежит на трех шарах второго слоя, но под каждым шаром третьего слоя оказывается шар в первом слое. В обоих вариантах коэффициент компактности одинаков и равен К=0,741. Одинаковы у них и координационные числа, равные 12. Если шаровым слоям с различными конфигурациями атомов относительно прилегающих к ним слоев давать обозначения, то Рис. 2. упаковка по первому варианту имеет вид …АВСАВС…, а по Укладка второго второму – …АВАВАВ…. Упаковки по первому варианту слоя шаров в плот- формируют гранецентрированные кубические (ГЦК) решетки, по нейшей упаковке второму – гексагональные плотные упаковки (ГПУ), которые представлены на рис. 3.

155

Рис. 3. Плотнейшие упаковки шаров по кубическому (а) и гексагональному (б) законам [3] Кроме указанных упаковок возможны и другие, с меньшими коэффициентами компактности. Среди упаковок, встречающихся у кристаллических моноатомных веществ, следует назвать объемно-центрированную (ОЦК) решетку, в основе которой лежит плоский шаровой слой, у которого центры шаров образуют квадратную сетку (слой А на рис. 4). В пустотах между четырьмя шарами слоя А располагаются шары второго слоя (слой В, рис. 4). Центры этих шаров также образуют квадратную сетку. Шары третьего слоя повторяют слой А. Кристаллы с решеткой ОЦК характеризуются коэффициентом компактности, равным К=0,680. Если атомы второго слоя расположены точно над атомами слоя А, то создается примитивная кубическая упаковка (ПКУ) с коэффициентом компактности, равным К=0,524. Решетки типа ПКУ у моноатомных структур не встречаются, но они возможны у некоторых молекулярных (то есть многоатомных) кристаллов.

Рис. 4. Образование объемно-центрированной упаковки В табл. 1, 2, 3 приведены характеристики решеток металлов ГЦК-, ГПУ- и ОЦК-типов. Таблица 1. Кристаллы с ГЦК-решеткой. Пространственная группа Fm3m, z*=4, КЧ*=12 элемент a Å (T=300K) rÅ ρ г/см3 Актиний 5,311 1,88 10,07 Алюминий 4,04955 1,43 2,698 Америций 4,894 1,73 13,14 γ-Железо 3,6467 1,29 7,648 Золото 4,07832 1,44 19,303 Иридий 3,8368 1,35 22,650 α-Иттербий 5,4862 1,940 6,959 α-Кальций 5,582 1,97 1,540 β-Кобальт 3,5440 1,26 8,720 β-Лантан 5,285 1,87 6,186 Литий 4,379 1,56 0,540 γ-Марганец 3,855 1,36 6,368 Медь 3,6147 1,275 8,936 156

Продолжение табл. 1 Никель 3,5238 1,25 8,908 Палладий 3,89069 1,37 12,027 Платина 3,9238 1,385 21,447 δ-Плутоний 4,6370 1,64 15,92 Родий 3,8044 1,34 12,414 Свинец 4,9500 1,75 11,339 Серебро 4,08591 1,44 10,499 α-Стронций 6,0847 2,15 2,578 α-Торий 5,0843 1,79 11,724 α-Церий 4,85 1,71 8,23 γ-Церий 5,1612 1,825 6,768 *z – число атомов на ячейку, КЧ – координационное число, а – параметр ячейки, r – радиус атома, ρ – плотность. Таблица 2. Кристаллы с ГПУ-решеткой. Пространственная группа z=2, КЧ=12, а, с – периоды решетки r* Å элемент aÅ сÅ с/а Бериллий 2,22 2,2853 3,5829 1,568 2,28 α-Гадолиний 3,57 3,6360 5,7826 1,590 3,64 α-Гафний 3,12 3,1946 5,0510 1,581 3,19 Гольмий 3,48 3,5773 5,6158 1,570 3,58 Диспрозий 3,50 3,5903 5,6475 1,573 3,59 α-Иттрий 3,54 3,6474 5,7306 1,571 3,65 Кадмий 2,98 2,9787 5,6166 1,886 3,29 α-Кобальт 2,49 2,5074 4,0699 1,623 2,51 α-Лантан 3,73 3,770 12,159 3,225 3,77 Литий 3,10 3,111 5,093 1,637 3.10 Лютеций 3,43 3,5031 5,5509 1,585 3,50 Магний 3,19 2,20928 5,21023 1,624 3,20 Натрий 3,77 3,767 6,154 1,634 3,77 α-Неодим 3,62 3,6579 11,7992 3,226 3,66 Осмий 2,67 2,7353 4,3191 1,579 2,74 α-Празеодим 3,63 3,6725 11,8354 3,223 3,67 Рений 2,74 2,760 4,458 1,615 2,76 Рутений 2,64 2,7057 4,2815 1,582 2,71 α-Самарий 3,59 3,621 26,25 7,241 3,63 α-Скандий 3,20 3,3090 5,2733 1,594 3,25 β-Стронций 4,31 4,319 7,071 1,635 4,31 α-Талий 3,40 3,4564 5,5247 1,598 3,46 α-Тербий 3,52 3,6010 5,6936 1,581 3,60 Технеций 2,70 2,735 4,388 1,604 2,73 α-Титан 2,89 2,9504 4,6833 1,587 2,95

157

С 6/mmm, ρ г/см3 1,845 7,895 13,25 8,803 8,536 4,472

6,162 0,579 9,740 1,738 7,54 7,004 21,04

2,985

8,272 11,497 4,505

Продолжение табл. 2 Тулий 3,44 3,5375 5,5546 1,570 3,54 9,332 Цинк 2,66 2,66466 4,9469 1,856 2,91 α-Цирконий 3,17 3,2312 5,1477 1,593 3,23 6,565 Эрбий 3,5588 5,5874 1,570 3,46 3,56 9,051 *Указана анизотропия атомных размеров: левое значение r – в плоскости ( 00l ) , правое – вдоль [ 00w] . На первый взгляд может показаться, что модель шаровых упаковок является лишь грубым приближением для описания решеток многоэлектронных атомов, так как сферической симметрией обладают лишь электронные S-орбитали, которые имеют значения квантовых чисел l и m, равные нулю [4]. Однако, во-первых, многие атомы металлов, переходя в ионные состояния, на внешней оболочке имеют именно Sсостояния электронов. А, во-вторых, даже при невыполнении этого условия, например, для металлов из средней области периода таблицы Д.И. Менделеева, вследствие гибридизации электронных орбиталей электронная конфигурация атома обоснованно может моделироваться жестким шаром, то есть обладает сферической симметрией [4, 5]. В-третьих, справедливость модели шаровых упаковок для металлов подтверждается экспериментальными результатами, представленными в табл. 1 – 3. Таблица 3. Кристаллы с ОЦК-решеткой. Пространственная группа Jm3m, z=2, КЧ=12 элемент a Å (T=300K) rÅ ρ г/см3 Барий 5,019 4,352 3,607 Ванадий 3,0258 2,632 6,015 Вольфрам 3,1651 2,748 19,25 β-Гадолиний 4,06 3,62 7,80 β-Галий 3,545 3,07 13,30 4,5820 4,084 5,245 Европий 2,86645 2,482 7,88 α-Железо 3,90 3,66 4,25 β-Иттрий 4,45 3,96 6,52 β-Иттрий (2) 5,344 4,626 0,8517 Калий 4,26 3,80 5,97 γ-Лантан 3,5093 3,036 0,5326 Литий 3,075 2,66 6,27 δ-Марганец 3,1474 2,724 10,22 Молибден 4,2906 3,714 0,9660 Натрий 4,13 3,68 6,80 β-Неодим 3,3004 2,858 8,581 Ниобий 4,13 3,68 6,64 β-Празеодим 5,710 4,942 0,5327 Рубидий 4,07 3,62 7,40 β-Самарий 3,882 3,352 11,60 β-Таллий 3,3029 2,860 16,671 Тантал 3,065 2,864 5,52 β-Титан 3,528 3,052 18,06 γ-Уран 2,8849 2,498 7,19 Хром 158

Продолжение табл. 3 Цезий δ-Церий β-Цирконий

6,079 4,11 3,6090

5,264 3,66 3,124

0,9645 6,67 6,406

2.Атомные координации в полиэдрах плотнейших атомных упаковок При формировании частиц начиная с отдельного атома метод шаровых упаковок дает возможность определить форму частиц в нанодиапазоне (10 – 9 разряды по классификации, приведенной в работе [6]). В отличие от метода получения наночастиц диспергированием, когда поверхность играет существенную роль в образовании слоя Бейлби, в методе шаровых упаковок следует говорить о формировании полиэдров при увеличении числа координационных сфер, при их заполнении атомами, при росте частицы. Так как для указанных типов упаковок (ГЦК, ГПУ, ОЦК) алгоритм заполнения координационных сфер известен. При заполнении внешней координационной сферы растущей частицы будет получено наиболее устойчивое состояние этой частицы [7]. Если в граничной координационной сфере находится всего один или два атома, то они будут «сорваны» при каком-либо внешнем воздействии или за счет флуктуации их теплового движения и перейдут в частицу, где есть вакансии на внешней координационной сфере [7]. Следовательно, величины N играют для наночастицы роль своеобразных «магических чисел», причем их значения зависят от характера упаковки атомов. Это правило должно выполняться для наночастиц любого типа, а не только для ГЦК-, ГПУ-, ОЦК-решеток, но при отсутствии известного правила заполнения последующих координационных сфер необходимо привлекать статистические методы и расчет габитуса частиц будет носить вероятностный характер. Радиус координационных сфер в ГЦК-структуре при радиусе атома (шара) r=1 всегда равен R= n,

(2)

где n – номер координационной сферы. Для ГПУ-структур условие (2) не выполняется, как оно не выполняется и для ОЦК-структур [8, 9]. Характеристики координационных сфер для ГЦК-, ГПУ-, ОЦКструктур указаны в табл. 4, 5, 6. В этих таблицах приведены обозначения: R – радиусы координационных сфер, причем для первой он равен диаметру шара, N – число атомов на координационной сфере при ее завершенном заполнении. Для ГЦК-решеток сохранены последовательности сфер в соответствии с формулой (2), причем для некоторых из них заполнение отсутствует, то есть N=0 (см. номера сфер 30, 46, 56, 62, 78, 94). Таблица 4. Радиусы координационных сфер и их числа заполнения для ГЦК-структур R2 N R2 N R2 N R2 N 1 12 26 24 51 48 76 72 2 6 27 96 52 72 77 96 3 24 28 48 53 72 78 0 4 12 29 24 54 32 79 96 5 24 30 0 55 144 80 24

159

Продолжение табл. 4 6 8 7 48 8 6 9 36 10 24 11 24 12 24 13 72 14 0 15 48 16 12 17 48 18 30 19 72 20 24 21 48 22 24 23 48 24 8 25 84 Таблица 5. Радиусы структур R2 N 1 12 2 6 8/3 2 3 18 11/3 12 4 6 5 12 17/3 12 6 6 19/3 6 20/3 12 7 24 22/3 6 25/3 12 9 12 29/3 24 10 12 31/3 12 32/3 2 11 12 34/3 6 35/3 24 12 6

31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50

96 6 96 48 48 36 120 24 48 24 48 48 120 24 120 0 96 24 108 30

56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75

0 96 72 72 48 120 0 144 12 48 48 168 48 96 48 48 30 192 24 120

81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100

108 96 120 48 144 24 144 24 96 72 144 48 144 0 48 8 240 54 120 84

координационных сфер и их числа заполнения для ГПУR2 41/3 43/3 44/3 15 46/3 47/3 16 49/3 17 53/3 18 55/3 56/3 19 59/3 61/3 21 65/3 22 67/3 68/3 23 70/3

R2 25 26 79/3 80/3 27 82/3 83/3 28 85/3 29 89/3 91/3 92/3 31 94/3 95/3 97/3 33 101/3 34 35 107/3 36

N 12 6 24 12 12 24 6 12 24 24 18 12 12 24 12 12 36 24 12 18 12 24 12 160

N 36 24 12 12 42 6 12 24 12 12 36 12 24 72 12 24 12 48 24 24 24 12 18

R2 113/3 38 115/3 116/3 39 118/3 119/3 40 121/3 41 125/3 42 127/3 128/3 43 130/3 131/3 45 137/3 139/3 140/3 47 142/3

N 12 24 12 36 36 6 24 12 12 24 48 36 12 2 72 12 12 60 36 6 24 48 12

Продолжение табл. 5 37/3 12 13 24

71/3 24

48 2

109/3 37

24 72

143/3 48

24 6

Таблица 6. Радиусы координационных сфер и их числа заполнения для ОЦК-структур R2 N R2 N R2 N R2 N 1 8 25 56 148/3 24 224/3 48 4/3 6 76/3 24 152/3 72 227/3 120 8/3 12 80/3 24 155/3 96 76 48 11/3 24 83/3 72 160/3 24 232/3 24 4 8 28 48 163/3 24 235/3 48 16/3 6 88/3 24 164/3 96 236/3 72 19/3 24 91/3 48 56 48 81 104 20/3 24 32 24 57 120 244/3 72 8 24 33 72 172/3 24 248/3 96 9 32 100/3 30 176/3 24 251/3 168 32/3 12 104/3 72 179/3 120 256/3 6 35/3 48 107/3 72 60 72 259/3 96 12 30 36 32 184/3 48 260/3 96 40/3 24 115/3 48 187/3 48 88 96 43/3 24 116/3 72 64 8 89 48 44/3 24 40 48 65 96 268/3 24 16 8 41 48 196/3 54 272/3 48 17 48 128/3 12 200/3 84 275/3 120 52/3 24 131/3 120 203/3 96 92 96 56/3 48 44 48 68 48 280/3 48 59/3 72 136/3 48 208/3 24 283/3 72 64/3 6 139/3 72 211/3 72 96 36 67/3 24 140/3 48 212/3 72 97 96 68/3 48 48 30 72 96 292/3 48 24 36 49 56 73 96 296/3 120 Хотя для ГПУ- и ОЦК-структур условие (2) не выполняется, но R2 везде описывается рациональным числом (табл. 5 и 6). Зная размер наночастицы и диаметр атома (см. табл. 1 – 3), можно определить число ее координационных сфер. Чем больше число атомов на внешней оболочке таких полиэдров, тем ниже их поверхностная активность, так как уменьшается поверхностная ретикулярная плотность. Но в то же время габитус наночастицы, сформированной по правилам шаровых упаковок, может определяться поверхностями полиэдров двух (а возможно и более) координационных сфер. Следовательно, на поверхностную активность наночастиц, например, при их использовании в качестве модификаторов композиционнх материалов, будет влиять не только их размер, но и их габитус. Аналогичные таблицы рассчитаны и для структур с ПКУ-структурами, но они встречаются очень редко, поэтому мы их не приводим. Их описание можно найти в работах [8, 9]. 3.Некристаллографическая симметрия габитуса наноразмерных атомных координационных полиэдров

161

Если атомный полиэдр, сформированный вокруг отдельного атома, как это следует из таблиц, может иметь различное число атомов на координационных сферах, то есть характеризуется пониженной ретикулярной плотностью, то на его поверхность могут осаждаться атомы другой (последующей) координационной сферы с образованием даже более устойчивой структуры, по сравнению с полиэдром, ограниченным атомами одной координационной сферы. На эту особенность шаровых упаковок обратил внимание Н.В. Белов [2]. Примеры структуры полиэдра с некристаллографической симметрией приведены на рис. 5 и 6, которые взяты из работы [2]. В системе на рис. 5 42 «шара», что соответствует числу шаров в ГКЦ-упаковке. Но шары (здесь суббелковые частицы) внешнего слоя находятся на разных расстояниях. Эта частица сформирована по принципу «жадного алгоритма» (ЖА), когда ее формирование идет не вокруг центрального атома, а вокруг тетраэдра из четырех атомов (шаров). Атомы последующего слоя располагаются во впадине между тремя атомами предыдущего слоя, то есть опять формируется тетраэдр. Эта последовательность может быть выполнена в пределах ограниченного объема, в котором коэффициент компактности больше, чем в плотнейших ГЦК- и ГПУ-решетках. Именно поэтому такая упаковка получила название «жадного алгоритма». Такая частица очень устойчивая, трудно Рис. 5. Раковый поддается влиянию внешних воздействий. Этот габитус вирус с поверхностью свойственен многим вирусам, а возможно и другим частицам, идеального икосаэ- которые влияют на нашу жизнь, а человек, к сожалению, дра, образованной 42 часто бессилен перед миром нано- и микрочастиц (10 – 8 сферическими суббел классы по классификации работы [6]). При дальнейшем росте частицы, сформированной по ковыми частицами жадному алгоритму соблюдения условия формирования по созданию тетраэдров приводит к резкому уменьшению коэффициента компактности, который уже в миллиметровом диапазоне размеров будет меньше, чем 0,740. Если в полиэдре рис. 6 продолжить пары граней вдоль осей x, y, z прямоугольных координатных систем отдельных частей приведенного многогранника, то будет получен куб, описанный вокруг триаконтаэдра. Следует отметить, что рассмотренный метод анализа комплексов применим не только для моноатомных, но и для более сложных веществ. Крупные додекаэдрические молекулы, которые, вообщето, проявляются в правильных формах кубических кристаллов [1], экспериментально обнаружены в Рис. 6. Ромбический структуре гидрата хлора Cl 2 ∙8H 2 O (6Cl 2 ∙48H 2 O). Каждая триаконтаэдр – простая такая частица состоит из 20 молекулярных групп H 2 O, форма некристаллограсполагающихся по вершинам правильного или почти рафического класса 532/m правильного додекаэдра, окружающего центральную (шесть осей L5, десять L3 H 2 O, вместо которой может быть взята и другая и пятнадцать L2) молекула (H 2 S, CH 4 ). Такими молекуламидодекаэдрами, однако, невозможно выполнить пространство без пропуска, и в той же структуре гидрата хлора, помимо приходящихся на элементарную кубическую ячейку двух додекаэдров с 1+20 частицами H 2 O, можно увидеть еще тройное число 24-

162

вершинников из тех же H 2 O. Каждый такой 24-вершинник представляет собой 14-гранник с 12 пятиугольными и двумя шестиугольными гранями (рис. 7).

Рис. 7. Две формы больших Рис. 8. Крупный молекулярный молекулярных водных агрегатов в агрегат воды гидрате хлора: 12-гранники с 20 вершинами и 24-грнники с 14 вершинами Отдельно крупная молекула воды, точнее агрегатов молекул H 2 O, с тетраэдрической симметрией в виде полиэдра с 28 вершинами и 16 гранями, из которых 12 – это пентагоны, а 4 – гексагоны, представлена на рис. 8. Заметим, что структуры такого типа были описаны академиком Н.В. Беловым еще в середине прошлого века, в конце которого аналогичные структуры были обнаружены для углерода и известны в настоящее время под названием фуллеренов. 4.Фуллереноподобные формы нанокристаллов Возникновение частиц с габитусами некристаллографических симметрий (оси 5 или 10) вытекает из принципов классической кристаллографии [1—3] и соответствует правилам построения шаровых установок. В то же время эти правила ограничивают число возможных внешних форм с осями, порядки которых отличаются от кристаллографических. Интерес к таким формам особенно возрос после открытия квазикристаллов и фуллеренов [8 – 10]. Анализ структуры фуллеренов логично начать с ГПУ-решетки, которая, строго говоря, не является решеткой в математическом смысле, так как невозможно построить параллелепипед с осью шестого порядка. В работе [11] показано, что гексагональную упаковку можно рассматривать как трехмерную проекцию четырехмерной кубической решетки. Матрица-генератор группы вращения вокруг оси 6, совпадающей с осью t в ортогональной системе координат xyzt, имеет вид 0 6( 4 ) = 1 0 0

1 0 0 0

0 1 0 0

0 0. 0 1

(3)

Квазикристаллы, получаемые при резком охлаждении расплава, описываются группой вращения в 6-тимерном пространстве при матрице-генераторе, определяющей повороты вокруг осей 5( 6) и 3( 6) [12, 13].

163

5( 6)

1 0 = 00 0 0

0 0 0 0 0 1

0 1 0 0 0 0

0 0 1 0 0 0

0 0 0 1 0 0

0 0 0, 0 1 0

3( 6)

0 1 =0 0 0 0

0 0 1 0 0 0

1 0 0 0 0 0

0 0 0 0 0 1

0 0 0 1 0 0

0 0 0. 0 1 0

(4)

По аналогии с гексагональными и квазикристаллическими структурами матрицы с элементами 0, ±1, причем ±1 в каждой строке и столбце встречаются один раз, могут быть записаны для пространства любой размерности. В краткой записи этих матриц надо указать номера элементов, равных ±1 с указанием знака. Например, матрицы (3) и (4) в виде матрицы-строки a и матрицы-столбца a (для сокращения объема записи

a приведены строкой) имеют вид 6(

= 5( ) 6

( ) 3= 6

= −2, −3, −1, 4 ,

= −3, −1, −2, 4

1,3, = 4,5, 6, 2 , 5( ) 1, 6, 2,3, 4,5 6

3,1, 2, −5, 6, −4 ,

( ) 3= 6

(5)

2,3,1, 6, −4, −5

Свойства матриц n и m при описания многомерных симметрий рассмотрены в работе [13]. Там же показано, что группа 5 может быть описана в 3-хмерном пространстве матрицей-генератором 0,5τ 0,5 τ + 3 0 5= −0,5 τ + 3 0,5τ 0, 0 0 1

где τ 0,5 =

(

(6)

)

5 + 1 – золотое отношение.

Для описания точечных групп пента- и декагональной (оси 5 и 10) симметрий необходимо вместо кристаллических решеток [1] брать, так называемые, обобщенные решетки (ОР). 2-х мерные ОР известны как сетки Пенроуза. Матрица (6) описывает локальную симметрию, то есть ось 5 в структуре единственная. Для описания 3хмерных сеток Пенроуза, то есть для 3D-ОР группы 5, ее матричное представление имеет вид: 0 0 1  0 0 τ   1 τ 1  τ 1 0 1 0 0 τ 0 −τ  ,  0 −τ −τ  ,  −τ −τ 0  ,  −τ 0 1  ,  0 1 0  . (7) 0 1 τ  1 τ 1   τ 1 0  1 0 0 0 0 1           Следовательно, объекты с некристаллографической симметрией могут быть описаны на основе ОР теми же методами, что и применяемые в классической кристаллографии. На рис. 9 приведены формы фуллеренов с различными числами атомов углерода, которые совпадают с результатами экспериментальных исследований [14].

164

Рис. 9. Модели фуллеренов, полученные в модели обобщенных решеток a – C 60 , b – C 72 , с – С 80 , d – C 120 , e – C 132 , f – C 140 Примеры фуллереноподобных структур, которые получены на основе метода ОР и которые могут соответствовать габитусам наночастиц, приведены на рис. 10. На этом рис. описаны и формы, и число полигонов, образующих грани фуллереноподобного полиэдра [15, 16].

Рис. 10 – Фуллереноподобные полиэдры, полученные на основе трехмерных обобщенных решеток. Форма и число граней: a – 6 пг, 18 трг; b - 6 пг, 6 тетрг, 18 трг; с – 14ддг, 12 дг, 24 пг, 168-тетрг, 120 трг; d – 8 нг, 42 тетрг. Сокращения: ддг – додекагон; дг – декагон; нг – наногон; пг – пентагон, тетрг – тетрагон; трг - тригон Следовательно, фуллерены, квазикристаллы и в целом наночастицы, полученные путем выращивания вокруг отдельного атома или группы атомов, характеризуются габитусами, которые строятся на основе регулярных обобщенных решеток. В этом случае объясняется появление фуллереноподобных полиэдров с гранями, точечная симметрия которых отличается от кристаллографической, а сама частица может иметь оси вращения 5, 10 или других порядков. 5.Габитусы наночастиц сложного состава Для определения формы наночастиц сложных соединений необходимо использовать закономерности кристаллохимии, но практически во всех случаях принципы плотнейших упаковок применимы [3]. Для крупных молекул необходимо рассматривать плотнейшие упаковки модельных объектов, воспроизводящих электронную конфигурацию этих молекул. Для иллюстрации рассмотрим двухатомные 165

вещества с ионной связью типа A m K n в случае, когда размер атома (аниона) A больше, чем у катиона К, то есть r A >r K . В этой ситуации создается плотнейшая упаковка из ионов А, в пустотах которой размещаются ионы К. В плотнейшей шаровой упаковке существуют пустоты двух типов. Пустоты первого типа окружены четырьмя шарами и имеют, следовательно, КЧ= 4, другие располагаются между шестью шарами, т.е. КЧ=6. Центры четырех шаров, между которыми образуется пустота первого типа, располагаются по вершинам тетраэдра, поэтому пустоты с КЧ=4 носят название тетраэдрических пустот. Центры шести шаров, замыкающих пустоту второго рода, расположены по вершинам октаэдра и называются октаэдрическими (рис. 11). Размеры этих пустот обусловлены нижними критическими значениями отношений радиусов для координационных чисел 4 и 6. Если радиус анионов Рис. 11. Тетраэдрические принять за единицу, то радиус катионов, которые могут и октаэдрические пустоты быть помещены в тетраэдрические и октаэдрические между шарами в промежутки, будут выражаться числами соответственно плотнейших упаковках [3] 0,22 и 0,41. На n анионов, уложенных плотнейшим образом, приходятся n октаэдрических пустот и 2n тетраэдрических, то есть на 1 шар плотнейшей упаковки приходятся 1 октаэдрическая и 2 тетраэдрические пустоты. Это относится как к ГЦК-упаковке, так и к ГПУ. Обе структуры отличаются друг от друга не числом и размерами пустот, а их взаимным расположением. На рис. 12, а показан один шар из структуры плотнейшей ГЦК-упаковки и окружающие его 6 октаэдрических и 8 Рис. 12. Шар из плотнейших тетраэдрических пустот в виде шариков, кубической (а) и гексагональной которые могут быть помещены в эти пустоты (б) упаковок, окруженный [3]. Рис. 12, б показывает те же катионы для малыми шарами из ГПУ. тетраэдрических и средними – из Тетраэдрические и октаэдрические пустоты, октаэлрических пустот [3] образованные в плотнейшей шаровой упаковке, приведены на рис. 13. При изменении размера меньшего атома происходит изменение его координационного числа и структуры его окружения большими атомами. Принципы шаровой упаковки находят широкое применение не только для описания моноатомных структур, но и для ионных кристаллов, для которых Рис. 13. Образование пустот в сформулированы Л. Полингом пять правил. плотнейшей шаровой упаковке 1. Каждый катион окружен полиэдром из тетраэдрического (а) и анионов, вершины которых образованы центрами октаэдрического (б) типов [2] анионов первой координационной сферы.

166

Расстояние катион-анион определяется суммой их ионных радиусов, а координационное число – их отношением R A :R K . Это установил еще в 19 веке В.М. Гольдшмидт, что иллюстрируется рис. 14. 2. Общность ребер и особенно граней понижает устойчивость структуры. 3. Координационный полиэдр, с учетом валентностей катионов и анионов, должен быть электронейтральным. 4. Чем больше радиус катиона среди других катионов, тем сильнее он влияет на устойчивость структуры в целом. 5. Число кристаллохимических позиций атома обычно не превышает значений два. Эти правила применимы и для валентных соединений, но следует иметь в виду наличие у атомных связей изодесмичности и анизодесмичности. Во втором случае форма наночастицы может сильно отличаться от сферической. Учет принципов плотнейшей упаковки при формировании наночастицы переходом к ней от атома или отдельной молекулы может значительно облегчить описание ее формы и, следовательно, ряда ее свойств.

Рис. 14. Координационные полиэдры при различных координационных числах Широкое применение в практике создания функциональных материалов находят композиты на основе силикатных частиц, форма которых может меняться от близких к 167

сферическим до чешуйчатых [17]. Для описания габитусов нанокристаллов также применимы принципы плотнейшей упаковки. Все структуры силикатов, с точки зрения теории плотнейших упаковок, можно разделить на 4 группы. 1. Структуры подчиняются плотнейшим упаковкам. 2. Структуры, в которых плотнейшая упаковка охватывает не все анионы (O2-, OHи F-) силиката. Часть из них располагается в пустотах между шарами плотнейшей упаковки. Это – структуры, являющиеся плотнейшими упаковками с лишними анионными парами. 3. Структуры, в которых анионы распределяются по местам плотнейших шаровых упаковок, но не занимают всех этих мест, то есть в таких структурах имеются крупные пустоты, соизмеримые по размеру с размерами шаров упаковки. В эти пустоты могут попадать крупные катионы или другие анионы (одноатомные или комплексные) и нейтральные частицы, например молекулы воды. 4. Структуры, в целом не подчиняются законам плотнейших упаковок. Среди этих структур иногда можно выделить участки, например, слои, для которых плотнейшая анионная упаковка сохраняется [2]. Часто нарушают плотнейшую упаковку крупные катионы Ca2+, Zr4+, K+ и др. Они не помещаются в октаэдрическую пустоту упаковки из O2- ионов, раздвигают их, образуя координационные многогранники с 8 и большим числом вершин [3]. Системы с крупными катионами могут создавать самые различные формы наночастиц. То есть, их свойства будут зависеть не только от состава и размера, но и от способа получения наночастицы. Принципы плотнейших упаковок при описании структур нанообъектов применимы и для веществ с молекулярными силами взаимодействия. Ван-дерВаальсовы силы анизодесмические, но и в этом случае каждая молекула будет «стремиться» окружить себя максимальным числом других молекул. В результате этого упаковка также может быть плотнейшей. Например, в структуре трифенилбензола молекулы упакованы весьма плотно, хотя их форма далека от сферической. Пример плотнейшей упаковки органических молекул приведен на рис. 15. Видно, что выпуклости одной молекулы попадают во впадины другой [3]. Молекула считается входящей в координационную сферу, если она соприкасается с Рис. 15. Плотнейшая центральной молекулой. Число точек упаковка молекул в соприкосновений с каждой молекулой не имеет органическом кристалле. значения. На рис. 15 центральная молекула касается Координационное число в каждой из пяти молекул в одной точке, а в одной, слое 6 отмеченной звездочкой, – в двух точках. Определив закономерности упаковки молекул для любых систем, можно говорить, с определенной вероятностью, о габитусе и свойствах наночастиц этого вещества, что, безусловно, имеет большое значение для обоснования технологий получения наноматериалов с определенными свойствами [17]. Заключение. При получении наночастиц путем диспергирования более крупных вещественных объектов с каждым последующим шагом дробления увеличивается удельная поверхность, которая оказывает влияние на прилегающие к поверхности атомные конфигурации в кристаллите, если исходное вещество – кристалл.

168

Наночастица может приобрести атомно-молекулярную структуру, существенно отличную от ожидаемой. При получении наночастицы путем ее выращивания вокруг центрального объекта основную роль играет непосредственно межатомное взаимодействие. На примере роста кристаллов с ГЦК-, ГПУ- и ОЦК-структурами рассмотрены координационные многогранники частиц и, если размеры таких частиц известны, то их габитус, а, соответственно, и многие свойства могут быть предопределены. Размерный фактор начинает играть существенную роль, так как при различных объемах наночастицы меняется ее полиэдрический габитус. Это влечет за собой изменение поверхностной активности частицы и изменение ее внутренних свойств, связанных с динамическими процессами, протекающими в этой частице. Анализ геометрических (морфологических) особенностей нанообъектов требует дополнительных исследований по определению размерной границы между наносвойствами и макросвойствами. Из многих экспериментов, выполненных различными исследователями, установлено, что, начиная с некоторого размера частицы L 0 , ее свойства становятся отличными от значений, характеризующих вещество в большом объеме. Эти макроскопические свойства и являются табличными. Но если размер частицы r<L 0 , то на свойства вещества начинает влиять размерный фактор, и чем сильнее указанное неравенство, тем больше влияние на физические свойства вещества оказывает размер его частиц, тогда как при r> L 0 на свойства частицы размерный фактор влияние не оказывает. Для объяснения зависимости свойств вещества в наноразмерном диапазоне недостаточно знаний о форме наночастиц. Методы расчета L 0 требуют привлечения аппарата теоретической физики, но в любом случае необходимы знания не только размеров частиц, но и характеристик ее габитуса. Список литературы: 1. Зимон, А.Д. Мир частиц. / А.Д. Зимон. – М.: Наука, 1988. – 192с. 2. Белов, Н.В. Очерки по структурной минералогии. / Н.В. Белов. – М.: Недра, 1976. – 344с. 3. Бокий, Г.Б. Кристаллохимия. / Г.Б. Бокий. – М.: Наука, 1971. – 400с. 4. Коулсон, Ч. Валентность. / Ч. Коулсон. – М.: Мир, 1955. – 426с. 5. Полинг, Л. Химия. / Л. Полинг, П. Полинг. – М.: Мир, 1978. – 683с. 6. Вайнштейн, Б. К. Современная кристаллография / Б. К. Вайнштейн. Т. 1. – М.: Наука, 1979. – 383с. 7. Берри, Р.С. Фазовые переходы в кластерах различных типов. / .Р.С. Берри, Б.М. Смирнов // УФН. 2009. – Т. 179. №2. – С. 147 – 177. 8. Gripon, С. Relation between solubility and effective solute-solute interaction for C 60 . / С. Gripon [and oth.] // J. Cryst. Growth. 1998. – V. 183. – p. 258 – 268. 9. Cahn, J.W. Quasicrystals. / J.W. Cahn. // J. Res. Natl. Stand. Technol. 2001. – V. 106. p 975 – 982. 10. Лиопо, В.А. Фуллереноподобные структуры в трехмерных регулярных решетках. / В.А. Лиопо, А.В. Сабуть. // Сб. навук. праць /Полт. ДПУ. – Полтава: УМО, 2002. – В. 1 (22). – С. 101 – 106. 11. Лиопо, В.А. Гексагональная решетка в четырехмерном пространстве. / В.А. Лиопо // Весці НАН РБ, сер. ф.-м. навук. 1999. -- №4. – С. 103 – 106. 12. Лиопо, В.А. Матричное представление точечных групп додекаэдрической симметрии для 3-х и 6-тимерных пространств. / В.А. Лиопо. // Кристаллография, 1991. – Т. 36. – №4. – С. 809 – 812. 13. Лиопо, В.А. Кристаллографические классы и формулы симметрии регулярных решеток в многомерных евклидовых пространствах. / В.А. Лиопо, А.В. Сабуть. // Вестник ГрГУ. Сер. 1. – №1 (5). – 2001. – С. 3 – 15. 14. Yamamoto, A. Six-dimensoinal model of icosahedral Al-Pd-Mn quasicrystals. / A. Yamamoto, H. Takakura.- Phys. Rev. B, vol. 68, 2003 – p. 094201/1- 094201/12. 15. Liopo, V. The Geometrical Parameters of Nanoparticles for Polymeric Composite Materials. / V. Liopo [and oth.] // Proceed of 14th Inter. Conf.

169

Mechanika. Kaunas, Lithuania, 2009. – p. 244 – 248. 16. Liopo, V.A. The symmetry of nanoparticles. / V.A. Liopo [and oth.] -Abstr. of 15 Int. Conf.- Mechanics of Composite Materials, Riga, Latvia, 2008. – p. 169-170. 17. Нанокомпозиционные машиностроительные материалы: опыт разработки и применения. / С.В. Авдейчик [и др.]; под ред. В.А. Струка. – Гродно: ГрГУ, 2006. – 403с. МОДИФИКАТОРЫ ПОЛИМЕРНЫХ НАНОКОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ Ч. 5. РАЗМЕРНАЯ ГРАНИЦА МЕЖДУ НАНО- И МАКРОСОСТОЯНИЕМ ЧАСТИЦ ВЕЩЕСТВА Лиопо В.А., Струк В.А., Рыскулов А.А., Ахмадиева Л.В., Авдейчик С.В. (УМЦ «Промагромаш» ОАО «Белкард», г. Гродно, Беларусь) It was analysed the before justified formula for determination of dimension separating between nanostate and macrostate of the matters. The size of nanoparticle bounds phonon spectrum and it strikes law frequencies of phonons. If phonons frequencies are qreater then Debye's ones the physics properties of particles are different from the same big volume matter. This particle is named nanoparticles. Введение. В нанофизике и нанотехнологии в целом в качестве объекта исследовательской и производственной деятельности используют образцы веществ, частицы которых имеют размеры в одном (пленки), двух (вискеры, нановолокна) или в трех направлениях (3D-наночастицы), коррелирующие с размерами атомов, то есть измеряются в нанометрах. Термины «наночастицы», «нанокристаллы», «нанопленки», «нанотрубки» относятся к объектам именно такого типа. Во многих случаях нанообъекты имеют в качестве неких аналогов объемные, бесконечно большие в физическом смысле, молекулярные (атомарные) системы. Например, наночастицы могут быть получены при диспергировании крупного кристалла, который проходит при измельчении стадии мелкого кристалла (до 10-5м), микрокристалла (до 10-7м) и нанокристалла (менее 10-8м). Указанные размерные границы являются достаточно условными, и вплоть до перехода в стадию наночастиц атомно-молекулярные системы во многом сохраняют свойства, характерные для объемной фазы. В то же время в процессе диспергирования все большую роль начинают играть параметры поверхности, удельное значение которой возрастает с уменьшением размеров частиц, что приводит к изменению многих параметров их физических характеристик. При образовании наночастиц характеристики их свойств изменяются настолько существенно, что совершенно справедливо обусловливает возможность говорить о наносостоянии (в частности о нанокристаллах), как в новой форме вещества, наряду с монокристаллами, поликристаллами, текстурами, квазикристаллами, кластерами, фракталами, фуллеренами, стеклами, жидкими кристаллами, OD-структурами, гелями. Наностостояние частицы вещества (нанофаза) – это такая часть вещества, которая имеет границу раздела и характеризуется свойствами, отличными от свойств этого вещества в объеме. Очевидно, что существует такой размер L 0 , который определяет границу между наносостоянием и микросостоянием частицы (последнее соответствует частицам вещества с малыми размерами, но со свойствами, совпадающими с теми, которые характерны для частиц больших размеров). Другими словами, если на свойства вещества размерный фактор не оказывает влияния, то следует говорить о макрочастицах. В том случае, когда существует некоторая размерная граница L 0 ,а при

170

размерах r<L 0 характеристики свойства вещества меняются, то появляется возможность «управлять» этими характеристиками с помощью технологических воздействий. Размерная граница L 0 может быть рассчитана с использованием одной из важных характеристик твердого тела, а именно, температуры Дебая θ D . Эта температура является границей между применимостью соответствующих физических теорий к описанию свойств при различных температурах (Т). При Т>> θ D в фононном спектре имеются как низко-, так и высокочастотные моды. При Т<< θ D высокочастотные моды отсутствуют. Эти две области обычно называют классической и квантовой. В классической области для описания системы применим закон Дюлонга-Пти, в квантовой – теплоемкость при постоянном давлении монотонно уменьшается с уменьшением температуры. Классический и квантовый подходы тем достовернее, чем сильнее неравенства Т> θ D или Т< θ D . Вместе с тем определенное влияние на спектральный состав колебаний решетки может оказать и размер образца. Неслучайно, при анализе фононных параметров в ряде работ делается оговорка о том, что анализ распределения частот относится к исследуемым образцам с большими объемами, то есть влияние на свойства образца размерных факторов исключается. При этом речь идет не только об образце в целом, но и об его составных частях. Например, поликристалл может быть достаточно большим, а размеры его кристаллитов соответствуют милли-, микро- и даже нанодиапазону. В то же время многочисленные литературные данные (например, [1-8]) свидетельствуют о том, что в наноразмерном диапазоне (в нанофазе) свойства вещества существенно отличаются от аналогичных свойств для объектов с большими, по сравнению с атомными, размерами (макрофаза). Результаты и обсуждение 5.1. Влияние размеров кристаллитов на их физические свойства. В литературе имеются материалы, посвященные описанию зависимостей отдельных физических свойств от размера кристаллов (r). Все без исключения данные свидетельствуют о том, что наносвойства начинают проявляться для размеров, существенно меньших 100 нм. Эта величина часто упоминается в литературе именно как верхний размер наночастиц, то есть, при значениях r>100 нм вещество находится в макросостоянии, а при r<100 нм – в наносостоянии. На наш взгляд этот подход ничем не обоснован и физически неоправдан. Нельзя же, например, говорить об единых для всех веществ температурах фазовых переходов, плотности и т.п. Но сам факт зависимости параметров физических свойств от размеров объекта известен достаточно давно и описан в многочисленных научных публикациях. Впервые, как сказано в работе [3], на связь свойств вещества с размером его частиц обратили внимание М. Борн и Т Карман еще в начале прошлого века, но только в последние десятилетия эта гипотеза получила экспериментальные подтверждения. Рассмотрим некоторые примеры. В работе [6] приведены результаты исследований упругих свойств образцов железа. Установлено, что модуль упругости наноструктурированного материала, по сути, тот же, что и у объемного с микронными размерами зерен, однако только до тех пор, пока размеры частиц не становятся очень малыми, скажем менее 5 нм. На рис. 1 показана кривая зависимости модуля Юнга Е от размера нанозерна для образца железа с наноразмерными зернами, нормированного на значение Е () для железа с обычными зернами.

171

Из приведенных данных видно, что при размере зерен менее 20 нм модуль Юнга начинает быстро уменьшаться. На данном рисунке, как и на последующих, указана средняя граница между нано- и макросостояниями, рассчитанная по формуле L0 = 230 (θ D )

−1 2

[нм ] ,

(1)

где θ D -- температура Дебая. Обоснование этой формулы в рамках теории Дебая приведен в части 3 данной работы.

Рис. 1. Зависимость отношения модуля Юнга нанозернистого железа (Е) к модулю Юнга железа с обычным размером зерен (Е 0 ) от размера зерна [6]. L0 - расчетное значение В работе [10] приведены результаты измерения многослойных Fe-Cr пленок, причем хромовые пленки имели сравнительно большие толщины (>100 нм), a пленки Fe представляли собой одномерные наносистемы. Для таких «сэндвичей» исследовали влияние постоянного магнитного поля на сопротивление многослойной системы «железо-хром». Величина изменения сопротивления зависит от толщины слоев железа и достигает максимума при толщине 7 нм, как показано на рис. 2, из которого видно, что даже для сложных систем как сэндвичи наблюдается корреляция между экспериментом и расчетным значением L 0 , полученным по формуле (1).

Рис. 2. Зависимость изменения магнитосопротивления ΔR от толщины магнитного слоя железа в многослойной структуре Fe-Cr в постоянном магнитном поле. L 0 расчетное значение размерной границы между объемными и наносвойствами [9] 172

В рамановском спектре объемного кристаллического германия имеется узкая линия поглощения (шириной около 3 см-1), связанная с оптической фононной ветвью Г 25+ . Она показана на врезке к рис. 3. Если германий осажден на пленку Si02, то за исключением плавного спада в области около 270 см-1 на рамановском спектре особенностей не наблюдается, как можно видеть на нижней кривой рис. 4. После отжига этот спад исчезает, а на частоте 300 см-1 появляется пик от кристаллического оксида кремния. На рис. 4 показано уширение этого пика и его сдвиг в сторону более низких частот при уменьшении размеров частиц. Ширина рамановского пика уменьшается при увеличении температуры и времени отжига. Это позволяет сделать оценку размеров частиц. Они могут составлять от 6 до 13 нм. Как следует из рис. 4 частицы с размерами d ≥ 18 нм ведут себя как объемное вещество, тогда как частицы с размерами 8 нм имеют параметры свойств, резко отличные от объемных.

Рис. 3. Рамановские спектры германиевой пленки на поверхности подложки и SiO 2 сразу после охлаждения и после окисления кислородом при 800 и 1000ºС

Рис. 4. Рамановский спектр нанокристаллов германия, полученных осаждением из газовой фазы, демонстрирует уширение и сдвиг в сторону меньших волновых чисел при уменьшении размеров частиц. Самый нижний спектр получен на объемном германии [9]

173

Из приведенных экспериментальных данных следует, что резкая граница между объемной фазой и нанофазой (L 0 ) должна удовлетворять условию 8 нм<L 0 <18 нм. Величина L 0 , определенная по формуле (1), равна 12 нм. Кремниевые наночастицы в отношении оптической фононной моды Г 25+ ведут себя так же, как германиевые. Параметр L 0 для кремния равен L 0 = 9 нм, то есть результат эксперимента удовлетворяет тому же условию, что и для германия. В размерном эффекте кремний ведет себя как германий. Расхождения между вычисленными и экспериментальными размерными границами объемных и наноразмерных фаз обусловлено не только тем, что сама эта граница не является резким барьером, но и потому, что очень трудно получить вещество, у которого все частицы имеют одинаковые размеры. В качестве примера приведем гистограмму размеров частиц нанокристаллического нитрида титана, полученного путем химического осаждения из газовой фазы [9]. Распределение частиц по размерам нессимитричное, причем, модальное значение всегда меньше среднего арифметического. Когда приводятся размеры частиц в нанопорошке, то основную роль играет модальное значение, тогда как на физические свойства оказывают влияние и более крупные частицы.

Рис. 5. Гистограмма распределения размеров зерен нанокристаллического TiN по результатам просвечивающей электронной микроскопии (ТЕМ) [6] Следовательно, рассчитанная размерная граница между нано- и макрофазами (L 0 ) и та, что следует из экспериментальной зависимости «свойства наночастиц и их размер» (L эксп ) могут не совпадать. Именно этим можно объяснить результаты экспериментов, проведенных на рис. 6, который встречается в ряде литературных источников [5, 6, 9].

Рис. 6 Зависимость температуры плавления от радиуса частиц золота. Пунктирной линией отмечена температура плавления для макроскопического образца[14]. L0 - расчетное значение 174

Наряду с одномодальным распределением наночастиц возможны и другие распределения по крупности в пределах одного образца. В работе [6] приведены, по мнению автора, типичные распределения частиц по размерам в некоторых металлических нанопорошках, полученных восстановлением в токе водорода, которые показаны на рис. 7. На рис. 8 приведена зависимость параметра ячейки (а) от размера наночастицы Al. Видно, что и здесь обнаруживается согласие между экспериментальным и расчетным значениями L 0 .

Рис. 7. Типичные распределения металлических наночастиц по размеру. Частицы получены восстановлением металлов из их соединений в токе водорода [5]

Рис. 8. Зависимость периода решетки а от диаметра (D) наночастиц алюминия Al [5]. L0 -расчетное значение максимального размера наночастиц Al Можно привести и другие примеры, взятые из научной литературы, которые, как и приведенные, показывают, что геометрические параметры наночастиц ( и х

175

максимальный размер) хорошо согласуются с выведенной нами формулой (1) (рис. 9, 10).

Рис. 9. Относительное изменение периода решетки Δα/α в зависимости от диаметра D наночастиц золота Ag и Аu соответственно [5]

Рис. 10. Понижение температуры плавления Т п наночастиц олова Sn в зависимости от обратного радиуса r-1; сплошная линия – расчет [9]; L0 -расчетное значение для Sn Следует подчеркнуть, что в имеющейся доступной нам научной литературе не встречалась ни одного случая, когда бы размерные эффекты начали проявляться при размерах наночастиц r ≈ 100 нм. Даже при r ≈ 30 нм во всех случаях физические свойства частиц были такие же как у объемной фазы. При L 0 = 100нм характеристическая температура, рассчитанная по разработанной нами методике, имеет значение θ D = 5,3К, что соответствует, вероятно, только закристаллизованному под высоким давлением гелию. Даже для L 0 = 30 нм характеристическая (дебаевская) температура не превышает 60K. 5.2. Динамические модели кристалла Эйнштейна и Дебая. Атомы в конденсированных средах колеблются вокруг своих идеальных, то есть равновесных, положений. Следовательно, кристалл можно представить в виде системы взаимодействующих друг с другом осцилляторов. Двухмерная модель такого кристалла с точечной группой 4mm приведена на рис. 11. Очевидно, что все атомы в такой одноэлементной структуре находятся в одинаковых кристаллофизических позициях и, следовательно, изучив состояние любого из них, можно говорить о состоянии всей системы. В этой модели атомы как бы «связаны» друг с другом квазиупругой силой, а смещения от положения равновесий не очень велики, то есть можно считать, что все атомы совершают колебания с одинаковой частотой ω. Именно на этом предположении основана теория Эйнштейна, которая позволила объяснить отклонения значений теплоемкости веществ при низких температурах от закона Дюлонга и Пти [2, 3, 6].

176

Рис. 11. Двухмерная модель структуры с точечной группой 4mm с упругим взаимодействием атомов Эйнштейн считал, что каждый из N атомов имеет 3 степени свободы, то есть в кристалле имеется 3N независимых гармонических осцилляторов, колеблющихся с одинаковой частотой ω, то есть имеют энергию E=ħω (ħ – постоянная Планка). Принципы квантования допускают наличие состояний с энергией E=

( n + 1 2 ) ω ,

(2)

где n – целое число, нулевые колебания учитываются слагаемым 0,5ħω. Распределение электронов по уровням энергий подчиняется закону БозеЭйнштейна, который с учетом нулевых колебаний при температуре Т имеет вид [1,3, 10]:  N  1 1  (3) E ∑ ω j = + ω j .  2 i =1   e kT − 1  Легче всего суммирование по всем значениям j выполняется для двух граничных случаев: высокая и низкая температуры [2, 3, 10]. Если температура настолько высокая, что ω j kT << 1 , то при разложении в ряд экспоненты знаменателя можно ограничиться вторым членом разложения. В этом случае условие (3) примет вид:  1 ω j  (4) E ∑ 1 + = . 2 kT  j  Так как энергия нулевых колебаний много меньше энергии решетки, то каждый из 3N осцилляторов вносит вклад в общую энергию, равный kT. Средняя энергия гармонического осциллятора в модели Эйнштейна при высоких температурах совпадает с классической средней энергией kT. То есть при kT > ω j для одного моля E = 3 A ⋅ kT = 3RT , где А – постоянная Авогадро, R – газовая постоянная, то есть выполняется закон Дюлонга и Пти CV = 3R ≈ 25 Дж / К ⋅ моль .

177

Колебания атомов в кристаллах, как и в любой конденсированной среде, приводят к тому, что в них создаются волны механического возбуждения, которые, как это следует из уравнения (2), описываются квантами механического возбуждения, называемых фононами [11] При низких температурах собственная частота фононов может быть такой, что выполняется неравенство ω j >> kT . В этом случае exp ω kT >> 1 . В то же время, вклад этих составляющих в общую энергию системы будет незначительным, так как в спектре частот их встречаемость невелика [12]. Следовательно, можно ограничиться акустическими ветвями фононов. Средняя энергия в этом случае равна = E ω exp [ −ω kT ] ,

(5)

то есть теплоемкость при низких температурах (Т→0) определяется условием:  ω  = CV Nk   exp [ −ω kT ] .  kT  2

(6)

Отсюда следует, что C V →0 при Т→0 по закону exp ( −ω kT ) . Теория Эйнштейна дает неплохое согласие с экспериментом (рисунок 12).

Рис. 12. Сопоставление экспериментальных данных для температурной зависимости теплоемкости алмаза с теоретической кривой, построенной на основе модели Эйнштейна, используя θ Е =1320°К Так как в модели Эйнштейна все осцилляторы имеют одинаковую частоту (ω), то есть одинаковую энергию, то для их описания был введен температурный фактор θ E вида (7) ω= k ⋅ θ E , где θ E – температура Эйнштейна. В этом случае выражение для определения теплоемкости C V (6) с учетом (7) при Т→0 примет вид: θ  CV Nk  E  ⋅ e −θ E T . = T  2

178

(8)

Эта формула Эйнштейна, хотя и выведена для условия Т→0, находится в хорошем согласии с экспериментом и в области температур, не сильно отличающихся от θ E . Но эксперименты показывают, что при температуре T << θ E , C V зависит от Т не по экспоненте, а скорее по зависимости C V ~Т3 [3]. Для более строгой оценки зависимости C V от Т при низких температурах П. Дебай отказался от модели одинаковых атомных осцилляторов, а предположил, что в твердом теле атомы колеблются с различными частотами. Распределение частот осцилляторов описывается зависимостью P(ω), которая определяется условиями [13, 14]. 3ω 2 (9) = d ω Cω 2 d ω , 2π 2V 3 где V – скорость распространения фононов. В соответствии с предположением Дебая частота ω может достичь некоторого максимального значения ωm = ωD , которое и называется дебаевской частотой, а распределение P(ω) в модели Дебая обладает свойствами [2]: = P (ω ) d ω

0 ( при ω > ωD ) . P (ω ) =  2 ≤ ω ω ω c при ) (  D

(10)

Распределение фононных частот в моделях Эйнштейна и Дебая иллюстрируются рис. 13. Это не означает, что частоты с ω > ωD в реальных кристаллах не существуют, они есть, но для их описания нужны другие теоретические модели [2, 3].

Рис. 13. Спектральная функция G(ω) в эйнштейновском и дебаевском приближениях При функции распределения частот (9) плотность внутренней энергии равна

ω3 3 3k 4T 4 = = dω (U − U 0 ) 2π 2V 3 ∫ kTω 2π 2 3 e −1 где U 0 – энергия равновесного состояния решетки. 179

∫ 0

x3 dx , ex −1

(11)

Переменная интегрирования x в выражении (11) меняется в пределах от 0 до X m , равного 2 ωm qm v V ( 6π n ) 1 θ D , = = ⋅ = X m= kT kT k T T 13

(12)

где n – число атомов в единице объема (атомная плотность), q m – волновое число, V – скорость звука [3, 10, 11]. Величина θ D связана с дебаевской частотой уравнением (13) ωD = kθ D . Параметр ωD называют дебаевской частотой.

При очень низких температурах (T << θ E ) верхний предел интеграла в выражении (11) можно заменить на ∞ и тогда, как показано в [3] (U-U 0 )~Т4, то есть C V ~Т3, так как CV = dU dT . Если приближение Эйнштейна говорит об экспоненциальной зависимости C V от Т, то в дебаевской модели – C V ~Т3, что больше соответствует эксперименту. Совпадение дебаевской теории с экспериментальными данным иллюстрируется рис. 14, на котором приведены значения CV = CV (T ) для различных веществ. Следовательно, верна гипотеза Дебая о том, что при переходе под действием тех или иных факторов значений частотных мод фононов в область ω > ωD , механизм протекания физических процессов изменится по сравнению с тем случаем, когда в спектре имеются только частоты ω ≤ ωD [2,12].

Рис. 14. Теплоемкость C V различных веществ в зависимости от отклонения температуры вещества к его дебаевской температуре. C V — теплоемкость при Т>θ D . 5.3. Импульсы фононов и размерная граница между нано- и макрофазой. Распределение частот в модели Дебая (рис. 13) является неплохим приближением для объяснения CV = CV (T ) в области низких температур. Но в реальных кристаллах Р(ω) отличается от модели Дебая. Например, на рис. 15 приведено экспериментально полученное распределение Р(ω) для Al [11, 12] Распределение Р(ω) различно для различных веществ, но в любом случае функция Р(ω) имеет четко выраженный максимум ωm = ωD .

180

Рис. 15. Спектр частот гармонических осцилляторов в Al Модель Дебая, как и модель Эйнштейна, объясняет экспериментально обнаруженный факт уменьшения теплоемкости при постоянном объеме (C V ) при температурах, ниже характеристической. Так как совпадения теории с экспериментом в модели Дебая существенно выше, чем в модели Эйнштейна, то первую модель используют чаще для анализа физических свойств веществ, но и модель Эйнштейна в ряде случаев дает удовлетворительные результаты [11, 12]. Распределение частот применимо для описания образцов с достаточно большими объемами веществ. В этом случае размер образца не оказывает влияния на кривую Р(ω). Из приведенного на рис. 15 примера видно, что в веществе имеется две области частот: низкочастотная ветвь ω < ωD и высокочастотная ветвь ω > ωD . Если размер кристалла достаточно мал, то образование фононов с большими длинами волн невозможно, то есть размер кристалла «отсекает» в спектре акустическую (низкочастотную) ветвь. Когда минимальная частота фононов превышает ωD , то процессы, происходящие в образце, отличаются от аналогичных в образцах с большими геометрическими размерами. Следовательно, если размер образца L такой, что в нем не могут возникать низкочастотные моды, у которых длина волны больше, чем L, то физические процессы в этом образце будут протекать иначе, чем в крупном образце того же вещества при той же температуре. Так как в этом случае L 0 u соответствует условию λD = (u – скорость фонона), то можно сделать следующий

ωD

вывод. Для каждого вещества существует граничный размер L 0 , связанный с температурой Дебая θ D . Если размер образца r>L 0 , то этот образец обладает свойствами крупных образцов, если r<L 0 , то на свойства образца влияют размерные факторы, то есть при дальнейшем уменьшении размера частиц в них невозможно существование возбуждений с дебаевской частотой, так как дебаевская длина волны не «вместится» между поверхностями образца. L 0 имеет размерность в нанометровом диапазоне от 8 нм для алмаза, до 30 нм для рубидия. У полимерных объектов L 0 может достигать 40 нм, но ни для одного вещества L 0 даже не приближается к значению 100 нм [13, 14]. Влияние размерного фактора на характер протекания физических процессов рассмотрено в работе [16], в которой подчеркивается, что в наночастицах наблюдается «сочетание сильной пространственной локализации электронных колебаний с высокой частотой этих колебаний». Это приводит «к гигантскому увеличению... электрических полей». Оптические свойства наночастиц резко отличаются от аналогичных свойств объемного вещества.

181

5.4. Размерная граница между нано- и макросостоянием. Связь размерной границы между нано- и макросостоянием вещества и его дебаевской температурой может быть установлена в рамках квантово-механических представлений о поведении фононов, рассмотренных в разделе 5.2, откуда следует, что дебаевская энергия ( ED ) , частота (ωD ) , импульс ( PD ) и температура (θ D ) связаны условиями = = E D ω D , PD

ω D ω D u , = , λD = , θD ωD u k

(14)

где u – скорость распространения фононов (скорость звука), ħ, k – постоянные Планка и Больцмана соответственно. 5.4.1. Импульс электрона и размерная граница между нано- и макросостоянием Механические возбуждения в решетке кристалла осуществляются электронными процессами, то есть взаимодействие между атомами обусловлено взаимодействием их электронов [11-15]. Волновая функция электрона является собственной функцией оператора импульса  Pψ = Pψ ,

(15)

причем оператор импульса имеет вид: 3  ∂ , P = −i∑ ( x0 ) j ∂x j i =1

( x0 ) j

(16)

– орты координатных осей = x1 x= , x 2 y= , x3 z .

Рассмотрим случай, когда P= P= Pz , то есть анализируется изотропное x y вещество. Уравнение (15) примет вид: ∂ψ i (17) 0. + ⋅ Pxψ = ∂x  Решение уравнения (15) имеет вид:  i  (18) = ψ 0 exp  − Px ⋅ x  , ψ    то есть максимумы действительной части волновой функции ψ соответствуют условию Px ⋅ x= 2π  ⋅ n= hn ,

(19)

где n – целое число. Рассмотрим наименьшее значение импульса, когда в уравнении (18) n=1. Энергия решетки, соответствующая наименьшему значению импульса, примем равной Е = E D . Но дебаевская энергия равна 3 ( Px2 ) D , (20) = = ED ω k= θD D 2me то есть с учетом (19, 20) получим  2m ⋅ kθ D  = Px ⋅ x  e  ⋅x. 3   12

182

(21)

Примем значение импульса, равному дебаевскому, тогда значение x определяет границу между нано- и макросостояниями. Следовательно 1,5h −1 2 −1 2 (22) L0 = ⋅ (θ D ) = C ⋅ (θ D ) . me ⋅ k Физические константы в (22) имеют значения: h=6,63·10-34Дж·с; k=1,38·10Дж·К, m=9,11·10-21кг, то есть в формуле (22) С равно 230нм·К-1/2. Это значит, что (22) примет вид [15]: −1 2 (23) L0 = 230 (θ D ) [нм ] .

5.4.2. Соотношение неопределенностей и L 0 . Соотношение неопределенностей возьмем в форме ∆Px ⋅ ∆x ≥ h . Приняв неопределенность импульса, равной значению

P D , необходимо для граничного условия PD = f (θ D ) принять ∆x =L0 . Так как для изотропного вещества (см. (20)) 3 ( PD )i ( 2m ) = kθ D , а −1

( PD )i =

компонента импульса), то L0 =

h (i – координатная L0

1,5h −1 2 (θ D ) , km

что полностью соответствует формуле (22). 5.4.3. Теорема Блоха и L 0 . В поле периодического потенциала волновая функция свободной частицы с точностью до постоянного множителя имеет вид:

ψ ( x + pa = ) exp ( i pa ⋅ K )ψ ( x ) , = K 2mE ⋅ −1 , р – целое число [18]. где а – период решетки, Максимальное значение действительного слагаемого комплексного числа правой части равно +1, то есть ma ⋅ K = = K 2mE ⋅ −1 , a ⋅ p -размер образца, то 2π n . Так как приняв a ⋅ p = L0 , чему соответствует E=E D , и, взяв наименьшее значение энергии (n=1), получаем для электрона: −1 2 −1 2 (см. (22, 23)) 1,5 km ⋅ h (θ D ) = 230 ⋅ (θ D ) L0 = 5.4.4. Соотношение параметров λ D и L 0 . Из определения ED , PD , ωD и λD следует 2 3 ( PD )i 3h 2 . = ED k= θD = 2m 2mλD2 Если принять, что L0 = λD , то L0 = (см. λD = 1,5 km ⋅ h (θ D ) = 230 ⋅ (θ D ) (22,23)). 5.4.5. Уравнение Шредингера и L 0 . Для изотропного вещества при Е х = Е у = E z (см. (17)). Уравнение Шредингера с учетом только кинетической энергии Е k можно записать как: 2  2 ∂ ψ ( x ) Ek − = ψ. 2m ∂x 2 3 −1 2

183

−1 2

Если принять 2 E ⋅ m 3 2 = g 2 , то решение этого уравнения примет вид ψ= C ⋅ sin gx . На границе наночастицы ψ = 0 , что для полного периода соответствует g ⋅ x = 2π ⋅ p . Наименьшее значение E k (p=1) соответствует определенному размеру х=L 0 , для которого данное теоретическое приближение возможно. Следовательно, −1 2 −1 2 2π h 1,5 km ⋅ h (θ D ) = 230 ⋅ (θ D ) (см. (22,23)). gL0 = 2π , то есть L0 = Заключение. В современной научной литературе в явной или неявной форме прослеживается идея о том, что при расчете геометрических размерных разграничений между наночастицсй и веществом с большим объемом необходимо учитывать свойства материалов, из которых получены наночастицы, или в какую объемную фазу перейдет эта частица при своем дальнейшем росте. Граница между нанофазой и объемным состоянием по непонятной традиции принимается равной 100 нм, что противоречит экспериментальным данным, так как свойства трехмерных наночастиц, вискеров (двухмерные наночастицы) и пленок (одномерные наночастицы) при размерах 100 нм, в подавляющем большинстве случаев имеют объемные свойства за исключением их оптических свойств, так как длина волны света соизмерима, а иногда и превышает их размеры. Но это свойство вещества предусматривает взаимодействие с электромагнитным (а также акустическим) излучением, то есть зависит от размерных параметров воздействующих факторов. Размерные эффекты в такого рода процессах могут проявляться при размерах вплоть до микрометров и более, а для звука до метров и более. Для оценки размерной границы между нанофазой и макросостоянием (L 0 ) нами предложена и обоснована формула четырьмя отличающимися друг от друга методами: L0 = 230 (θ D )

−1 2

[нм ] ,

где θ D - дебаевская температура. Дебаевская температура в макрофазе кристаллов является температурной границей между двумя способами описания фононных процессов в веществах. Если T > θ D , то справедливо распределение Больцмана, и описание свойств кристаллов осуществляется на основе классических представлений. Если T < θ D , то необходимо переходить к статистике Бозе-Эйнштейна, то есть для объяснения свойств кристаллов требуется привлечение методов квантовой физики. При переходе к диспергированным веществам с размерами частиц, равными r, возникает аналогичная ситуация. Между наночастицами и макрофазой имеется размерная граница L 0 . Если r> L 0 – это макрочастица, если r<L 0 – наночастица. Как и в случае дебаевской температуры, L 0 не является резкой границей между двумя состояниями вещества. Свойства частиц (наноили макро-) проявляются тем больше, чем сильнее указанные неравенства L0 = f (θ D ) , причем температура Дебая – табулированная величина, если значения θ D отсутствуют, то их можно рассчитать по формуле

θ D = u ( 6π 2 n ) , 13

где u – скорость звука, n – число атомов в единице объема. Сравнение расчетных значений (L 0 ) с теми значениями, которые были взяты из приведенных в литературе экспериментальных зависимостей свойств от размеров частиц, в большинстве случаев показали их достаточно хорошее совпадение, а

184

различия расчетных и экспериментальных значений размерной границы между нано- и макросостоянием объясняются неоднородностью размеров частиц в образце. Формула расчета размерной границы между наносостоянием и макрофазой удовлетворяет ряду требований, а именно: 1. Формула расчета (L 0 ) выведена на основе общеизвестных, ставших классическими, квантово-механических представлений без привлечения каких-либо дополнительных гипотез; 2. Формула расчета параметра (L 0 ) получена в рамках четырех различных друг от друга методов квантовой физики; 3. Формула достаточно простая и для определения (L 0 ) берется табулированная величина дебаевской температуры, которая учитывает структурно-физические свойства вещества;  4. Предложенный метод позволяет найти значения L0 ( r ) для различных направлений в веществе, то есть определить анизотропию размерной границы между нанофазой и объемным состоянием. 5. При отсутствии табличных значений θ D для исследуемых веществ эта величина, а, следовательно, и (L 0 ), может быть рассчитана при известных кристаллохимических характеристиках и скорости звука, которая определяется по общеизвестным методикам на макроскопических образцах. Величина θ D может быть определена по экспериментальному значению L 0 . Список литературы: 1. Ашкрофт, Н. Физика твердого тела. / Н. Ашкрофт, Н. Мермин / М.: Мир. 1979. – Т.1. 399с. – Т.2. – 422с. 2. Анималу, А. Квантовая теория кристаллических твердых тел. / А. Анималу / М.: Мир. 1981. – 574с. 3. Китель, Ч. Введение в физику твердого тела. / Ч. Китель / М.: Гос. изд. ф-м. Лит. 1967. - 696 с 4. Лиопо, В.А. Геометрические параметры наночастиц. / В.А. Лиопо // Низкоразмерные системы-2. Гродно, изд. ГрГУ. 2003.- Вып. З. – С. 4-11. 5. Гусев, А.И. Наноматериалы, наноструктуры, нанотехнологии. / А.И. Гусев / М.: Физматлит. 2005. – 416с. 6. Ajayan, P.M. Nanocomposite Science and Technology. / P.M. Ajayan, L.S. Schdler, A.V. Braun // Willey - VCY. Gmbh I Co KgaA. 2004. -230 p. 7. Harris, P.J.F. Carbon nanotubes and related structures. / P.J.F Harris // Cambridge. Univ. Press. 1999. - 320 p. 8. Ajayan, P.M. Nanocomposite Science and Technology. / P.M. Ajayan, L.S. Schdler, A.V. Braun // Willey VCY. Gmbh I Co KgaA. 2004. -230 p. 9. Пул, Ч. Нанотехнологии. / Ч. Пул, Ф.Оуэнс // М: Техносфера. 2005. – 334 с. 10. Китель, Ч. Квантовая теория твердых тел. / Ч. Китель // М.: Наука. 1967. - 491 с. 11. Строшио, М. Фононы в наноструктурах. / М. Строшио, М. Дутта / М.: Физ. мат. лит. - 2006. – 319с. 12. Каганов, М.Н. Введение в квантовую теорию твердого тела. / М.Н. Каганов, В.В. Ржевский // М.: Изд. МГУ. - 1987. - 144 с. 13. Лиопо, В.А. Введение в физику наноразмерных частиц. / В.А. Лиопо, В.А. Струк, С.В. Авдейчик. // Промышленность региона: проблемы и перспективы инновационного развития. –. Гродно: ГГАУ. 2008. – С. 223 – 272. 14. Косевич, В.В. Наноплазмоника. / В.В. Косевич // УФН. 2008. - Т. 178. - № 8. - С. 875-880. 15. Лиопо, В.А. Габитус нанокристаллов. / В.А. Лиопо // Низкоразмерные системы - 2. 2005. Вып. 4. – С. 175186. 16. Лиопо, В.А. Теорема Блоха и геометрический критерий наноразмерности. / В.А. Лиопо // Актуальные проблемы физики твердого тела Сб. докл. межд. науч. конф. ФТТ-2007. - 23-26.10.2007. - Т.2.

185

НЕКОТОРЫЕ ОСОБЕННОСТИ КОМБИНИРОВАННОЙ ОТДЕЛОЧНОЙ ОБРАБОТКИ ОСЕВЫХ ЛЕЗВИЙНЫХ ИНСТРУМЕНТОВ Маджид Абдул Джалил Х., Михайлов А.Н. (ДонНТУ, г. Донецк, Украина) In given work we are studying and examining some characteristics of the technological process to improve the quality and productivity of finishing treatment for axial cutting tools with vacuum ion-plasma coatings. For example, spiral drills processing of highspeed steels defined parameters quality and productivity for each operation of the manufacturing processes. Развитие научно-технического прогресса ведет к непрерывному повышению требований к параметрам качества осевых лезвийных инструментов. Ввиду этого для изготовления осевых лезвийных инструментов широко используются прогрессивные технологические процессы [1, 2], обеспечивающие заданные параметры их качества. При этом для повышения эффективности работы осевых лезвийных инструментов и увеличения их стойкости на современных машиностроительных заводах используются инструменты с вакуумными ионно-плазменными покрытиями, наносимые методом конденсации и ионной бомбардировки (КИБ) [3, 4, 5]. При этом существующие технологические процессы не приводят к существенному повышению эксплуатационных свойств осевых лезвийных инструментов. Дальнейшее повышение свойств осевых лезвийных инструментов с вакуумными ионно-плазменными покрытиями, можно выполнять за счет разработки дополнительных технологических процессов отделочной обработки, базирующихся на функционально-ориентированном [6, 7] и системном подходе [8]. Целью данной работы является анализ направлений повышения качества и производительности отделочной обработки осевых лезвийных инструментов с вакуумными ионно-плазменными покрытиями. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи: определить основные операции, входящие в структуру рассматриваемого технологического процесса; определить факторы и параметры процесса, которые влияют на качество и производительность проведения каждой операции, составляющей технологический процесс комбинированной отделочной обработки осевых лезвийных инструментов с вакуумными ионноплазменными покрытиями. Основное воздействие операций отделочной обработки направлено на поверхность и приповерхностные слои материала режущей части инструмента и проводится после заточки инструмента. К операциям отделочной обработки, которые будут рассмотрены в рамках данной работы, относят шлифование, полировку, доводку, операции по приданию режущей кромке необходимого радиуса ее скругления и нанесение на функциональные элементы осевых инструментов вакуумных ионноплазменных покрытий. Рассматривать технологический процесс отделочной обработки можно на основании следующей схемы, которую можно представить из следующих этапов: - предварительные отделочные операции осевого лезвийного инструмента, - операции подготовки осевого лезвийного инструмента к нанесению покрытия, - операции нанесения вакуумного ионно-плазменного покрытия на осевой лезвийный инструмент, - дополнительные отделочные операции осевого лезвийного инструмента, - операции контроля качества осевого лезвийного инструмента. Каждый из этих этапов технологического процесса содержит определенное

186

количество элементарных технологических операций. Рассмотрим особенности дополнительной отделочной обработки осевых лезвийных инструментов на примере реализации указанного технологического процесса для спиральных сверл из быстрорежущей стали марки Р6М5 изготовленных по ГОСТ 10902-77 (средняя серия) в состоянии после заводской заточки. На первом этапе проводим шлифование задней и передней поверхности режущей кромки на полуавтомате заточном для сверл, зенкеров и метчиков модели 3Е653. Применяемый круг шлифовальный типа ПП (ГОСТ 2424-83) из белого электрокорунда 24А, зернистостью 16-П, степени твердости С2, со структурой №7, на керамической связке К5. Частота вращения шлифовального круга n=3000 об/мин, частота вращения сверла n1 = 32 об/мин. Обработка выполнялась в автоматическом режиме с выхаживанием. Применяемая смазывающая охлаждающая жидкость – УНИЗОР-М. Такая обработка позволяет получить предельные параметры шероховатости задней и передней поверхностей сверла в диапазоне Ra = 0,63 ...0,32 мкм . Для определения параметров шероховатости передней и задней поверхности сверл изготовлены специальные приспособления, которые монтируются в зажимном устройстве на станине профилографа-профилометра и позволяют вести регулировку пространственного положения поверхностей сверла относительно траектории движения иглы (наконечника) прибора. Приспособления, общий вид которых приведен на рис. 1 и 2 предназначены для закрепления сверла при измерении шероховатости задней и передней поверхностей соответственно.

Рис. 1. Приспособление для измерения шероховатости задней поверхности спирального сверла, закрепленное в зажимном устройстве на станине профилографа-профилометра

Рис. 2. Приспособление для измерения шероховатости передней поверхности спирального сверла, закрепленное в зажимном устройстве на станине профилографа-профилометра

Для скругления, упрочнения и тренировки режущих кромок сверл применяли пескоструйную обработку. В результате обеспечивается скругление режущих кромок

187

сверл до величины – r = 10 … 15 мкм, при исходных 20 мкм. Величина радиуса скругления режущих кромок и скорость его образования являются функциями времени обработки, размера и типа абразивного зерна. Указанные параметры подбирают эмпирическим путем в каждом конкретном случае. После пескоструйной обработки осевого лезвийного инструмента необходимо восстановить и улучшить параметры шероховатости поверхности сверл. В данной работе этот процесс выполнялся полировкой поверхностей инструментов с применением войлочного круга и пасты ГОИ. Процесс полировки рабочих поверхностей осевого лезвийного инструмента (сверл) выполнен с использованием полировального станка ШМ-1. Параметры шероховатости полированных поверхностей составили следующие величины Ra = 0,08 ...0,06 мкм . На втором этапе рационального комплексного технологического процесса дополнительной отделочной обработки осевого лезвийного инструмента выполняются операции подготовки осевого лезвийного инструмента к нанесению покрытий. На этом этапе реализуются следующие операции: обезжиривание инструмента с применением ультразвука, промывка инструмента, сушка инструмента. Здесь, дополнительно могут выполняться операции химической очистки и гидроабразивной очистки. Для этого применяются специальные составы сред и режимы обработки. В качестве источника колебаний применена установка ультразвуковых колебаний УЗГ 3-4 и магнитострикционные преобразователи ПМС 2,5-18, смонтированные в специальных ваннах. Обезжиривание выполнялось путем погружения инструментов в раствор при температуре 50-60 ºС. Состав раствора: тринатрийфосфат технический – 30-40 г/л; сода кальцинированная техническая 20-30 г/л; поверхностно активное вещество ОП-7 или ОП-10 – 3,5 г/л. Дополнительно здесь может применяться бензин «Галоша» (БР-1) ГОСТ 443-76 с последующей промывкой в спирте этиловом ректификационном. Время обезжиривания 3-7 мин. На третьем этапе комплексного технологического процесса дополнительной отделочной обработки осевых лезвийных инструментов выполняются операции нанесения вакуумных ионно-плазменных покрытий. На этом этапе предусмотрено выполнение следующих операций: - азотирование инструмента в тлеющем разряде (выдержка - 30 мин, атмосфера азотирующая разряженная до 135 … 665 Па, рабочее напряжение - 350 … 550 В); - ионная бомбардировка и прогрев инструмента 5 … 10 мин; - металлизация функциональных элементов инструмента 3 … 5 мин; - нанесение многослойного композиционного нитрид-титанового покрытия (1520 слоев); - охлаждение инструмента. Нанесение покрытий производили на установке ННВ 6.6-И1 для вакуумного ионно-плазменного напыления покрытий на осевой лезвийный инструмент. Данная установка позволяет реализовать полный комплекс всех операций третьего этапа комплексного технологического процесса отделочной обработки осевых лезвийных инструментов. Установка имеет поворотный стол с планетарным движением осевых лезвийных инструментов . В ходе выполнения экспериментальных исследований параметров нанесения нитрид- титанового покрытия на осевой лезвийный инструмент (сверла) установлена зависимость относительной шероховатости Ra 2 Ra1 поверхности инструмента с покрытием TiN от исходной шероховатости Ra1 поверхности. Исследования выполнялись с использованием материал подложки - сталь инструментальная

188

легированная ХВ4Ф, исходная микротвердость – (0,3 − 0,4) ⋅ 10 3 МПа , толщина покрытия h = 6 мкм , ток дуги I Д = 160 А . Установлено, что зона рациональной шероховатости передней и задней поверхности до полировки и нанесения покрытия лежит в пределах Ra = 0,63 ...0,32 мкм . При исследованиях зависимости шероховатости поверхности Ra 2 инструмента с нитрид титановым покрытием TiN от его толщины h для различных параметров тока дуги I Д . использовался материал подложки - сталь инструментальная легированная ХВ4Ф, его исходная микротвердость – (0,3 − 0,4) ⋅ 10 3 МПа . Во всех случаях толщина покрытия составляла h = 6 мкм , исходная шероховатость поверхности Ra1 = 0,080 мкм . Можно отметить, что для осевого лезвийного инструмента наиболее рациональные параметры толщины нитрид-титанового покрытия находится в пределах h = 2 ... 6 мкм . На четвертом этапе комплексного технологического процесса дополнительной отделочной обработки осевых лезвийных инструментов могут выполняться следующие операции: - доводка передней поверхности инструмента для обеспечения остроты кромки, - глянцевание функциональных элементов инструмента (передняя и задняя поверхность инструмента), - магнитоимпульсная обработка осевого лезвийного инструмента. Эти дополнительные операции необходимы для окончательного обеспечения заданной совокупности параметров осевых лезвийных инструментов. А именно доводка передней поверхности инструмента необходима для обеспечения необходимой остроты режущих кромок. Глянцевание функциональных элементов инструментов выполняется специальными кругами из органических волокон с применением микрошлифпорошков. Магнитоимпульсная обработка обеспечивает снижение влияния возникающих внутренних концентраторов напряжения из-за особенностей термических воздействий на инструмент. На пятом этапе рационального комплексного технологического процесса дополнительной отделочной обработки осевых лезвийных инструментов выполняются следующие операции: - анализ внешнего вида и параметров точности осевых лезвийных инструментов; - определение параметров шероховатости поверхности функциональных элементов инструментов; определение параметров микротвердости поверхностного слоя функциональных элементов инструментов; - определение стойкости инструментов. Можно отметить, что в настоящее время проведены исследования по реализации рационального комплексного технологического процесса дополнительной отделочной обработки осевых лезвийных инструментов. Выполнена реализация полного множества операций для спиральных сверл, изготовленных на Украине, и концевых фрез, изготовленных в Румынии. В заключение можно отметить, что в данной работе выполнен анализ особенностей рационального технологического процесса дополнительной отделочной обработки осевых лезвийных инструментов. Приведены параметры технологического процесса по выполняемым операциям, рассмотрены особенности структурных 189

вариантов технологической системы и определено их влияние на параметры качества и производительности нанесения покрытий. Исследованы особенности формирования шероховатости рабочих поверхностей инструмента по операциям технологического процесса и установлена зависимость формирования геометрии режущего клина по операциям технологического процесса. Список литературы: 1. Справочник инструментальщика / И.А. Ординарцев, Г.В. Филиппов, А.Н. Шевченко и др. – Л.: Машиностроение, 1987. – 846 с. 2. Боровский Г.В., Григорьев С.Н., Маслов А.Р. Справочник инструментальщика / Под общей ред. А.Р. Маслова. – М.: Машиностроение, 2005. – 464 с. 3. Внуков Ю.Н. Нанесение износостойких покрытий на быстрорежущий инструмент. – Киев, Тэхника, 1992. – 143 с. 4. Верещака А.С. Работоспособность режущего инструмента с износостойкими покрытиями. М.: Машиностроение: 1993, 336 с. 5. Панфилов Ю.В., Беликов А.И., Иванчиков И.В. Тонкопленочные покрытия на инструменте: анализ современного состояния и тенденции развития. Электронные, ионные и плазменные технологии. Приложение. Справочник. Инженерный журнал № 1, 2000, 12-16. 6. Михайлов А.Н. Основы синтеза функционально-ориентированных технологий машиностроения. - Донецк: Технополис, 2008. – 346 с. 7. Михайлов А.Н., Михайлов В.А., Михайлова Е.А. Методика и основные принципы синтеза функциональноориентированных вакуумных ионно-плазменных покрытий изделий машиностроения. // Упрочняющие технологии и покрытия. – М.: Машиностроение. №7. 2005. С. 3 – 9. 8. Хубка В. Теория технических систем: Пер. с нем. - М.: Мир, 1987. - 208 с. ПОВЫШЕНИЕ НАГРУЗОЧНОЙ СПОСОБНОСТИ ЗУБЧАТЫХ КОЛЕС С НЕСТАНДАРТНЫМ ПРОФИЛЕМ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ СПОСОБАМИ Мазуру С. Г., Переу Е. К. (ТУМ, г. Кишинёв, Молдова) In the given work influence of various factors is investigated: height of rough nesses R z , radius of a rounding off of top of ledges r, an angle of slope of the parties of rough nesses β, the relation of radius of a rounding off of ledges to their maximum height, basic length of a profile t p , distribution of roughness on profile height n ф /n o on loading ability of surfaces of teeth’s processed in the various strengthening ways. В данной работе исследовано влияние различных факторов: высота неровностей R z , радиус закругления вершины выступов r, угол наклона сторон неровностей β, отношение радиуса закругления выступов к их максимальной высоте, опорная длина профиля t p , распределение неровностей по высоте профиля n ф /n o на нагрузочную способность поверхностей зубьев обработанных различными упрочняющими способами. Геометрические поверхности зубьев получены различными способами: зубофрезерованием, зубодолблением, зубошлифованием и последующим выглаживанием которое для зубчатых колес изучено в меньшей мере. В связи с этим в данной работе приведены некоторые данные влияния различных факторов как параметров шероховатости, структуры и физико-механических свойств поверхностного слоя зубчатых колес, обработанных различными методами. Влияние комбинированной обработки на характеристики шероховатости

190

Проводилось исследование влияния комбинированной обработки на изменение основных параметров шероховатости профиля зубчатых колес, подвергаемых азотированию. Для исследования влияния силы деформирования на изменение микрорельефа поверхности была проведена пластическая деформация образцов с различными силами. На рисунке 1 представлена последовательность изменения исходного микрорельефа, полученного зубофрезерованием, в зависимости от силы деформирования при последующей, где а) - исходная шероховатость, б) - шероховатость после КО с различными силами. Если форма отдельных неровностей образцов, обработанных зубофрезерованием, представляла собой конус с закругленными вершинами (рис.1.), то уже при начальной силе Р=300 кгс - усеченный конус. Высота неровностей при этом уменьшилась с R z 10 мкм до R z 5 мкм, т.е. в 2 раза; резко изменились геометрические параметры отдельных неровностей: радиусы закругления вершин, углы наклона образующих, а также распределение вершин по высоте, т.е. параметры, в первую очередь определяющие условия работы трущихся пар. С увеличением силы Рис.1. Последовательность изме- (Р=400 кгс) происходит постепенное уменьшение нения исходного микрорельефа после неровностей, но их форма - усеченный конус - не комбинированной обработки зубчатых изменилась. При дальнейшем увеличении силы Р=500600кгс металл выступов полностью заполняет впадины, колес поверхность выравнивается, образуется новый микрорельеф, отличающийся от исходного не только высотой неровностей, но их формой и шагом. При изучении влияния КО на изменение шероховатости поверхности опытным путем было установлено, что сила в 5 кН является оптимальной или близкой к оптимальной, так как при силе равной 7,5 кН поверхностная твердость активного профиля у образцов несколько снижается. В этом случае появляется перенаклеп [3]. Полученны основные геометрические характеристики шероховатости поверхностей, обработанных различными методами (зубофрезерованием, зубодолблением, зубошлифованием, КО и др.), широко применяемыми для обеспечения качества поверхности профилей зубчатых колес. Как следует из данных, после КО создается микрорельеф по своим геометрическим характеристикам превосходящий не только все известные способы обработки резанием, но и такие эффективные способы, применяемые только для ответственных передач, как зубохонингование и притирка. Одна из таких важных геометрических характеристик формы микронеровностей, принятая за критерий оценки геометрии шероховатости – r/Rmax , (отношение радиуса закругления выступов к их максимальной высоте) у образцов, обработанных КО на несколько порядков больше, чем у образцов, обработанными другими технологическими методами. Влияние комбинированной обработки на характеристики волнистости В данной работе исследовалось влияние КО на изменение волнистости для зубчатых колес, Рис.2. Поверхности зубчатых подвергаемых азотированию. На рис. 2 показаны поверхности зубчатых колес, обработанные колес, с применением КО шлифованием и КО после зубофрезерования. На

191

поверхностях, обработанных шлифованием после приработки появилась рябь, вследствие контакта по вершинам волн и засветления этих участков. На образцах после КО поверхность контакта наблюдается в виде сплошной полоски без разрывов. Из сопоставления фотографий видно, что у образцов после КО, фактическая площадь контакта значительно больше, чем у шлифованных. На рис. 3. приведены волнограммы, снятые с поверхностей этих образцов в тангенциальном направлении (поперечная волнистость): -зубофрезерование + зубошлифование, КО. Как видно из приведенных волнограмм, образцы, обработанные шлифованием, имеют волнистость значительно большую, чем после КО. Таким образом, поверхности образцов, обработанные КО, имеют волнистость во много раз меньшую, чем Рис.3. Волнограммы, образцы, обработанные зубофрезерованием, снятые с поверхностей зубодолблением и зубошлифованием. образцов, обработанных Влияние комбинированной обработки на различными методами а) упрочнение поверхностного слоя зубофрезерование + Для исследования влияния комбинированной зубошлифование, б) КО обработки (КО) на изменение микротвердости в поверхностном слое зубчатых колес были изготовлены роликовые образцы, обработанные по 2 вариантам: разработанному и стандартному. Распределение микротвердости образцов представлено на графиках рис. 4. Как видно из графиков (рис. 4), образцы, обработанные по предлагаемой технологии (с применением КО) имеют большую поверхностную твердость, чем образцы, обработанные по стандартной технологии. Наибольшее изменение поверхностной твердости имеют слои близкие к поверхности. Это соответствует экспериментам [3], выполненными на стали 45ХНМФА, согласно которым наибольшее изменение микрострукруры в результате ППД происходит в слоях до 0,5... 1,0 мм от поверхности. Как показывают исследования, поверхностная твердость обрабатываемого материала и глубина пластической деформации зависит от режимов упрочнения, физикомеханических свойств, структуры и химического состава материала. Влияние комбинированной обработки на свойства поверхностного слоя азотируемых сталей Азотирование позволяет получить твердость поверхностного слоя стальных деталей большую, чем цементация. Однако, достоинства азотированного слоя высокая износостойкость, усталостная и коррозионная прочность - в наибольшей степени проявляются в сочетании с низкой шероховатостью азотированной поверхности Рис. 4. График зависимости (для зубчатых колес не ниже Ra 1,25 мкм.). К микротвердости от глубины тому же под азотирование допускается сталь с зерном не ниже 7 балла шкалы поверхностного слоя зернистости по ГОСТ 5639-85. Учитывая исследования можно предположить, что применяя КО перед азотированием можно создать упрочненный подслой на требуемую глубину, уменьшить шероховатость и обеспечить

192

плавное снижение твердости по глубине, что позволит повысить нагрузочную способность тяжелонагруженных зубчатых передач. Для проверки данного предположения были изготовлены цилиндрические зубчатые и обработаны по двум технологическим вариантам: 1 - стандартный, 2 предлагаемый . Экспериментальное определение влияния КО на качество азотированного слоя исследовалось на стали Рис. 5. Фотография 40ХНМА широко применяемой для изготовления зубчатых поверхностного слоя колес. Образцы после зубофрезерования червячной фрезой с образца, обработанного протуберанцем согласно расчету ЗЛ. (шероховатость Rz 10 с применением мкм) упрочнялись на оптимальных режимах, т.е. Р=600кгс, комбинированной п=30 об/мин, шероховатость обкатанных образцов обработки соответствовала Rz 1 мкм. Выкружка упрочнялась ОПД при силе Р=200кгс. Газовое азотирование производилось на режимах, применяемых на заводе для азотирования зубчатых колес. По предлагаемому варианту зубчатые колеса упрочнялись инструментом . Проведенные исследования выявили качественные изменение в азотированном слое, вызванные комбинированной обработкой . Установлено, что на поверхности зубчатых колес в результате КО наблюдается направленная ориентация зерен азотированного слоя, причем размеры этих зерен меньше (рис.5), чем размеры зерен азотированного слоя, не подвергнутого КО. При этом, при обработке по предлагаемому варианту, глубина азотируемого слоя больше, т.к. увеличивается плотность дислокаций, что способствует увеличению диффузии атомов азота в поверхностный слой металла. В результате КО на поверхности упрочненных образцов создается такая шероховатость, которая обеспечивает надежное разделение контактирующих поверхностей слоем смазки. Таким образом, комбинированная обработка является эффективным методом повышения нагрузочной способности азотируемых зубчатых колес. Влияние комбинированной обработки на свойства поверхностного слоя выкружки Для исследования влияния объемной пластической деформации на изменение микротвердости в области выкружки были изготовлены зубчатые колеса m=5, z=18, сталь 18XGT и обработанные по двум технологиям: стандартной и предлагаемой (с применением КО). Распределение микротвердости в выкружке зубчатых колес после стандартной технологии и КО представлен на графике рис.7. На графике распределения микротвердости по глубине поверхностного слоя (для зубчатых колес среднего модуля) (рис.7), видно, что при КО в выкружке повышается микротвердость и глубина упрочнения более 0,7 мм. При формообразовании впадины зубчатого колеса объемной пластической деформацией (ОПД) Рис. 6. Представлена улучшается микрорельеф поверхности, происходит выкружка зубчатого колеса увеличение твердости, не нарушается сплошность металла. после упрочнения

193

Рис. 7. Распределение микротвердости в выкружке зубчатых колес В результате комбинированной обработки зубчатых колес создается микрорельеф более благоприятной формы (большими радиусами закругления вершин, меньшими углами наклона боковых сторон неровностей и т.д.), чем при обработке лезвийным инструментом. Влияние выглаживания на изменение физико-механических свойств материала поверхностного слоя, показало, что в результате упрочнения поверхностная твердость увеличивается на 13%, глубина упрочнения составляет более 0,8 мм. Комбинированная обработка зубчатых колес перед азотированием улучшает свойства поверхностного слоя, создает более мелкозернистую структуру, приводит к повышению твердости азотированного слоя на 12%. Применение выглаживания для высоконапряженных зубчатых колес обеспечивает повышение микротвердости, уменьшение шероховатости, улучшение структуры опасного сечения (выкружки) зубьев, глубина упрочненного слоя возрастает (более 0,7 мм.). Список литературы: 1. Mazuru S. и др. Cпособ выглаживания зубьев зубчатых колес. Положительное решение nr.5394 от 2008.01.21. 2. Mazuru S. и др. Приспособление для накатывания зубьев на колцевых заготовках. Brevet nr.2704 MD. I.Cl.: B21 H5/00, 1/06. Publ. 2004.11.30, BOPI nr.11/2004. 3. Балтер М.А. Упрочнение деталей машин. –М.: Машиностроение, 1968. -194с.

194

ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ РЕЗАНИЯ НА СТАНКАХ С ЧПУ НА ОСНОВЕ КОМПЛЕКСНОЙ КОМПЬЮТЕРНОЙ ДИАГНОСТИКИ ОСНОВНЫХ ФИЗИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ПРОЦЕССА РЕЗАНИЯ Макаров В.Ф., Шохрин А.В., Потягайло О.Н. (ПГТУ, г. Пермь, Россия) Are carried out researches of dependence of the physical phenomena of process of cutting (amplitudes of vibration, force of cutting, temperatures, acoustic noise and capacity) from modes of cutting. Mathematical models of dependences, also schedules of the given dependences on mathematical models are received and surfaces of the response are constructed. Brief recommendations on application of the computer stand of diagnostics are given. В научном плане сегодня явно недостаточно работ по установлению закономерностей влияния основных физических явлений процесса резания на производительность, себестоимость, качество обработки, износостойкость режущих инструментов с учетом автоматизации многоинструментальной обработки на станках с ЧПУ и обрабатывающих центрах. В связи с этим задача выявления наиболее значимых физических параметров процесса резания при его диагностике весьма актуальна. Появляется возможность не только управления через систему ЧПУ процессом резания по выбранным физическим параметрам, но и предотвращения случайных поломок инструмента и повреждения дорогостоящего оборудования. Очевидно, что эффективность диагностики в основном определяется информативностью используемых диагностических признаков, их зависимостью от условий обработки. Традиционно для диагностики процесса резания применялись его статические температурно-силовые параметры, в большинстве случаев недостаточно информативные. Последнее время и у нас в стране, и за рубежом, все большее внимание специалистов привлекает диагностика механической обработки на основе анализа высокочастотных динамических явлений различной физической природы: акустической эмиссии, вибрации, электромагнитного излучения, экзоэлектронной эмиссии. В Пермском государственном техническом университете совместно с фирмой ООО НПП «РОС» для решения поставленной выше задачи разработан комплексный компьютерный центр диагностики процесса резания, схема которого представлена на рисунке 1. Система регистрации и анализа сигналов представляет собой программу, которая выполняет регистрацию, обработку и оценку сигналов от датчиков, с отображением всех результатов на мониторе и оповещением персонала. Методика измерения характеристик (сила резания, температура, амплитуда вибрации, акустический шум, мощность привода) основана на применении метода математического планирования эксперимента [3]. Была поставлена задача описания зависимости физических параметров процесса резания от скорости резания V, м/мин (х 1 ), подачи S, мм/об (х 2 ) и глубины резания t, мм (х 3 ). у1 , у 2 , у 3 – исследуемые параметры при различных режимах резания. Исследуемыми параметрами являются: сила резания, температура резания, амплитуда вибрации, акустический шум, мощность привода. Для получения оценок коэффициентов этого уравнения использован эксперимент типа 23. Были выбраны основные уровни факторов, близкие к применяемым в практике, а интервалы варьирования – исходя из реальных пределов колебаний значений факторов (табл. 1).

195

8 7

4 1

3 6 ~220В

метка

1 – динамометр с тензометрическими датчиками по осям X, Y, Z 2 – пирометр 3 – датчик мощности «СКМ» 4 – датчик вибрации ВД-03 5 – измеритель шума МКУ-1 6 – датчик оборотов 7 – усилитель сигналов 8 – крейт 9 – плата аналоговой фильтрации 10 – АЦП 11 – пульт управления

Рис. 1. Стенд компьютерной диагностики процесса резания. Таблица 1. Кодовые обозначения переменных Независимые переменные, влияющие на у Уровни V, м/мин S, мм/об t, мм варьирования X1 X2 X3 Верхний +1 128 0.3 1.5 Нижний -1 16 0.05 0.5 Нулевой 0 72 0.175 1 Интервал 56 0.125 0.5 варьирования Условия испытаний: исследования проводились на прецизионном токарновинторезном станке 1Е61М, обрабатываемый материал – сталь 45, инструмент – проходной резец, оснащенный пластиной из твердого сплава ВК8. В каждой точке факторного пространства опыт повторялся по три раза. Проверка значимости коэффициентов b i проходила с помощью критерия Стьюдента. Затем была проведена проверка адекватности модели по критерию Фишера. Аналогичным образом были построены остальные математические модели физических параметров процесса резания. Затем по полученным математическим моделям были построены графики зависимостей. Температура, а также сила резания и мощность также были исследованы, но в связи с тем, что эти параметры неоднократно исследуются в течение последних лет, мы здесь эти результаты не приводим, так как наши данные подтверждаются

196

ранними исследованиями, описанными в литературе. Далее приведены наиболее показательные графики зависимостей физических явлений от режимов резания ампл итуд а вибрации, мм/с

0,75

0,7

0,65

0,6

0,55

0,5 0 0.05 мм/об

0.1 мм/об

60 0.2 мм/об

100

0.3 мм/об

120

140

ск орость резания, м/мин

Рис. 2. График зависимости амплитуды вибрации от скорости резания при различных подачах при глубине резания 0.7 мм Из графиков зависимости амплитуды вибрации от скорости резания (рис. 2, рис. 3) видим, что все кривые параллельны между собой, при увеличении скорости происходит рост амплитуды вибрации. При изменении глубины резания значения амплитуды вибрации увеличиваются немного больше, чем при изменении подачи. амплитуда вибрации, мм/с

0,8 0,75 0,7 0,65 0,6 0,55 0,5 0 0.5 мм

20 0.7 мм

40 1 мм

100

120

140

скорость резания, м/мин

1.5 мм

Рис. 3. График зависимости амплитуды вибрации от скорости резания при различных глубинах резания при подаче 0.3 мм/об Наиболее показательными являются графики зависимости акустического шума от скорости резания при изменении подачи и глубины резания, поэтому они представлены на рисунках 4 и 5. Из этих графиков зависимости акустического шума от скорости резания мы видим, что при изменении глубины резания и постоянной подаче график зависимости акустического шума носит практически линейный характер и акустический шум практически не возрастает относительно каждой глубины резания. Но при увеличении значения глубины резания видно, что значение акустического шума резко возрастает и при максимальной глубине резания величина акустического шума достигает 55 дБ. 197

Чего нельзя сказать о графике зависимости акустического шума от скорости резания при изменении подачи, хоть зависимость акустического шума от скорости резания и нелинейная, но величина акустического шума изменилась не намного, и при максимальной подаче составило около 9.1 дБ. шум, д Б

9,1 9 8,9 8,8 8,7 8,6 8,5 8,4 8,3 0

0.05 мм/об 0.2 мм/об

0.1 мм/об 0.3 мм/об

100

120

140

ск орость резания, м/мин

Рис. 4. График зависимости акустического шума от скорости резания при различной подаче при глубине резания 0.5 мм шум, д Б

60 50 40 30 20 10 0 0

20 0.5 мм

40 0.7 мм

60 1 мм

80 1.5 мм

100

120

140

ск орость резания, м/мин

Рис. 5. График зависимости акустического шума от скорости резания при различной глубине резания при подаче 0.3 мм/об В заключение можно сказать, что проведенные эксперименты были подтверждены полученными математическими моделями, что говорит о качестве проводимых исследований. При увеличении режимов резания все физические параметры процесса резания увеличиваются по определенным зависимостям. Работа стенда была продемонстрирована на очередном Совете Главных технологов предприятий Пермского края в августе 2008 года в присутствии более 30 главных технологов и получила одобрение и поддержку в необходимости постановки и проведения научно-исследовательских работ по исследованию и диагностике процессов резания и режущего инструмента для предприятий машиностроения. Кроме того, центр диагностики будет использоваться и в учебных целях для студентов механико-технологического факультета.

198

Таким образом, встраивая датчики диагностики в систему ЧПУ любых металлорежущих станков, мы можем управлять процессом резания, выбирать ускоренным методом наиболее рациональные режимы резания по минимуму значений физических параметров резания, выбирать лучшую марку инструментального материала с лучшим покрытием, а также предотвращать поломки оборудования и инструмента.. Чем меньше вибрация , шум, силы резания тем более благоприятные условия наблюдаются в зоне резания , тем выше стойкость резцов, выше производительность и меньше себестоимость обработки. Поэтому мы можем рекомендовать установку подобных диагностических центров различным машиностроительным предприятиям, а также применять в учебном процессе для проведения лабораторных и научно-исследовательских работ в ВУЗах. Список литературы: 1. Большев Л.Н., Смирнов Н.В. Таблицы математической статистики. М., «Наука», 1965 – 474с. 2. Бобров В.Ф. Основы теории резания металлов. М., «Машиностроение», 1975 – 344 с. 3. Кацев П.Г. Статистические методы исследования режущего инструмента. М., «Машиностроение», 1974 – 231 с. ВЫБОР ИСХОДНЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ФОРМИРОВАНИЯ КОМПОЗИЦИОННЫХ ПОКРЫТИЙ МЕТОДОМ ПЛАКИРОВАНИЯ ГИБКИМ ИНСТРУМЕНТОМ Максимченко Н.Н. (Объединенный институт машиностроения НАН Беларуси, г. Минск, Беларусь) Mathematical dependence of a thickness of a composite covering on the basis of copper from initial technological parameters of process of mechanical plating of flexible instrument is received. Rational intervals of a variation of technological parameters for formation of coverings from the composite materials-donors, providing reception of a continuous covering of a demanded thickness are defined. Введение. В последние годы из большого разнообразия методов формирования покрытий получает распространение сравнительно недорогой и простой в реализации метод плакирования гибким инструментом (ПГИ), основанный на механотермическом воздействии ворса вращающейся металлической щетки на элемент из материала покрытия и обрабатываемую поверхность, при котором ворсинки щетки переносят частицы материала покрытия на поверхность детали, одновременно осуществляя ее наклеп [1, 2]. Ранее выполненные исследования показали, что покрытия из литых цветных металлов и сплавов, преимущественно на медной основе, способствуют улучшению триботехнических характеристик пар трения скольжения [3], однако обладают ограниченными технологическими возможностями и не всегда удовлетворяют растущим требованиям по повышению износостойкости, усталостной прочности, несущей способности и других показателей деталей трибосопряжений. Для расширения технологических возможностей покрытий, сформированных методом ПГИ, целесообразно в качестве материала покрытия использовать композиционные материалы, легированные упрочняющими и антифрикционными компонентами. Предварительные эксперименты в этом направлении показали, что режимные параметры процесса ПГИ, используемые при формировании покрытий из литых цветных металлов и сплавов, оказываются малопригодны для композиционных материалов по причине неудовлетворительной сплошности получаемых покрытий и

199

слабой прочности сцепления с основой. Неметаллические включения, содержащиеся в составе материалов-доноров (графит, дисульфид молибдена, ультрадисперсная алмазнографитная шихта УДАГ и др.), препятствуют не только схватыванию и переносу ворсом щетки микрочастиц материала-донора на обрабатываемую поверхность, но и их прочному сцеплению с основой. Применяемые на практике диапазоны значений основных технологических параметров процесса ПГИ достаточно широки, а технологических рекомендаций по обоснованному выбору режимных параметров процесса ПГИ, обеспечивающих формирование качественного композиционного покрытия, в имеющихся источниках научно-технической информации не выявлено. В связи с этим возникает необходимость из многообразия используемых технологических режимов процесса ПГИ выделить область, обеспечивающую формирование качественных композиционных покрытий. Цель работы заключалась в определении рациональных интервалов варьирования основных технологических параметров процесса ПГИ для получения сплошного композиционного покрытия требуемой толщины. Методика испытаний. Многообразие и сложность физических и физикохимических явлений, происходящих при плакировании, затрудняют построение аналитических моделей, описывающих процесс формирования толщины покрытий, поэтому наиболее перспективным путем математического моделирования является получение уравнений регрессии методом планирования эксперимента. В качестве варьируемых факторов были взяты исходные технологические параметры процесса нанесения покрытий методом ПГИ: время обработки, количественно выражаемое числом проходов n щетки по поверхности детали (фактор Х 1 ); величина относительного сближения оси щетки с обрабатываемой поверхностью (натяг) N (фактор Х 2 ); отношение окружных скоростей вращения обрабатываемой детали и металлической щетки V д /V щ (фактор Х 3 ). С учетом имеющейся информации и результатов предварительных исследований интервалы варьирования факторов установлены следующие: n (фактор Х 1 ) – 5…15; N (фактор Х 2 ) – 0,5…1,5 мм; V д /V щ (фактор Х 3 ) – 0,15…0,35. Параметр оптимизации – толщина h композиционного покрытия. Для получения математической модели процесса в виде полинома второй степени был реализован некомпозиционный план второго порядка. По технологическим режимам, соответствующим матрице планирования эксперимента, осуществляли формирование на экспериментальных образцах композиционного покрытия на основе меди. Для нанесения покрытия использовали стальную проволочную щетку с гофрированным ворсом из стали 65Г (ГОСТ 1050-88), диаметр ворса 0,2 мм, вылет ворса 40…75 мм. Для измерения толщины плакированного слоя использовали цифровой магнитный толщиномер МТЦ-3М. Значения толщины сформированных покрытий получали как среднее из 20-25 измерений. Толщина покрытий в зависимости от технологического режима ПГИ составляла 4…14 мкм. Для оценки сплошности покрытия использовали величину λ, равную отношению площади покрытой поверхности ко всей площади покрываемой поверхности. Сплошность покрытий определяли визуально с помощью микроскопа МИ-1 при 200кратном увеличении. Результаты исследований. После статистической обработки экспериментальных данных и выделения статистически значимых коэффициентов регрессии по известным методикам была получена регрессионная зависимость толщины композиционного покрытия от установленных факторов: h = 9,524 + 3,125 X 1 + 2 X 2 + 1,125 X 3 − 1,493 X 22 − 1,247 X 32 .

200

Проверка по критерию Фишера при 5 %-ном уровне значимости подтвердила адекватность разработанной модели. Анализ полученной модели показывает, что наибольший вклад в прирост толщины покрытия вносит фактор Х 1 ; положительное влияние факторов Х 2 и Х 3 ослабляется отрицательными коэффициентами при вторых степенях соответствующих факторов. Для удобства интерпретации полученных результатов и использования модели для практических расчетов целесообразно перейти к натуральным значениям факторов: h = −17,3 + 0,63n + 15,94 N + 73,6 (V Д / VЩ ) − 5,97 N 2 − 124,7(V Д / VЩ ) 2 . На рис. 1 приведены зависимости толщины покрытия h от исследуемых технологических параметров процесса плакирования, построенные с использованием разработанной модели. На основании анализа полученных зависимостей можно заключить, что в пределах установленных интервалов варьирования факторов увеличение натяга, времени обработки, а также отношения окружных скоростей вращения обрабатываемой детали и металлической щетки V д /V щ приводит к приращению толщины покрытия, однако до определенного уровня. мкм

мкм

Vд/Vщ=0,15

Vд/Vщ=0,25

Vд/Vщ=0,35

n=5

n=10

n=15

2 0 5

0 0,15

0,2

0,25

V д /V щ

0,3

0,35

мкм

10 8

10-12 8-10 6-8 4-6 2-4

h 4

n=5

n=10

n=15

0,35 0,25

0 0 0,5

0,7

0,9

1,1

1,3

0,5

1,5 мм

0,7

0,9

1,1

1,3

0,15 V д / V щ 1,5 мм

Рис. 1. Зависимость толщины h композиционного покрытия от n при N = 1,0 мм (а), от V д /V щ при N = 1,0 мм (б), от N при V д /V щ = 0,25 (в), от V д /V щ и N при n = 10 (г)

201

Зависимость толщины покрытия от величины натяга носит нелинейный характер: прирост толщины покрытия происходит до уровня N = 1,1…1,3 мм, дальше которого увеличение N не приводит к существенному росту толщины покрытия. Причина в том, что при величине натяга, большей 1,1…1,3 мм, происходит не столько перенос ворсом щетки материала покрытия на обрабатываемую поверхность, сколько, наоборот, снятие части ранее сформированного слоя вследствие развивающихся процессов микрорезания. Подобный эффект наблюдается и при чрезмерной длительности обработки: практика показывает, что увеличение числа проходов щетки по обрабатываемой поверхности более 10 не приводит к значительному приращению толщины покрытия, а может лишь ухудшить качество поверхностного слоя. Таким образом, на основе анализа полученных зависимостей, принимая во внимание, что чрезмерное время обработки снижает производительность процесса нанесения покрытия, а увеличение натяга может вызвать преждевременный износ ворса металлической щетки, установлено, что для формирования композиционных покрытий целесообразно устанавливать следующие интервалы варьирования исходных технологических параметров процесса ПГИ: n = 8…12, N = 0,8…1,3 мм, V д /V щ = 0,23…0,27. Толщина покрытия при этом составляет 8…12 мкм. Результаты оценки сплошности композиционных покрытий, сформированных с использованием установленных диапазонов значений n, N и V д /V щ , подтвердили, что выбранные интервалы варьирования факторов обеспечивают получение сплошного покрытия (рис. 2). Для сравнения на рис. 2 показаны и кривые, характеризующие покрытия, сформированные на режимах, выходящих за пределы установленных интервалов. Очевидно, что уменьшение нижней границы интервала не обеспечивает стопроцентной сплошности покрытия, а увеличение верхней границы интервала технически и экономически нецелесообразно. %

110

100

n > 10 n = 10 n=7 n=5

50 40

0,7

0,9

1,1

1,3

60 50 40

30 0,5

N = 0,6 мм N = 0,8 мм N = 1 мм N = 1,5 мм

1,5

мм

а б Рис. 2. Зависимость сплошности λ покрытия от N (а) и n (б) при V д /V щ = 0,25 Качественная оценка адгезионной прочности сцепления композиционных покрытий методом крацевания (ГОСТ 9.302-88) стальными щетками с последующим визуальным осмотром поверхности показала, что на поверхности образцов отсутствуют дефекты в виде вздутий или отслаивания покрытия, что свидетельствует о высокой адгезии покрытия к подложке.

202

Выводы. Получена математическая зависимость, позволяющая установить рациональные интервалы варьирования исходных технологических параметров процесса ПГИ (n = 8…12, N = 0,8…1,3 мм, V д /V щ = 0,23…0,27), обеспечивающие получение покрытия заданной толщины из композиционных материалов-доноров, содержащих неметаллические включения. Использование установленных диапазонов значений приводит к формированию на обрабатываемой поверхности сплошного прочно сцепленного с основой композиционного покрытия. Список литературы: 1. Анцупов, В.П. Теория и практика плакирования изделий гибким инструментом / В.П. Анцупов. – Магнитогорск: МГТУ им. Г.И. Носова, 1999. – 241 с. 2. Белевский, Л.С. Пластическое деформирование поверхностного слоя и формирование покрытия при нанесении гибким инструментом / Л.С. Белевский. Магнитогорск: Изд-во Магнитогор. лицея РАН, 1996. – 230 с. 3. Леванцевич, М.А. Повышение эксплуатационных свойств трибосопряжений нанесением покрытий металлическими щетками / М.А. Леванцевич, Н.Н. Максимченко, В.Г. Зольников // Вес. Нац. акад. навук Беларусi. Сер. фiз.-тэхн. навук. - 2005. - № 1. - С. 67-72. ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ ТЕХНОСФЕРЫ И СПЕЦИАЛЬНАЯ ТЕХНИКА Максименко А.А., Полякова Е.И. (ОАО НИИ «Изотерм», г. Брянск, Россия) The rapid development of scientific and technological progress, the formation of megapolises has led to the creation of new challenges in the development of technosphere directly connected with ecological disturbances in the human environment. Для успешного решения проблем восстановления нарушенного баланса среды обитания населения мегаполисов необходимо определить наиболее опасные для существования человека загрязняющие факторы, устранение которых дает наибольший эффект, а так же обозначить актуальные проблемы безопасности экосферы мегаполиса. Наиболее весомый вклад в отравление среды обитания человека вносят специфические газовые выделения промышленных предприятий, загрязненные твердыми бытовыми отходами (ТБО) территории под жилищно-хозяйственными постройками. Самое опасное загрязнение техносферы мегаполиса – радиоактивное. Опыт эксплуатации атомных электростанций во всём мире и в России, постоянно растущий уровень требований по охране окружающей среды привели к необходимости совершенствования технологий переработки жидких радиоактивных отходов (ЖРО), образующихся при работе станции. ОАО НИИ «Изотерм» имеет большой опыт в проектировании и изготовлении оборудования для переработки не только ЖРО, но и ТРО. Это оборудование такое как: ۰ для ионоселективной очистки жидких радиоактивных отходов (ЖРО); ۰для переработки ЖРО; ۰для переработки твердых радиоактивных отходов (ТРО). Это оборудование является наиболее эффективной из всех ранее разработанных. Эффективность заключается в простоте конструкции, малом объёме работ и времени проведения подготовительных операций.

203

Оборудование удовлетворяет правилам и нормам, действующим в атомной энергетике и согласуется с работами генпроектировщика . Озабоченность состоянием экологии дало толчок к развитию производства энергии из возобновляемых источников (солнце, ветер). Солнечный свет - это неистощимый ресурс, он экологически безопасен, доступен каждому, его не требуется перекачивать по трубопроводам. Наиболее известный метод использования солнечной энергии - это использование солнечных элементов, или батарей. Солнечные элементы сделаны из специально обогащенных кремниевых кристаллов. В настоящее время около 90% производимых в мире солнечных фотоэлементов (ФЭП) изготавливается на основе кристаллического кремния. В 2007 г. 42,2% ФЭП были изготовлены на основе монокристаллического кремния, 45,2% - на основе полиили мультикристаллического кремния, 2,2% - в виде микрокристаллических кремниевых лент. ОАО НИИ «Изотерм» имеет большой опыт в проектировании и изготовлении оборудования для выращивания кристаллов кремния. Список литературы: 1. EVOLUTION-деловой и технический журнал фирмы SKF. – Швеция, 2008. – 40с. 2. Журнал «Безопасность жизнедеятельности» № 11, 2005 г. ГИДРОДИНАМИЧЕСКАЯ СЕПАРАЦИЯ МНОГОФАЗНОГО ПОТОКА НА СУДАХ ДНОУГЛУБИТЕЛЬНОГО ФЛОТА Малахов А.В., Карьянский С.А., Ткаченко И.В. (ОНМУ, ОНМА, ОНМУ, г. Одесса, Украина) Проблема качественной эксплуатации судов дноуглубительного флота является очень важной. В последнее время наблюдается общемировая тенденция к созданию новых транспортных коридоров, многие из которых включают в себя участки, проходящие по территории рек или глубоководных судовых ходов (ГСХ). Одним из примеров такого участка является ГСХ ”Дунай-Черное море”, входящий в VII транспортный коридор и обеспечивающий речные суда европейских стран и Украины выходом к морским путям. Наличие естественных русловых процессов по всей протяженности ГСХ “Дунай-Черное море” требует постоянного поддержания расчетных глубин, а возникающая при проведении дноуглубительных работ проблема отделения воды от грунта в условиях эксплуатации судовых земснарядов является очень важной, как с экономической, так и технологической точек зрения. Именно процентное содержание воды в перерабатываемом грунте определяет последующий состав пульпы, которая будет подвергаться подъему на борт землесоса, складированию и последующей транспортировке к карте намыва. В этом случае стоимость используемой технологической схемы и затраты на проведение работ (энергетические, транспортные, монтажные и т.п.) могут быть существенно уменьшены только за счет отбора избыточного процентного содержания воды, оптимальное значение которого в пульпе достигает 40 %. Все виды дноуглубительных работ выполняются специальными судами, которые представляют собой сложные технические комплексы. Практика эксплуатации

204

показывает, что, не смотря на высокий уровень их комплектации, по-прежнему остается большой перечень нерешенных проблем, связанных с технологической схемой выборки и транспортировки грунта. Большая часть стоимости дноуглубительных работ приходится на операцию доставки грунта к карте намыва. В этом случае объем транспортируемого груза определяет количество используемых судов, число их ходов, глубину и скорость выработки грунта, и т.д. Совершенствование системы обработки и доставки грунта напрямую приведет к совершенствованию всей технологической схемы в целом, а, следовательно, и к оптимизации процесса дноуглубления. В ходе анализа существующих типов судов дноуглубительного флота была разработана их общая классификация, которая базируется на основных способах отбора и доставки грунта к карте намыва. Был сделан вывод о том, что оптимальной конструкцией с точки зрения выемки грунта и доставки его на свалку является рефулерный гидравлический землесос. Именно этот тип судна характеризуется высокой производительностью при минимальном количестве контактирующих с грунтовой пульпой механических частей. Для такого судна в ходе проведения научно-исследовательских работ был разработан, показанный на рис. 1, новый сепаратор воды и грунта. Установка работает следующим образом: пульпа поступает по трубопроводу 3 в гидродинамический циклон 2, где за счет тангенциального подвода обеспечивается закрутка многофазного потока. В процессе вращения более тяжелая фаза (грунт) подвергается плотностной стратификации и смещается в сторону стенок циклона. В области оси вращения скапливается вода, которая отводится по трубопроводу 1. В последующем, грунт под действием собственного веса, попадает в сферический грунтоприемник 4, из которого поступает на узел механического отжима 5. За счет регулировки числа оборотов винта 6 и площади выходного сечения камеры отжима возможно изменять производительность установки и концентрацию воды в грунте.

Рис.1. Общая схема сепарационной установки Поскольку при дноуглублении могут встречаться различные типы грунтов для последующего проведения исследовательских работ были выбраны только характерные для ГСХ “Дунай-Черное море” виды грунта – илистый, глиняный и песчаный. Главной особенностью транспортировки илистой пульпы является многофазность ее состава. Если рассматривать грунт как однородное вещество, то в комбинации с водой при его перемещении необходимо учитывать существенное проявление неньютоновских свойств. Так, например, коэффициент динамической вязкости µ основной несущей 205

фазы (воды) уже не может использоваться, как постоянная величина и должен рассчитываться с учетом “поправки Энштейна”.  5  = µ ' µ 1 + α  ,  2 

(1)

где µ′ – динамическая вязкость пульпы, Пуаз; α – объемная концентрация ила в пульпе, %. Если считать, что пульпа представляет собой сплошную неоднородную среду то для нее должно выполняться главное физическое требование - неразрывность потока. В этом случае плотность определяется, как сумма i-х компонент n

ρ = ∑ ρi ,

(2)

i =1

а отношение

ρi определяет массовую концентрацию i-й компоненты. ρ

Поскольку размеры частиц ила нельзя принимать одинаковыми то при движении пульпы возникает известная задача статистической гидромеханики – нахождение функции распределения частиц “характерных размеров” по соответствующим локальным скоростям. В последующем такая функция позволяет решать практическую задачу об износоустойчивости, пропускной способности и допустимой протяженности судового грунтопровода. Локальные скорости каждой компоненты смеси должны определять суммарное значение средней скорости потока в целом V =

1 n

∑ ρiVi

(3)

ρ i =1

При движении ила с водой изменение количества движения и полной энергии каждой компоненты напрямую определяется связями этих компонент между собой. Эти связи напрямую зависят от возникающих при движении силовых взаимодействий. В этом случае при экспериментальном моделировании наиболее характерными являются: силы трения (вязкость, давление), сцепления (адгезия ила), инерции (присоединенные массы), теплопереноса. Если рассматривать вращающуюся в циклоне (см. рис.1) многофазную струю в постановке задачи об относительном покое частицы грунта во вращающейся жидкости (воде) то следует отметить, что в этом случае главный вектор сил давления жидкости  R на частицу (плотностью ρ) объемом W, ограничивающим поверхность S определяется как  R= − ∫ np ' dS = − ∫ gradPdW S

(4)

Входящий в выражение (4) градиент давления равен

gradP = ρ g + ρ w2 r

206

(5)

С учетом (5) для случая вращающейся вертикальной струи жидкости с постоянной угловой скоростью w выражение (4) можно записать как  − ∫ ρ gdW − R= W

∫ ρw

− Fa − ρ w2 rcW rdW =

(6)

где F a – архимедова сила, Н; rc - радиус вектор, направленный по кратчайшему расстоянию от оси симметрии струи до центра тяжести вытесненного объема вращающейся частицы грунта. Анализ выражения (6) показывает, что при вертикальной закрутке двухфазного потока воды и частиц грунта главный вектор сил давления со стороны воды на частицы будет складываться из двух составляющих – архимедовой силы всплывания частиц грунта и центростремительной силы, соответствующей притяжению тела к оси закрутки струи и равной Fc' = − ρ w2 rcW = − Mw2 rc

(7)

где М – масса жидкости в вытесненном объеме частиц грунта, кг. Аналогичная сила, но взятая с противоположным знаком будет уже являться центробежной силой, а ее величина показывать степень относительного равновесия частиц грунта, т.е. Fc = − Fc' = ρ w2 rcW = Mw2 rc

(8)

Учитывая, что вес грунта равен G = Mg , выражения (7)-(8) позволяют рассматривать равновесие частиц грунта в струе в зависимости от разности векторов приложенных к ним сил. К этим силам относят с одной стороны вес G и центробежную силу Fc , а с другой стороны подъемную силу F a и центростремительную силу Fc' . Разность этих двух пар сил равна

(

)

(

G − Fa + ρ ãð − ρâ w2Wr = c W ρ ãð − ρâ

) ( g + w2rc )

(9)

где ρ гр и ρ в – соответственно плотность грунта и воды, кг/м3. Анализ (9) позволяет сделать однозначный вывод о поведении частиц грунта при их вращении внутри циклона. В этом случае: - если ρ гр > ρ в то грунт будет опускаться вниз и отбрасываться на переферию струи, т.е. двигаться к стенкам циклона; - если ρ гр < ρ в то грунт будет подниматься вверх, приближаясь при всплывании к оси вращения струи, т.е. к оси симметрии циклона; Описанный выше подход является интегральным и предоставляет общие сведения о процессе разделения грунта и воды. Полные данные можно получить, используя систему уравнений движения многофазного потока (10). В этой системе первое уравнение представляет собой условие неразрывности транспортируемого двухфазного потока, второе описывает изменение концентации фазы в процессе движения, а третье описывает в напряжениях динамику движения двух фаз.

207

∂ρ  + div ( ρV ) = 0  ∂t  ρ   ∂   ρ    ρ ρ  −div  ρ   (Vi − V )   ρ  i  + ρVgrad   =   ∂t  ρi    ρi    2 ∂V =ρ F + divP − ∑ div ( ρi (Vi − V )(Vi − V ) )  ρ  ∂t 1 

(10)

где i – индекс компоненты двухфазного потока; ρ – плотность, кг/м3; С – концентрация; V – скорость, м/с; F – главный вектор объемных сил; Р – тензор напряжений. В процессе работы судового земснаряда большую роль играет используемое нагнетательное оборудование. В большинстве случаев перемещение пульпы осуществляется грунтовыми центробежными насосами и очень редко эйрлифтными насосами эжекторного типа. С точки зрения прохождения пульпы через насос особенный интерес вызывает рабочее колесо грунтового насоса. В отличие от эксплуатации стандартных рабочих колес центробежных насосов при его работе предполагается прохождение с пульпой твердых предметов (камней, металлических изделий и т.п.). В ходе перекачивания создается интенсивное абразивное воздействие на рабочие поверхности насоса (поверхность колеса и передняя облицовка корпуса) и рефулерного пульпопровода, что требует использование особых конструкций рабочего колеса, которые показаны на рис. 2.

Рис. 2. Рабочие колеса грунтовых насосов: а — рабочее колесо закрытого типа; б — рабочее колесо закрытого типа. 1 — ступица; 2 — задний диск; 3 — рабочие лопасти; 4 — передний диск. Анализ рисунка в совокупности с данными о характерных видах грунта позволяет сделать вывод, что для эксплуатации сепарационного узла в условиях работы на ГСХ “Дунай-Черное море” является перспективным использование последовательно включенных двух насосов. Первый насос должен обладать рабочим колесом открытого типа, а второй насос колесом закрытого типа. В этом случае, при прохождении пульпы через первый насос, за счет вращения лопастей, являющихся одновременно и режущими кромками, будет иметь место измельчение крупногабаритных включений, а самое главное получение равномерного по составу многофазного потока, который в последующем дополнительно получает необходимую кинетическую энергию перед входом в циклонный участок сепараторной установки. 208

Для выбора и установки грунтового насоса одним из существенных технологических параметров выступает максимальная производительность. Так, для самоотвозного земснаряда, содержащего n-ное количество грунтовых насосов эта величина рассчитывается как Q=

Wò ð 60 nt

(11)

где Q – производительность насоса, м3/ч; Wтр – объем грузового трюма, м3; t – время заполнения трюма пульпой, мин. При расчете производительности насоса необходимо учесть различие в его работе при перекачивании воды и характерной для ГСХ “Дунай-Черное море” илистой пульпы. Это различие описывается выражением вида

Qèë = kãð Qâ

(12)

где Q ил и Q в – расход илистой пульпы и воды соответственно, м3/ч; k гр – коэффициент, учитывающий изменение расходных характеристик насоса в зависимости от вида перекачиваемого грунта (для илистой пульпы с удельным весом γ = 1,15 т/м3 принимается k гр = 0,67). Напорные характеристики нагнетательного узла Н, [м.в.ст.], необходимо принимать для условий его последующей эксплуатации на илистой пульпе. При этом расчет напорных характеристик потока на входе в разработанный узел сепарации необходимо осуществлять как H = h1 + h2 + h3 + h4 + h5

(13)

где h 1 – напор, затрачиваемый на всасывание пульпы грунтоприемником; h 2 – напор, затрачиваемый на подъем и транспортировку пульпы до входного патрубка грунтового насоса; h 3 – полезный напор грунтового насоса; h 4 – напор, затрачиваемый на транспортировку пульпы до уровня сброса; h 5 – напор, затрачиваемый на преодоление гидросопротивления сепаратора. Для последующей эксплуатации сепаратора на судах были разработаны основные практические рекомендации. Перед запуском установки необходимо всегда уточнять следующие технологические параметры: - характеристики грунта: плотность, консистенцию, прилипаемость, удельный вес, гранулометрический состав; - группу грунта по трудности разработки. Методика проектирования судового узла сепарации грунта всегда должна основываться на исходных технологических документах, включающих в себя: - техническое описание технологии проведения дноуглубительных работ; - генеральный план участка работ, с указанием мест дноуглубления, поперечных разрезов, подходов к ним и т.п.; - требования к намываемому грунту и местам его последующего обвалования, включая расстояния от места работ до карты намыва и высот рефулирования (в случае использования доставки трубопроводами); - расчетные объемы и состав перерабатываемого грунта.

209

Список литературы: 1. Я.Ф. Бородулин, Б.Н. Сущенко. Дноуглубительный флот и дноуглубительные работы. – М. Транспорт. 1973, - 432 с. 2. Лойцянский Л. Г. Механика жидкости и газа. Изд-во Наука. Гл. ред. физ. - мат. лит-ры. М. 1973. - 847 с. 3. Егоров А. И. Гидравлика напорных трубчатых систем в водопроводных очистных сооружениях. / Егоров А. И. - М. Стройиздат. 1984.-95 с. 4. Емцев Б. Т. Техническая гидромеханика. / Емцев Б. Т. - М. Машиностроение. 1987. - 439 с. 5. Корнилов Э.В. Элементы схем судовых технических средств. / Корнилов Э.В. – Одесса Феникс. 2004. - 208 с. РАЗРАБОТКА И УСОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ УСТАНОВКИ ДЛЯ ВЫРАЩИВАНИЯ МОНОКРИСТАЛЛОВ ЛЕЙКОСАПФИРА Мальцева И.Г., Дарковский Ю. В. (ОАО НИИ «Изотерм», г. Брянск, Россия) This report identifies the major preconditions for leicosapphire monocrystals growing, and reveals the nature, advantages and special features of designed installation for crystal growth. Монокристаллы сапфира сочетают в себе целый ряд уникальных свойств: высокую оптическую прозрачность в ультрафиолетовой, видимой и инфракрасной областях спектра, высокую твердость (второе место после алмаза), теплостойкость (температура плавления 2040 °С), радиационную и химическую стойкость (не растворяется в известных кислотах и щелочах), высокие диэлектрические свойства и теплопроводность, биосовместимость. Эти свойства определяют лейкосапфир как материал во многих случаях незаменимый, и обуславливают его растущий спрос во всем мире. Однако проблема получения высококачественных бездефектных монокристаллов лейкосапфира остается постоянной, вследствие повышения требований к качеству материала. Также существует необходимость повышения экономичности технологии выращивания и увеличения габаритов кристаллов, способствующих снижению себестоимости производства монокристаллов лейкосапфира и рост экономической эффективности производства изделий из них. Выращивание кристаллов из собственных (однокомпонентных) расплавов в промышленности основаны на тех же закономерностях, которые характерны для природных систем. Главное отличие состоит в том, что экспериментатор или технолог имеет дело с более простыми по химическому составу кристаллизационными средами, их объем ограничен размерами кристаллизатора, а продолжительность процесса обычно не превышает нескольких суток. В настоящее время основным способом получения дешевого высококачественного лейкосапфира является метод Киропулоса. При этом существует необходимость постоянного изменения условий теплообмена и сложность контроля хода выращивания монокристалла, которые требуют автоматизации процесса. ОАО НИИ «Изотерм», изготовив опытную установку для производства монокристаллов лейкосапфира, провел «горячие» испытания; после ряда доработок на установке были получены кристаллы массой 19 кг (рис. 1).

210

Рис. 1 Кристалл, выращенный ОАО НИИ «Изотерм» Также были практически проверены некоторые конструкторские решения, отличающие ее от традиционных ростовых установок. На основании учтенного опыта, пожелания технологов и операторов, ОАО НИИ «Изотерм» разработал промышленную установку для производства монокристаллов лейкосапфира методом Киропулоса «Дельта-30» с усовершенствованием системы автоматического управления ростовым процессом. Установка для выращивания лейкосапфира позволяет получить следующий положительный эффект: - возможность выращивания в автоматическом режиме (кроме процесса затравления) объемных монокристаллов цилиндрической формы, - снизить расход электроэнергии, - повысить производительность труда. Ростовая установка «Дельта-30» позволит выращивать монокристаллы лейкосапфира до 30 кг, с высоким процентом выхода годных кристаллов и низкой себестоимостью. Принципиальное отличие разработанной ростовой установки от существующих («Омега», «Апекс») заключается в следующем: 1. Значительно увеличены диаметр и длина камеры. Камера имеет сплошную обечайку без отверстий. 2. Однозначное и точное расположение всех элементов теплового узла. 3. Боковое расположение токовводов. Токовводы расположены не в большой крышке, а сбоку, что существенно снижает воздействие электромагнитных полей на оператора, а также дает большое удобство при работе со смотровыми окнами. 4. В смотровых окнах применяются стекла с инфракрасным фильтром. 5. На одном из смотровых окон установлена видеокамера для удобства наблюдения на затравлении и начальном этапе роста, на другом – пирометр. 6. В нагревателе для фиксации ламелей используются сепараторы из вольфрама. 7. Поддон имеет водоохлаждаемую заглушку. В заглушке предусмотрен канал подачи инертного газа. 8. Установка может комплектоваться приводом вращения тигля для формирования симметричного теплового поля, а также подъемником с возможностью поворота вокруг оси колонны для обслуживания установки.

211

9. «Жесткий» шток. Водоохлаждаемый шток входит в крышку камеры и не имеет сильфонных уплотнений. 10. Прямое измерение массы кристалла с помощью тензодатчика. Измерение массы кристалла производится напрямую, без каких-либо промежуточных устройств. Точность и чувствительность тензодатчика позволяет вести затравление, не глядя в смотровое окно. 11. Управление штоком вручную от электронного маховичка с пульта дистанционного управления. 12. Система управления на базе промышленного компьютера позволяет полностью воспроизвести любой прежний процесс, откорректировать управляющую программу или создать новую. 13. Контроль температуры воды в каждом контуре. 14. Наличие разрывной диафрагмы, срабатывающей при избыточном давлении свыше 0,7 атм. Поводя итоги, необходимо отметить, что в настоящее время изделия из монокристаллов лейкосапфира находят все большее применение в самых различных отраслях науки и техники ввиду уникальности физико-механических и химических свойств. Это, в свою очередь, требует создания нового, усовершенствованного, технологического ростового оборудования, отвечающего потребностям рынка сапфиров, и являющимся актуальным на сегодняшний день. Разрабатывая представленную ростовую установку, сотрудники ОАО НИИ «Изотерм» приложили максимум усилий для того, чтобы совместить в ней пожелания квалифицированных специалистов разного профиля, занимающихся выращиванием лейкосапфира, на основе опыта и системы взглядов, сформировавшихся в результате изучения основных проблем и процессов роста кристаллов. ИССЛЕДОВАНИЕ СИСТЕМЫ ОХЛАЖДЕНИЯ В МАШИНАХ НЕПРЕРЫВНОГО ЛИТЬЯ ТРУБНОЙ ЗАГОТОВКИ Мамедов А.Т., Азимов А.А. (Азербайджанский Технический Университет, г. Баку, Азербайджан) In article results of a grafo-analytical method of calculation of system of cooling in cars of continuous moulding of preparation from a trumpet steel are presented. При нерегулируемом охлаждении роликов машины непрерывного литья заготовок (МНЛЗ) и использовании форсунок с нерегламентированными параметрами (расход воды от давления, факел распыления и величина дипергированной капли жидкости) нет возможности составить алгоритмическую зависимость охлаждающей способности зоны вторичного охлаждения заготовки. В этом случае для управления процессом затвердевания необходимо тарировать систему принудительного охлаждения на машине непрерывного измерения температуры поверхности заготовки. Распределение температуры на поверхности слитка МНЛЗ фирмы «Фест Альпине» (г.Айзенхюттенштадт, ФРТ) показывает, что за зоной охлаждения в кристаллизаторе происходит вторичный разогрев поверхности заготовки, второй вторичный разогрев следует за зоной принудительного вторичного охлаждения (рис.1). За основу определения интенсивности охлаждения заготовки приняты данные ранее проведенных исследований, эти данные показывают, что интенсивность вторичного разогрева равна интенсивности предшествующего охлаждения.

212

На рис.2 показан алгоритм определения охлаждающей способности слитка. Температура поверхности слитка в кристаллизаторе, как правило, близка к линейному распределению и изменяется от температуры затвердевания (t зт ; полусумма температуры солидуса и ликвидуса) до температуры поверхности при выходе заготовки из кристаллизатора (t кр ).

Рис.1. Распределение температуры на поверхности заготовки по технической оси МНЛЗ (фирма «Фест Альпине», ФРГ)

Рис.2. Расчетное распределение температуры на поверхности заготовки по технической оси МНЛЗ (обозначения в тексте) Уравнение для описания изменения температуры на поверхности заготовки в кристаллизаторе имеет вид: (1) t kp = t зт − kh 1 , где

h1-

текущая

длина

кристаллизатора

( 0 ≤ h1 ≤ h kp );

h kp -

длина

кристаллизатора; k = k 1 / υ; k 1 - скорость изменения температуры поверхности слитка в кристаллизаторе в зависимости от его конструкции; υ - скорость разливки. Как показали результаты настоящего исследования, этот параметр интенсивности охлаждения заготовки (к 1 ) не зависит от технологии разливки и его величина может быть принята для расчетов постоянной. Так, например, при разливке стали на Череповецком металлургическом комбинате на третьей МНЛЗ (ПО «Уралмаш») к 1 =3,7 К/с при эффективной длине кристаллизатора h kp =1,1 м, а для

213

кристаллизатора МНЛЗ машины фирмы «Фест Альпине» (ЕКО «Сталь» АО «Айзенхюттенштадт, ФРГ») к=6 К/с при h kp =0,8 м. В зоне принудительного водяного или водовоздушного охлаждения (II) интегральное распределение температуры на поверхности слитка можно выразить в виде степенной функции.

t зво = t kp − ph n2 ,

(2)

где h 2 - текущая длина зоны вторичного охлаждения h kp < h 2 ≤ h зво ; h зво длина зоны вторичного охлаждения, м; t зво - температура зоны вторичного охлаждения, 0 С; n, p- показатель и коэффициент степенной функции, которые характеризуют интенсивность водяного или паровоздушного охлаждения и роликовой проводки и определяются непосредственно на МНЛЗ:

∆t hзво − hkp ⋅ ∆h t kp − t зво

(3),

t kp − t зво

зво

− hkp )

(4)

В зависимости от интенсивности охлаждения n ≥ 1 . Как уже отмечалось ранее, интенсивность вторичного разогрева соответствует интенсивности предшествующего охлаждения. Угол, образованный касательной, проведенной к кривой распределения температуры зоны принудительного охлаждения, равен углу, образованному касательной, проведенной к кривой распределения температуры зоны вторичного разогрева (рис.2. α1 = α1′ ; α 2 = α′2 ; α 3 = α′3 ). В этом случае при определении вторичного разогрева температуру поверхности заготовки измеряли в конце зоны интенсивного охлаждения (t зво ) при известной скорости разливки; следующее измерение температуры проводили на расстоянии ∆ h и рассчитывали разность значений температуры ∆ t. Выражение для роста толщины оболочки в кристаллизаторе имеет вид [1,2].

b kp =

h 1 k1 , υ β0

(5)

rρ ж + с ж ρ ж (t 0 − t зт ) ; r- теплота фазового превращения; с ж - удельная β теплоемкость жидкой стали; ρ ж - плотность жидкой стали; t 0 -температура стали в промежуточном ковше; λ -коэффициент теплопроводности оболочки слитка. Рост оболочки слитка в зоне вторичного охлаждения и координату конца затвердевания слитка определяли по формулам: 2 ph2n +1 (6), bзво = (n + 1)υβ 0 где β 0 =

 (B − bkp ) (n + 1)β 0υ  hкз = hkp +   2 p   2

1 n +1

(7)

Расчеты для МНЛЗ фирмы «Фест Фльпине» показал, что при водовоздушном 214

охлаждении интегральное распределение температуры на поверхности заготовки представляет собой параболу с выпуклостью «вверх», а при водяном охлаждениивыпуклостью «вниз»; это соответствует меньшим и большим значениям напряжения. Методика количественной оценки интенсивности охлаждения заготовки позволяет построить тарировочную зависимость G=f(n,p) расхода жидкости от параметров интенсивности охлаждения, которые, позволяют определить рост толщины оболочки слитка и координату конца полного затвердевания заготовки. Были определены расчетным путем (таблица) значения толщины оболочки заготовки (S) при выходе из кристаллизатора (Кр) и на границе зоны вторичного охлаждения (зво) и длина заготовки (h), где заканчивается его затвердевание при разливке стали с различной скоростью на МНЛЗ ЧерМК (А) и фирмы «Фест Альпине» (Б). Таблица1. Расчетные параметры толщины оболочки кристаллизатора и длины заготовки Производители Скорость Рост толщины Рост оболочки Безразмерный охлаждения оболочки в слитка, параметр, h кз заготовки, крист., b kp , мм b зво , мм υ , м/мин А 0,8 18,9 77,3 28,9 0,9 16,8 80,6 29,4 Б 1 16 35,2 27,3 Косвенные измерения параметра h кз , проведенные другими способами, подтвердили достоверность результатов расчета. На Череповецком металлургическом комбинате МНЛЗ №3 и №5 оборудованы измерительными устройствами и вторичными приборами, позволяющими тарировать и контролировать охлаждающую способность заготовки. Список литературы: 1. Гамидов Ф.Дж. Эффективность применения экономикоматематических методов и вычислительной техники в трубном производстве. Рязань,2001, 70с. 2. Шифрин Н.Н., Горячев В.Т., Мазанов С.Н. Применение электромагнитного перемешивания в технологии непрерывной разливки стали.// Сталь, №1, Москва, 2005, с.17-20. РАЗВИТИЕ СОЦИАЛЬНОЙ НАПРАВЛЕННОСТИ УПРАВЛЕНИЯ ОРГАНИЗАЦИЯМИ Мартякова Е.В. Постановка проблемы. Управление в различных сферах человеческой деятельности рассматривается по-разному – как система знаний, как искусство, как функция, как процесс и как организация. Быстро изменяющийся мир и условия функционирования социальноэкономических систем создают необходимость разработки и применения таких теорий, концепций, механизмов и инструментов управления, которые отвечали не только вызовам меняющегося мира, но и позволяли бы реализовывать на практике инновационную модель развития общества.

215

Переходное состояние социально-экономических систем, а в большинстве своем и кризисное, если не систем в целом, то их подсистем порождают задачу умения управлять в рисковых ситуациях или уметь, что значительно эффективнее, предвидеть кризис и владеть методами не только упреждающего управления, но и развитием экономическими и социальных системам и организаций. При этом в усложняющихся условиях общественного развития возрастает и цена управленческой ошибки. Это делает необходимым использование всего арсенала инструментария управления и менеджмента для решения возникающих общественных задач задач. Вторым фактором, свидетельствующим о необходимости разработки инновационных концепций управления, является декларирование и реализация мировым сообществом концепции устойчивого развития, как философии и стратегии, обеспечивающей жизненные интересы человека и общества. При этом объектом развития становится человек, его капитал и структура капитала (интеллектуальный, культурный, духовный и др.). В координатах рыночного механизма хозяйствования речь идет о исследовании законов и принципов экономического управления устойчивостью развития социальных систем – экономики социального управления. Понятие (термин, категория) «социальный» имеет двойственную интерпретацию. В широком смысле слова – это общество в целом. В этом смысле "социальное" и "общественное" тождественны. В узком смысле слова социальный – "это наличие социальных связей между людьми" [0, 7]. Социальный иногда используют и для подчеркивания отличия от экономического. Неординарные управленческие ситуации и необходимость быстрого принятия правильных решений в условиях неопределенности побуждают действовать не только искусно и профессионально, но и с учетом привлечения исторического опыта управления и менеджмента. При этом, менеджмент рассматривается как специализированный вид деятельности по получению результата. Частным случаем при этом является результат в виде получения прибыли. Анализ исследований и публикаций. Исследованиями управления организацией и методологией менеджмента занимались такие зарубежные исследователи как, И. Ансофф., В. Афанасьев, М. Баглай, Ч. Бернард, М.Вебер, О. Вихансий, П.Друкер, А. Казанцев, Г.Конф, Э. Коротков, М. Мескон, Э. Мейо, Б.Маслоу, Д. Макгрегор, В.Оучи, Ф. Тейлор, Э. Уткин, А.Файоль, Г.Форд, П.Фолет, Г.Эмерсон, Л. Ньюман. Проблемам управления и управления организациями в том числе социальными посвящены научные исследования В.Гееца, Э. Либановой, В. Антонюк, М. Соловьева, В. Платоновой, В.Буркова [0], Д.Новикова [0, 0], В.Куценко, А.Колота, Р. Гринберга и других. Нераскрытая часть общей проблемы. Жизнь не стоит на месте и ставит нас перед необходимостью рассмотрения действующих и обоснованию новых методов и подходов к процессу управления человеческой деятельностью, что является особо актуальным для Украины при адаптации рыночных отношений. Этим проблемам как раз и посвящена данная статья. Цель статьи состоит в исследовании принципа социальной направленности управления организациями. Основная часть. Основы теории управления возникли в ходе эволюции принятия решений в различных сферах человеческой деятельности, экономике, производстве, военном деле, торговле, дипломатии и т.д., для решения насущных общественных дел. Управление в социальных системах и организациях можно рассматривать, как управление организацией различных уровней и направлений

216

деятельности. Философский энциклопедический словарь [0] дает следующее определение организации – 1) внутренняя упорядоченность, согласованность взаимодействия более или менее дифференцированных и автономных частей целого, обусловленная его строением; 2) совокупность процессов или действий, ведущих к образованию и совершенствованию взаимосвязей между частями целого; 3) объединение людей, совместно реализующих некоторую программу или цель и действующих на основе определенных процедур и правил». Исходя из возможности определения организации как свойства, процесса и объекта в данном исследовании под организацией будем понимать объединение людей для достижения поставленной социальной цели. При рассмотрении социального в узком значении, как подсистемы развития человеческого капитала с точки зрения теории управления речь идет об управлении социальными организациями и процессами, для которых основным результатом является социальный эффект – нематериальный (социальный) результат, связанный с обеспечением жизнедеятельности личности и ее развития. На рынке современных исследований направление управления социальноэкономическими и организационными системами является быстро развивающимся разделом теории управления, позволяющий снижать неопределенность в изменчивой социально-экономической среде. При функциональном рассмотрении под управлением сложными системами, как созданными человеком (техническими, социальными, экономическими, организационными), так и природными (биологическисми) в самом широком смысле может рассматриваться функция по обеспечению устойчивости функционирования системы. То есть управленческое воздействие – направлено на технические, биологические и социальные, экономические, организационные системы с целью поддержания их деятельности и структуры. Под управлением организационными системами понимается механизм принятия управленческих решений. Разрыв между целями организации и результатами деятельности по достижению этих целей в современных условиях возникает из-за отсутствия механизмов реализации или достижения поставленных целей. Управленческий вид деятельности в зависимости от бытующих его концепций также состоит из определенного набора действий, процедур, правил, моделей, кодексов, бытующей культуры и т.д. Рассмотрим эволюцию парадигм и механизмов менеджмента организациями. Под механизмом будем понимать систему, устройство, определяющее порядок какого-либо вида деятельности [0]. Классически сущность менеджмента осуществляется через наличие таких составляющих, как междисциплинарные знания, большой опыт практической деятельности и умение предвидеть и управлять рисками. Вместе с тем в литературе, посвященной менеджменту, он рассматривается в нескольких ракурсах. Прежде всего, это наиболее распространенное рассмотрение менеджмента, как воздействие субъекта на объект в связи с достижением заранее определенной цели. Эта деятельность в классическом менеджменте реализуется посредством таких дейсттвий, как – формирование цели, выбор и подготовка средств, контроля результатов. При этом сторонники ситуационного подхода выделяют самые важные факторы в конкретной ситуации, а также их эффект над остальными факторами среды. С другой стороны, менеджмент – это научная область или учебная дисциплина, в которой переплетаются психологические, социологические, социальнопсихологические, технические, концептуальные, антропологические и другие подходы, теории и модели. Успех и совершенство организации зависит от ее организации, которая в свою очередь связана с действиями ее менеджеров. За менеджментом на

217

предприятии стоит труд менеджеров. От того, насколько они знают свои ключевые роли, и действия зависит успех компании. Нельзя не отметить, что менеджмент связан с карьерой. Карьера в области менеджмента является символом престижа, успеха, высокого социального статуса во многих странах. Если обобщить все вышеизложенное, то менеджмент – это работа менеджеров организации, которая позволяет достичь результатов и реализовать цели организации на основании технологии принятия решений. Менеджмент может также рассматриваться как деятельность профессионалов по достижению успеха организации. Усиление конкуренции в Америке и Европе, особенно в международном бизнесе, свидетельствует о том, что природа менеджмента прошла ряд эволюционных изменений. Качество современного менеджера отличается от качества менеджера в начале века и связано с интуицией, видением, творческой прозорливостью, воображением, гибкостью, терпением. Это является необходимым дополнением к динамической сущности менеджмента. Разнообразие видов деятельности по принятию управленческих решений и эволюция менеджмента представляют различные школы менеджмента. Одни представители классической школы менеджмента представляют проблемы в повседневности, которые систематизированы в соответствии с производством, условиями труда, профессией менеджеров на различных предприятиях. Другие – ставят в центр своей философии менеджмент человеческих ресурсов. Например, школа научного управления Ф. Тейлора считает [0], что подбор работников является важным фактором достижения производительности. Школа административного менеджмента рассматривает менеджмент как универсальный процесс, состоящий из технической, торговой, финансовой, отчетной и административной функции во взаимосвязи. Принципы администрирования Анри Файоля [0], представителя этого направления, требуют авторитета и делегирования должности (полномочий) в случае компетентности лица, занимающего эту должность. Представитель административного менеджмента Макс Вебер указывал на типичные механизмы идеальной организации, которыми являются правила, инструкции, стандарты, привлечение людей с технической квалификацией. Гарри Конф обращал внимание на то, что взаимозаменяемость людей в группе является принципом работы команды. Вопреки своей популярности, классические школы менеджмента подвергались критике за их игнорирование человеческих ресурсов. Научно-технический прогресс усилил эту критику. Появился новый, очень популярный в менеджменте в 20-30 годы XX века бихевиористический (поведенческий) подход. Представителями этого подхода являются Мари Паркер Фоллетт, Элтон Мейо, Ч. Бернард, Е. Маслоу, Д. Макгрегор, В. Оучи. М. Паркер в своей работе [0] переосмыслила концепцию ответственности организации за выполнение функций, присущих конкретным должностям. В современном менеджменте это перекликается с «менеджментом исполнения» и его оценкой. Лидер поведенческого подхода Э. Мейо обосновал важность обратной связи между сотрудниками, о достаточных и разнообразных коммуникациях между лидерами и их сотрудниками и о важном значении неформальных групп. Другие представители этого подхода активизировали внимание на мотивации, удовлетворенности трудом, групповой динамике, лидерстве и лидерском стиле. После Второй мировой войны развитие получил количественный подход к менеджменту и создана количественная школа, отражающая стремление к внедрению в

218

менеджмент математических методов для исследования операций, сетевых методов планирования, моделирования, использование вычислительной техники. С 1950-х годов начинает развиваться эмпирическая школа (Л.Ньюман, П. Друкер и др.)[0], концентрирующая внимание на практике менеджмента и на рекомендациях по нему. Л.Ньюман придавал большое значение организационной структуре как основополагающему принципу хороших взаимоотношений в организации, продвижению по служебной лестнице на основе способностей работников, взыскательности менеджера и зависимости вознаграждения от выполненной работы. Питер Друкер известен своей концепцией менеджера как дирижера оркестра. Также он рассматривал менеджмент организации XX века с позиции маркетинга, инноваций, человеческих, финансовых, материальных ресурсов, производительности, ответственности перед обществом, планирования прибыли. Под влиянием теории систем в менеджменте появился системный подход. Для него характерна неотделимость существования организации, представляющей открытую систему под воздействием внешней среды, и ее менеджмента. При этом важной задачей менеджера является определение изменяемых факторов среды и точная формулировка своих управленческих функций. Системный подход используется и в менеджменте человеческих ресурсов, которые организации получают из внешней среды. Этот подход в менеджменте представлен в виде системы организации «входвыход». На входе – различные ресурсы с учетом их качества и результаты организации, а на выходе – продукт организации, ее результат. Менеджмент человеческих ресурсов представляет с позиции системного подхода инструмент, с помощью которого ресурсы создают продукт, достигают результатов и целей. С появлением кибернетики в 40-е годы возникли благоприятные условия для толкования менеджмента с позиции кибернетического подхода. Школа этого направления фокусирует внимание на общих законах преобразования информации в сложных системах. Представители информационной школы полагали, что менеджмент является информационным процессом, который происходит в определенной последовательности, а система управления разделена на две подсистемы – управляющую и управляемую, которые связаны прямой и обратной связью. Кибернетический подход, безусловно, расширил возможности менеджмента, а также раскрыл незнакомые и неиспользованные аспекты его природы. В начале 60-х годов преуспевающие менеджеры заметили, что классические, бихевиористические, количественные, эмпирические, кибернетические методы и техника действуют одинаково эффективно и результативно в любой ситуации [0]. Было осознано, что менеджмент может сочетать различные точки зрения в зависимости от конкретной ситуации. В итоге возник ситуационный подход к параметрам ситуации. С позиции ситуационного подхода менеджеры должны владеть абсолютно всеми методами, приемами и техникой, которые доказали свою эффективность, уметь предвидеть вероятные последствия использования любой методики и техники, интерпретировать ситуации, получать положительный эффект от управленческой техники. В конце XX столетия развитие получают новые направления в менеджменте. Это, в первую очередь, риск-менеджмент, антикризисное управление, инновационный и инвестиционный менеджмент. На пороге нового тысячелетия руководители компаний во всем мире сталкиваются с рисками, которые десять лет назад трудно было представить. Ошеломляющими темпами развивается электронная коммерция, а это значит, что компании, которые не успевают за новыми реалиями, вынуждены сойти с дистанции.

219

Новые технологии заставляют управленцев в течение нескольких месяцев, а не лет, принимать на вооружение новые модели управления организациями. Широкое распространение получила и методология риск-менеджмента. Суть риск-менеджмента заключается не в устранении риска, так как тогда исчезает и результат, в том числе и социальный в управлении риском. В начале развития этого механизма управление страховым, технологическим, финансовым и экологическими рисками носило независимый характер и сосредоточивалось в различных подразделениях. Несмотря на сравнительно недавнее развитие этого направления, в начале нового века уже произошел переход к новой парадигме риск-менеджмента, предусматривающей комплексное рассмотрение рисков всех подразделений и направлений деятельности организации. В современном мире актуальным и значимым становится старинный инструмент хозяйственной практики во многих сферах человеческой деятельности – взаимодействие и сотрудничество, – который дает возможность реализовать модификацию целых направлений и отраслей человеческой деятельности. Поэтому особо приоритетное значение в настоящее время приобретают исследование управления экономическим сотрудничеством и управление в сетях, в основах которого лежит построение и функционирование сложных систем, к которым относятся и социально-экономические системы. Обзор школ и подходов в менеджменте наводит на мысль, что его природа постоянно эволюционирует и расширяет механизмы, методы, конкретные действия профессионалов. Уже на основе современных управленческих технологий начали развиваться новые – инжиниринг, контроллинг, управление корпоративной социальной ответственностью и другие. История развития менеджмента – это история успеха нововведений, включающая инновационные подсистемы или даже различные модели систем управления. Одни управленческие системы выдерживают испытание практикой, а другие – нет. Успешные модели управления довольно быстро В 70-е – 80- е годы ХХ-го века новая парадигма в управлении определила принципы менеджмента, необходимые для решения современных управленческих задач в реальных условиях конца века и внутренними условиями организации. Этими принципами стали системность ситуационность, гибкость, адаптивность, а также социальная направленность. Одним из факторов подтверждения принципа социальной направленности управления является принятие в конце ХХ-го века (инициировано в 2004-г.). Глобального договора и организации Всемирного Совета предпринимателей по устойчивому развитию (WBCSD). Концепция устойчивого развития цивилизации, Глобальный договор создания WBCSD, а так же стандартов социальной ответственности – это логический ряд действий по социальному развитию транспарентности и гражданской ответственности бизнеса. Многие зарубежные и отечественные корпорации приняли для себя социальную направленность управления, как сознательную активность соответствовать потребностям общества. Вместе с тем, социально ориентированное управление порождает необходимость разработки основ и принципов управления социальным (человеческим) развитием, социальной ответственностью. Это свидетельствует о необходимости социального развития общества, разработки теории и подготовки специалистов по управлению социальной ответственностью. Для решения этого вопроса с одной стороны необходимо развитие теоретических и прикладных исследований по моделям теории управления, что будет способствовать повышению эффективности управления различными

220

организационными системами. К ним относятся хозяйственные социальные организации различных масштабов, уровней и специализации - программы регионального развития, программы социального развития, государство, армия, библиотека, больница, высшее учебное заведение, социальный страховой фонд, безопасность сложных систем, предпринимательские организации. С другой стороны необходимо на практическом уровне изучение и обобщение практики использования различных механизмов управления корпоративной ответственностью с целью создания прикладных и информационных систем, которые позволили бы с учетом существующего опыта в конкретных управленческих условиях использовать адекватные и эффективные процедуры управления. Учитывая общие принципы управления, в управление корпоративной социальной ответственности могут относиться следующие этапы: - определение целей социальной ответственности и ее приоритетов исходя из специфики организации и условий ее функционирования; - выделение ее приоритетов социальной политики организации, как инструмента корпоративной социальной ответственности, исходя из специфики организации; - создание организационной подструктуры по вопросам управления социальными программами организации; - обучение всего персонала организации по вопросам корпоративной социальной и гражданской ответственности; - подготовка (повышение квалификации, переподготовка) специалистов компании по вопросам управления корпоративной социальной ответственностью, которые будут в дальнейшем выполнять эти функциональные обязанности по управлению социальными программами; - аудит социальной ответственности бизнеса с привлечением независимых аудиторов; обоснование возможных инструментов для реализации социальной ответственности (социальные инвестиции, помощь временем и сотрудниками); - обоснование необходимых финансовых ресурсов для реализации социальных проектов с учетом оптимизации социальных инвестиций по критерию производственных и социальных расходов; - оценка эффективности социальных проектов, инвестиций и организаций; - составление социальных отчетов. Каждая из составляющих алгоритма управления социальной ответственностью требует специальных профессиональных знаний, управленческих навыков. С этой точки зрения необходимы специалисты по управлению или менеджеры организаций, которые должны быть оснащены всеми арсеналами современных профессиональных навыков и знаний не только в области управления, но и корпоративной социальной ответственности. Еще одним важным направлением современного управления в социальных организациях и корпоративной социальной ответственностью является предоставление информации населению о реализуемых социальных программах в организациях. Это позволит привлечь к вопросам управления социальными делами представителей социума, общественные организации, что будет стимулировать саморазвитие, как необходимую составляющую управления социально-экономической системы в целом. Таким образом, выполненный анализ свидетельствует: - в процессе исторической эволюции в современном мире усилилась необходимость применения управления инновационных концепций управления соответствующих условиям и перспективам устойчивого развития социальноэкономических систем, накоплен опыт управления решениями всевозможных

221

общественных программ, теоретическое развитие и комплексное использование которого позволит повысить эффективность управления в хозяйственных и социальных организациях; - современный этап развития и управления организациями характеризуется развитием социальной направленности управления, одним из инструментов реализации которой является на макроуровне – концепция человеческого развития, а на микроуровне – корпоративной социально ответственности; - расширение социальной функции управления делает необходимым углубление исследований по основам и принципам социального (человеческого) развития и корпоративной социальной ответственности с учетом условий Украины; Список литературы: 1. Бурков В.Н., Новиков Д.А. Как управлять проектами. М.: Синтег, 1997. – 188 с. 2. Губко М.В. Механизмы управления организационными системами с коалиционным взаимодействием участников. М.: ИПУ РАН, 2003.–118 с. 3. Мескон М., Альберт М., Хедоури Ф. Основы менеджмента. – М.: Вильямс. – 2007. – 672 с. 4. Мильнер Б.З. Теория организации. М.: ИНФРА-М, 2002.–480 с. 5. Новиков Д.А. Стимулирование в организационных системах. М.: Синтег, 2003. – 312 с. 6. Словарь иностранных слов. – 18-е изд., стер. – М.: Рус.яз., 1989. – С.316. 7. Социальный менеджмент: Учебник для вузов / С.Д. Ильенкова, В.Н. Журавлева, Л.Л. Козлова и др. / Под ред. С.Д. Ильенковой. – М.: Банки и баржи, ЮНИТИ, 1998. – 271 с. 8. Управление организацией. / Под ред. М. В. Петровича. М.: Дикта, 2008. - 864 с. 9. Файоль А., Эмерсон Г., Форд Г. Управление - это наука и искусство. – М.: Республика, - 1992 г. – 352 с. 10. Философский словарь. М.: Политиздат. - 1991. - 560 с. 11. Follett M.P. The New State. Электронный ресурс. Режим доступа к сайту: http://sunsite.utk.edu/FINS/Mary_Parker_Follett/Fins-MPF-01.html. ВСТАНОВЛЕННЯ ЗВ’ЯЗКІВ МІЖ ТЕХНОЛОГІЧНИМИ ЧИННИКАМИ ТОРЦЕШЛІФУВАЛЬНОЇ ОПЕРАЦІЇ І ПАРАМЕТРАМИ ТОЧНОСТІ КІЛЕЦЬ ПІДШИПНИКІВ Марчук В.І., Пташенчук В.В. (ЛНТУ, Луцьк, Україна) A question is considered, in relation to resolve the exactness of treatment of details for no perpendicular during work on the bilateral butt end polishing automats of EP 3344. The row of technological factors is offered for providing the regular geometrical shape of rings of bearings. Основною задачею сучасного машинобудування в галузі обробки матеріалів різанням є забезпечення максимальної продуктивності обробки виробів з гарантованою якістю. Найважливішими факторами, що визначають споживчі якості, довговічність, надійність і точність роботи машин, є похибки розмірів, відхилення форми, шорсткість, хвилястість поверхонь. Точність розмірів та форми деталей характеризується відхиленням реальної поверхні від номінальної і має безпосередній вплив на експлуатаційні властивості деталей машин: зносостійкість, стабільність посадок деталей (зазори, натяги), корозійну стійкість, тощо. Забезпечення заданих розмірів та правильних геометричних форм поверхонь деталей, які б відповідали конструкторським кресленням та іншій технічній документації можливе при оптимізації виробничо-технологічних процесів,

222

що враховують максимальну кількість факторів впливу та забезпечують отримання заданих параметрів. Використання торцешліфувальних автоматів ЄП 3344 в технологічному циклі оброблення торців кілець роликопідшипників забезпечує високу точність оброблених поверхонь, які характеризуються такими параметрами як: відхилення від паралельності торців та їх площинності. Двостороннє шліфування на торцешліфувальних автоматах є високопродуктивним методом обробки порівняно із звичайним плоским шліфуванням завдяки одночасній обробці двох паралельних площин (торців кілець підшипників), відсутності намагнічування та розмагнічування деталей, високій механізації і автоматизації виробництва. Так, при шліфуванні на двошпиндельному верстаті 3772Б внутрішніх кілець підшипників відхилення від паралельності та площинності становлять відповідно 9 та 8 мкм [1], при шліфуванні на двосторонньому торцешліфувальному верстаті ЄП 3344 обидва параметри не перевищують 5 мкм. Однак, при двосторонньому шліфуванні кілець підшипників непенпендикулярність (відхиленя від правильної геометричної форми, при якому площини, які обмежують деталь непенпендикулярні її осям) підвищується в 2-3 рази. Це спричиняє появу посадок з натягом при монтуванні підшипника у підшипниковий вузол та додаткових напружень в поверхневому шарі зовнішнього кільця підшипника, що негативно впливає на експлуатаційні властивості, сприяє появі мікротріщин в процесі експлуатації та скорочені часу на спрацювання. Тому, при розробці технологічних процесів і виконанні налагоджувальних робіт необхідно враховувати деякі особливості двостороннього шліфування, які впливають на точність процесу. До таких особливостей відносяться: - зміна швидкості шліфування; - виникнення двосторонніх сил різання; - зміна профілю круга після правки; - зміна напрямку обертання шліфувальних кругів один відносно одного. Розглянемо сили різання, які виникають в процесі двостороннього шліфування та їх зв’язок з формоутворенням кілець підшипників (рис1).

Рис.1. Схема зусиль, що виникають в процесі шліфування на двосторонньому торцешліфувальному верстаті ЄП 3344 при обертані шліфувальних кругів в односторонньому (б) та протилежних (а) напрямках.

223

Оскільки двостороннє шліфування виконується двома шліфувальними кругами, то виникають дві сумарні сили різання, кожна з яких розкладається на складові: Рх1, Ру1, Рz1 – для лівого шліфувального круга і Рх2, Ру2, Рz2 – для правого, де Рх1 і Рх2 – осьові сили, які діють в площині шліфування в напрямку подачі; Ру1 і Ру2 – нормальні зусилля, шо діють в площині, перпендикулярній площині шліфування; Рz1 і Рz2 – тангенціальні сили, які діють в площині шліфування пенпендикулярно до напрямку подачі. Можна вважати, що при однаковому знятті припуску з обох торців кільця сили різання, а також їх складові відповідно рівні між собою: Рх1 = Рх2; Ру1= Ру2;

Рz1=Рz2;

(1)

Оскільки величина припуску при проході кільця між робочими поверхнями абразивних кругів зменшується, то сили різання та їх складові відповідно знижуються: Рх1 = Рх2 > Рх3 = Рх4; Ру1 = Ру2 > Ру3 = Ру4; Рz1 = Рz2 > Рz3 = Рz4;

(2)

Так як при двосторонньому шліфуванні торців кілець підшипників шліфувальні круги обертаються в протилежних напрямках, тангенціальні сили Рz1 і Рz2 створюють обертальний момент, який при вході кілець в зону шліфування є максимальним і дорівнює:

Ì= ( Ðz1 + Ðz 2 )h ; îá

(3)

де: h - висота шліфованої деталі. Характерною особливістю обертального моменту пари тангенціальних сил є зміна напряму обертання в процесі шліфування. В момент входження кілець в зону шліфування до центру шліфувальних кругів обертальний момент направлений проти годинникової стрілки, від центра і до виходу кільця із зони шліфування - за годинниковою стрілкою. Величина обертального моменту залежить від значень тангенціальних складових сил різання, які визначаються за формулою:

Pz =

υäåò st ρ ; 60υêð

(4)

де: s – подача, мм/хв; t – глибина шліфування, мм;

ρ – питома сила різання, кг/ ì ì 2 ; υêð – швидкість обертання шліфувального круга, м/хв; υäåò – швидкість руху деталі, м/с. З наведеної залежності випливає, що тангенціальна складова прямо пропорційна швидкості кільця, подачі, питомій силі різання, глибині шліфування.

224

Таким чином, при збільшені припуску на шліфування зростає обертальний момент. Його дія негативно впливає на якісні показники двостороннього шліфування, оскільки призводить до збільшення непенпендикулярності, утвореної до торця кільця. Для уникнення появи таких похибок необхідно зменшувати обертальний момент, насамперед, шляхом зменшення величини припуску на обробку.

Рис.2. Графік залежності непенпендикулярності від величини припуску на шліфування. При двосторонньому шліфуванні позитивні результати по непенпендикулярності досягаються при величині припуску на шліфування, який не перевищує 0,3 мм. (рис.2.). Для цього необхідно зменшувати припуск на токарних операціях або застосовувати сире шліфування торців деталей. В процесі шліфування обертальний момент викликає перекос кільця, що зумовлює появу непенпендикулярності кільця підшипника. При зміні напряму обертання одного з шліфувальних кругів та забезпечення обертання кругів в одному напрямі (рис.3, б) спостерігається зменшення утворення непенпендикулярності, завдяки однонаправленій дії тангенціальних складових сил різання Рz1 і Рz2. Однак, в наслідок числених ударів в момент входження кілець в зону шліфування і значного спрацювання (викришування) шліфувальних кругів викликаних однонаправленою дією сил Рz1 і Рz2, шліфування буде нестабільним і не забезпечить необхідні розміри оброблюваних деталей. Двостороннє шліфування доцільно проводити в два проходи [2], щоб при знятті основної частини припуску зменшити сили різання й обертальний момент відповідно. Однак, застосування такої методики шліфування призводить до роздільного налагодження виробничого обладнання та зростання часу на обробку деталей, що знижує продуктивність виробничого процесу.

225

Рис.3. Графіки зміни початкової непенпендикулярності при двосторонньому шліфуваннікілець підшипників: а-обертання шліфувальних кругів в різносторонньому напрямі;б- в односторонньому напрямі; Умовне позначення непенпендикулярності:- - - ――———— початкова; — - після двостороннього шліфування. Тому актуальним завданням на стадії оброблення кілець підшипників є розробка і застосування такої схеми двостороннього шліфування, яка б дозволила забезпечити якісні характеристики оброблюваних деталей та продуктивність на високому рівні.

Рис.4. Взаємне двосторонньому

розташування

226

шліфувальних

кругів

при

Наведена методика двостороннього шліфування (рис.4) передбачає налагодження верстата таким чином, щоб відстань між шліфувальними кругами на вході кілець була більшою ніж на виході в межах 0.1-0.2 мм. При цьому знімання припуску відбувається по всій довжині зони шліфування, а зусилля нарощується плавно не досягаючи максимального значення, що дає змогу зменшити непенпендикулярність оброблювальних деталей, підвищити їхні якісні характеристики та продуктивність виробничого процесу. Отже, застосування ряду запропонованих технологічних заходів дає змогу значно зменшити непенпендикулярність кілець підшипників, що безпосередньо впливає на їх експлуатаційні властивості, дозволить уникнути появі негативних посадок з натягом при монтажі підшипникових вузлів та підвищити продуктивність виробничого процесу. Список літератури: 1. В.М. Сухарев, А.С. Денисов ,,Двустороннее шлифование”. -К.: Техника, 1976.-80 с. 2. Лурье Г.Б., Комиссаржевская В.Н. ,,Шлифовальные станки и их наладка”.- М.: Высшая школа, 1967. 474 с. МОДЕЛЮВАННЯ ДИНАМІЧНОЇ СИСТЕМИ ПРОЦЕСУ ШЛІФУВАННЯ КІЛЕЦЬ КОНІЧНИХ РОЛИКОПІДШИПНИКІВ Марчук В.І., Чалий В.Д, Демидюк О.Д. (ЛНТУ, м. Луцьк, Україна) The mathematical model of the dynamic system polishing, which is basis for prognostication high-frequency hesitating processes and management roughness and waviness parameters in the process of automated forming workings surfaces of rings roller bearings, is offered. As a result stochastic high-frequency hesitating processes in the resilient system of machine-tool are determined transversal and by the rotators vibrations of shaft and dynamic system detail. На сучасному етапі розвитку машинобудування головним завданням є створення основ керування якістю деталей і машин, забезпечення їх експлуатаційних характеристик, таких як надійність, довговічність, віброактивність, безшумність, точність й інших. Експлуатаційні характеристики підшипникових вузлів машин та приладів в значній мірі визначаються якістю робочих поверхонь кілець та тіл обертання, які формуються на фінішних операціях. На заключних етапах технологічного процесу найчастіше застосовують методи абразивної обробки, серед яких лідируючу позицію займає шліфування. Для різних класів і типорозмірів деталей застосовують різні методи шліфування. При виготовлені деталей типу тіл обертання широкого розповсюдження отримали методи врізного безцентрового шліфування на жорстких опорах. Знімання припуску в процесі шліфування доріжок кочення кілець роликопідшипників супроводжується коливаннями нормальної P п і тангенціальної P t сил різання [1]. Величина цих складових залежить від багатьох факторів, основними з яких є швидкість поперечної подачі, характеристика і структура абразивного круга, ширина шліфування, механічні властивості матеріалу заготовки тощо. Попередніми дослідженнями [1; 2; 3; 4] встановлено, що утворення поперечної хвилястості поверхні під час шліфування, як правило, пов’язане з коливаннями сумарної сили різання. Механізм формування сил різання одиничними зернами під час шліфування досить ретельно досліджений професорами Новосьоловим Ю. К. [2], Якімовим О. В. [3;

227

4] та їх учнями. Результати цих досліджень взяті за основу під час розробки математичної моделі круглого врізного шліфування робочих поверхонь кілець роликопідшипників. Сумарна випадкова сила різання, що діє на шліфувальний круг визначається як: Рп1 (t ) = PN1 (t + PNS (t ))

(1)

де PN 1 (t ) = PNT (t ) ⋅ C PN 1

(2)

випадкова сила, зумовлена періодичними ударними-імпульсами, які виникають на зернах абразиву, розташованих випадковим чином [2], причому прийнято допущення, що кожне зерно має середньостатистичні розміри; PNS – сила різання, що виникає внаслідок розсіювання розмірів і форми зерен [2]; C PN1 – є випадковою величиною [2]. Враховуючи велике число зерен абразиву на поверхні круга і значну різноманітність їх форми і розмірів можна вважати, що центроване значення сили різання, яка виникає внаслідок розсіювання розмірів і форми зерен, незначне і набагато менше, ніж сила різання, зумовлена періодичними ударними-імпульсами. Тобто PNS << PNI .

(3)

З врахуванням цієї обставини можна прийняти лінійну залежність PNS (t ) = PNT C pns

(4)

де: PNT - математичне очікування сили різання на середньостатистичному зерні абразиву; C pns - випадкова величина. [2]. Підставляючи значення сил з (4) в залежність (1) визначимо силу різання, яка діє на круг, з врахуванням її випадкового характеру: (5) Pn1 = PNT C pn , де C pn = C pni + C pns . Математичне очікування середньої амплітуди імпульсного навантаження від середньостатистичного зерна абразиву визначимо з [2], а нормальну силу різання з рівняння: (6) Pn1 = PNO − aк xк − aд xд + aп vп + ar δr + a RδR , де ∂K ni PNO = K nioC pn ; aк = C pn ; ∂xк 0 aд = aп =

∂K ni ; ∂Vп 0

ar =

228

∂K ni ; ∂r 0

∂K ni ; ∂xд 0 aR =

∂K ni . ∂R 0

Коефіцієнти, що входять в (6), є величинами випадкового характеру. Для їх визначення використовуються залежності: av = av + g v*∆av ,

PNO = PNO + g *p ∆PNO ;

(7)

де PNO , av - математичні очікування відповідних величин; ∆PNO , ∆av , діапазони відхилення коефіцієнтів від своїх середніх значень; g *p , g v* - сукупність випадкових чисел із відповідними законами розподілу в діапазоні від -1 до +1. Приймемо як припущення, що зміни коефіцієнтів, визначені залежностями (7), незначні, а самі зміни відбуваються ступінчастим чином. В цьому випадку коефіцієнти, що входять в (6), можуть трактуватися як деякі постійні, незалежні від часу. На цій основі залежність (6) допускає перетворення за Лапласом, яке запишеться у вигляді Pn1 ( s ) = − aк xк ( s ) − aд xд ( s ) + as sxк ( s ) + arδr ( s ) + a RδR( s )

(8)

де Pn1 ( s ) - є зображенням різниці Рn (t ) − Рno , ( Рno = PNO ) Після перетворень залежності (8) до матрично-векторного вигляду знайдемо:  xк ( s )   x (s)    Рn1 ( s ) = [ F pк , F pд , F pr , F pR ] д  ,  δr ( s )  δR( s )

(9)

де передавальні функції, що є компонентами матриці-рядка, мають вигляд F pк = aп S − aк ,

F pд = −aд ,

F pr = ar ,

F pR = a R .

(10)

Залежність (9) є математичною моделлю процесу різання. Вона представлена у вигляді блок-схеми (рис. 1) і має, як вхідні параметри переміщення шпинделя (шліфувального круга) xк , переміщення деталі xд і зміну поточних радіусів деталі δr і шліфувального круга δR . Ці величини є взаємозалежними. Сила різання, визначена згідно (9), може змінюватися випадковим чином внаслідок зовнішнього впливу, незалежного від динамічних робочих процесів. Такою причиною може бути затуплення зерен абразиву, засалювання або забруднення простору між зернами, зміна мастильних властивостей середовища, що знаходиться між деталлю і кругом, або руйнування зерен абразиву.

229

Рис. 1. Блок-схема математичної моделі процесу різання Враховуючи, що зміна сили різання від вищезгаданих причин незначна, можна прийняти зміну сили у вигляді адитивної коректуючої добавки до значення, визначеного згідно (9). При цьому сила різання визначиться залежністю: (11) Pn = Рn1 + Рn 2 , де Рn 2 - випадкова незалежна від коливальних процесів в динамічній системі верстата додаткова сила різання. Фактична зміна радіусу деталі менша від розрахованого на величину динамічних переміщень деталі і шпинделя. Тому (12) δr = δrc − xк − xд , де δr c - зміна радіусу без урахування переміщення шпинделя x к і деталі x д . Визначимо динамічну похибку обробки у вигляді суми: (13) ∆ = xк + xд , де, xк = xк + ( K1 + Eк ) sin ϕ cк , а значення похибки обробки містить адитивну постійну, залежну від биття круга. Відповідно величина ∆ пов’язана з похибкою обробки залежністю: (14) ∆ = ∆ д + ( K1 + Eк ) sin ϕ cк . Перетворимо залежність (12) до вигляду (15) δr = δrб − хк − хд , де δrδ = δrc + ( K1 + Eк ) sin ϕ cк . З порівняння (13) і (15) витікає співвідношення 230

δr = δrδ − ∆ .

(16) Дані співвідношення дозволяють визначити структурну блок-схему динамічної системи шліфування. Структурна схема складена шляхом об’єднання математичних моделей, які описують коливання підсистем шпинделя круга, шпинделя деталі і математичної моделі процесу різання (рис. 1). Об’єднання виконане поєднанням відповідних тотожно-рівних входів і виходів. Математична модель має ряд незалежних входів, що відображають вплив зовнішньої управляючої дії і наявність джерел динамічних збурень у верстаті. Значення вхідного параметра у вигляді зміни радіусу деталі відповідно до зміни товщини шару, який зрізається, повинне задаватися з корекцією на величину ( K1 + Eк ) sin ϕ cк . Ця величина відображає вплив биття шпинделя, викликаного неврівноваженістю його маси. Виходом математичної моделі є величина ∆ , відмінна від похибки обробки на величину адитивної постійної, залежної від кута повороту шпинделя згідно рівнянню, витікаючому з (14) (17) ∆ δ ( t ) = ∆( t ) − ( K1 + E к ) sin ϕ cк Математична модель має також як вихідний параметр величину x∆ , що є різницею динамічних переміщень шпинделя і бабки шпинделя. Даний параметр є входом системи керування верстатом і служить для корекції похибок обробки. У ньому також врахований вплив неврівноважених відцентрових сил за допомогою врахування їх впливу на переміщення шпинделя. Математична модель динамічної системи шліфування є основою для прогнозування високочастотних коливних процесів і керування параметрами шорсткості та хвилястості в процесі автоматизованого формоутворення робочих поверхонь кілець роликопідшипників. У результаті проведеного теоретичного аналізу високочастотних стохастичних коливних процесів в системі ВІД (Верстат – Інструмент – Деталь) постають наступні висновки: - стохастичні високочастотні коливні процеси в пружній системі верстата визначаються поперечними і крутними коливаннями шпинделя і динамічної системи деталі; - відносне переміщення деталі і круга в зоні різання залежить від сили різання, випадкових навантажень, які виникають в передачах кінематичної системи верстата, вібраційних навантажень на бабку шпинделя з боку приводного електродвигуна і вхідного управляючого параметра у вигляді кута повороту вала крокового двигуна. Список літератури: 1. Марчук В.І. Моделювання динамічної системи безцентрового врізного шліфування робочих поверхонь роликопідшипників // Наукові нотатки. Міжвузівський збірник (за напрямом “Інженерна механіка”), вип.14, серпень 2004. – Луцьк, 2004. – С. 187-198. 2. Новоселов Ю.К., Гатаркин Е.Ю. Обеспечение стабильности точности деталей при шлифовании. – Саратов: Изд-во Саратовского университета, 1988. – 128с. 3. Управление процессом шлифования / А.В. Якимов, А.МН. Паршаков, В.И. Свирщев, В.П. Ларшин. – К.: Техніка, 1983. – 184с. 4. Якимов А.В. Оптимизация процесса шлифования. – М.: Машиностроение, 1975. – 176с.

231

НАВЧАЛЬНІ ІГРИ І ЇХ РОЛЬ У ПІДВИЩЕННІ САМООЦІНКИ СТУДЕНТІВ Мачикіна І.Ю. (ДонНТУ, м. Донецьк, Україна) The inclusion of the game elements into process of learning, stimulates knowledge perception by students, as well as raises attention and concentration at the most complex theoretical problems. The students are more interested in the subject and try to demonstrate their creative abilities and personal capacities. Emotional side of perception intensifies along with striving to succeed. Positive estimation from the side of the teacher and groupmates intensifies student′s own estimation. It contributes to fighter′s capacities development as well as getting proper skills to overcome difficulties and harmonious formation of personality. У перекладі з грецького педагогіка – це, перш за все, наука про виховання людини. Саме виховання є рушійною силою у процесі освіти і навчання людини. Оволодіння знаннями – це тільки перша щаблина. Далі необхідно розвивати здатність використовувати їх у рішенні конкретних завдань і ситуацій. І найголовніше, виробити в собі бажання експериментувати і діяти на основі отриманої учбової інформації. При помилках не пасувати і не розчаровуватися, а мобілізуватися і шукати інші варіанти рішення і добиватися результату. А це вже потребує від людини конкретних вольових зусиль, наполегливості, терпіння, іноді – зухвальства, винахідливості. Так і протікають два цих паралельних процеси: накопичення знань і особистісний ріст тієї особи, що навчається [1]. Для молодих людей, що стали студентами вузу у віці 17–18 років характерна ще не зовсім сформована цілеспрямованість, психологічна стійкість і гнучкість. Тут дуже важливою є роль педагога, що виступає не тільки у якості вчителя, але й – наставника і провідника, здатного полегшити студентам період дорослішання та становлення особистості. Викладач ставить перед собою мету не тільки щодо розвитку інтелектуальних здібностей молоді, а ще й спонукає її до зрозуміння необхідності змінюватися і розвивати у собі інші якості, ставати більш впевненим і закаляти свою психіку, змінювати звичні настанови, збільшувати власну відповідальність і самостійність. А це вже предмет педагогічної психології, яка вимагає від педагога спеціальної освіти та таланту [2]. Часто студенти відносяться до деяких викладачів як до прикладу, що вартий наслідування, копіюють його манери, жести. Бувають випадки, коли студенти відчувають таку повагу та довіру до свого педагога, що звертаються до нього у тяжкі хвилини як до авторитета, старшого товариша, навіть – психотерапевта. Процес взаємодії викладача і студентів на заняттях можна вважати певною виставою, фінал якої залежить від вмінь викладача, його інтуїції, здібності “підстроїтися” під аудиторію і “вести” студентів за собою. Прийоми тут можуть бути досить різні. Наприклад, відомий фізик Л.І. Мандельштам починав кожну лекцію нестандартно, а саме, пропонував для обговорення черговий парадокс фізики, тим самим створюючи інтригу для слухачів і пробуджуючи посилену увагу студентів до неї. Потім проводив бурхливе обговорення проблеми, відпрацьовуючи під час активної дискусії різні версії і врешті решт знаходячи вірне рішення та необхідний результат. Нажаль, останнім часом у програми вузів вводяться такі види занять, які зменшують час живого спілкування з викладачами (письмові іспити, індивідуальні завдання тощо), а також зменшується кількість або зовсім скасовуються практичні та семінарські заняття.

232

Насправді кожне заняття це свого роду спектакль, гра, в якій викладач і студенти стають акторами, одні виконують головні ролі, інші – другорядні, а деякі, нажаль, статисти і приймають участь лише у “масових сценах”. Завдання викладача – не тільки відповідально підготовитися до заняття, а ще і врахувати більш вірогідний хід гри та звести до мінімуму кількість статистів – зробити так, щоб вони “відкрилися” і влилися в число активно діючих учасників [3]. Найскладніші питання теми можна подавати безліччю різноманітних прийомів і засобів і включити до їх вирішення практично всіх присутніх не даючи нікому із студентів займатись чимось стороннім. Студентська молодь знаходиться в розквіті своїх можливостей, в стані чутливої реакції на все нове та несподіване, тому як правило вона з задоволенням демонструє кмітливість та дотепність і оригінальність, якщо їм до вподоби заняття та викладач. Це захоплює і заражає їх. Саме на процес “зараження” всіх присутніх необхідно робити ставку педагогу. За підтримкою і адекватній, позитивній оцінці успішних доповідачів педагог спонукає і решту до подібної винагороди, що стимулює студентів, заохочує інтерес до предмету та викликає неоціненне почуття задоволення і радості від вдалих відповідей та від позитивних коментарів викладача. А це, в свою чергу, впливає на самооцінку студента і повагу, яку він викликає у одногрупників. У випадку включення ігрової компоненти в практичні заняття і семінари, студенти так іноді “розігруються”, що пропонують знахідки, які вже стають надбанням студентів інших поколінь. Невипадково, для запам′ятовування деяких складних теоретичних положень складаються прислів′я і приказки, в яких міститься у жартівливій формі цей складний для запам′ятовування зміст. Іноді студенти для запам’ятовування використовують римовані чотиривірші, а часом вони складають прості пісеньки зі зашифрованою інформацією. Таке студенти запам’ятовують, як правило, на все життя. Тобто все, що неформально викладено під час заняття лектором, все, що створено творчістю студентів – це дуже корисний і результативний засіб активації їх у процесі вивчення та осмислення нової інформації. Важливо направити їх зусилля і винахідливість саме на це, а не на підготовку шпаргалок та інших хитрощів. Заняття, на яких дається багато пасивних знань, без участі в обговоренні, де студенти сидять тихо і мляво занотовують в зошити те, що чують у монолозі лектора або асистента, малоефективні. А ще прикро, коли аудиторія байдуже сприймає непереконливо та нецікаво викладену лектором інформацію. Бувають випадки, коли при обговоренні задач або розборі теоретичного матеріалу вони не проявляють ніякого інтересу к оцінці їх відповідей викладачем, а тим паче, своїми ж колегами у групі. У таких випадках педагог повинен змінювати тактику проведення занять і змінюватися сам за принципом “якщо у тебе щось не виходить, отже робити слід зовсім інше”, бо такі заняття не приносять задоволення ані йому, ані студентам – марна трата сил і часу. Слабкий результат від занять може пояснюватися ще і іншою причиною. Навіть при найпрогресивніших методах навчання викладач мало чого доб'ється від студентів, якщо у них слабка мотивація до навчання. Пасивність і бажання "сховатися" на занятті продиктовані тим, що спочатку ці студенти нечітко уявляли собі мету навчання і його значення для їх майбутнього життя. Вони відсиджуються на заняттях, живуть спокійно, без турбот, трохи вчаться, особливо не виділяючись за принципом мінімізації зусиль, аби “вижити”. Такі студенти проходять до кінця навчання непомітною тінню і такими залишаються в подальшій своїй діяльності, ніде намагаючись не висуватися. Такий підхід призводить до гальмування або навіть до самостійного придушення свого власного розвитку, бо уникаючи можливих невдач та помилок, людина так нічому

233

особливому і не навчиться. А отже “тихе життя” їй забезпечено надовго і прорив можливий, як правило, не за його власним бажанням, а за не залежних від нього колізіях життя, до яких він, як правило, не готовий [4]. Тому так важливо “не укутувати себе в тепле” і не оберігати від усього несподіваного. Необхідно враховувати і попередню підготовленість студента, його виховання батьками і в школі, характерологічні особливості, темперамент, тип нервової системи і цілий ряд інших аспектів. Але, незалежно від цього, педагог має великі можливості у вирішенні проблем розкриття особистості студента, у впливі на його правильне осмислення своїх перемог і поразок. В ненав'язливій корекції його поведінки, делікатній спробі його поступової переорієнтації в життєвих підходах і принципах педагог може потроху пробуджувати в ньому самоповагу і віру в себе, у свої здібності, а головне спонукати в ньому намір проявляти себе, а не “ховатися”. І в цьому полягає головний компонент виховання та навчання студентів. Педагоги, які викладають спеціальні дисципліни, наприклад “Право”, “Основи менеджменту”, “Економіка підприємства” та інші вже давно мають можливість включати в семінарські заняття добре відпрацьовані в науковій літературі різні “ситуаційні ігри”, де все розписано і щодо ролей, і щодо сюжетів. На жаль, для загальноосвітніх дисциплін і зокрема для фізики таких розробок практично не існує. При підготовці до заняття викладач повинен представити у деталях, як повинна йти гра, які питання будуть розглянуті тощо. Але не все так просто, бо він має справу з живими людьми, які можуть збити його із запланованого сюжету, увести в бік, може початися сварка, емоційні сплески. Тут на допомогу викладачу може прийти його винахідливість, гнучкість, або почуття гумору і він не допустить відхилення від основної лінії. Не менш важливо ураховувати іще один фактор – це мовлення викладача. Воно повинно бути простим, доступним та зрозумілим для студентів. Велике значення при викладанні фізики мають чітко вивірені формулювання законів та явищ. Тут недоречні приблизні висловлювання та вільні трактування. Друге діло, це пояснення до них, наведення яскравих прикладів. Доречно звернення до студентів, щоб вони згадали аналогічні приклади з техніки або природних явищ. Другий аспект, який має важливе значення для кращого засвоєння дисципліни – це чітка логіка і послідовність викладання. “Розкладання по поличках” – впорядкування інформації сприяє увазі і спокійному, без напруги, засвоєнню навчального матеріалу. Але ця методика – не є догма. Іноді бажано викладачу робити несподівані відхилення від педантичного і занадто розміреного викладу матеріалу. Коли викладач намагається загострити увагу студентів на якомусь важливому теоретичному аспекті, він може застосовувати зовсім іншу тактику, наприклад, почати докладати про це іронічно, включати ірраціональні вислови, майже алогічні. Мета цього – викликати здивування студентів від несподіваного ходу думки, їх збудження, навіть сміх. Тобто тут викладач акцентує їх увагу на емоційному сприйманні учбового матеріалу. Це переключення дає студентам відпочинок і підготовлює їх психіку до більш якісного сприйняття подальшої інформації. Не менш важлива і наступна фаза в навчальному процесі – відтворення, або інакше репродукція цих знань студентами, коли студенти повинні виступати в іншій якості – самі грати центральні ролі. Вже будуть монологи та діалоги, а педагог виступатиме більшою мірою глядачем, але не пасивним. Він буде обережно виправляти студентських акторів, підтримувати їх і по суті виступати як режисер вистави. Репродукція має велике значення не тільки в цьому сенсі. Вона ще навчає студентів умінню висловлювати чітко і конкретно те, що вони бажають, бо інколи вони

234

бажають багато сказати, навіть знають, що сказати, а при репродукції розгублюються, плутають слова і перекручують зміст. Нема тренування, нема навику. Адже вміння осмислено говорити, не смітити словами, не ходити навкруги – це один з елементів загальної культури людини. Якщо ця сторона залишається слабкою у людини, вона виявляє негативний вплив на формування особистості, сприяє затиснутості людини, відчуженню від людей з усіма наслідками, що звідси витікають. Навпаки, як тільки студенти почнуть виступати все краще і краще, навчатися конкретно висловлювати свою думку, прийде відчуття задоволення. А коли людина починає досягати успіхів, хоча й самих незначних, у нього з’являється вже потреба в них. Ці почуття стають вже стимулом в подальшому розвитку і взагалі дуже корисні для здоров’я. Вони закладають ресурс його психологічної стабільності, який в складних випадках допомагає знижувати втрати і прискорює вихід з ситуацій, які людина вважала спочатку тупиковими. При цьому має місце ще одна особливість, А саме, при ігрових заняттях кожний студент може відчути себе як індивід з своїм набором якостей, що належить тільки йому, з своїми позитивними властивостями та недоліками. З іншого боку, він починає розуміти свою роль в групі і те, наскільки він до неї належить. Чи він наодинці, чи його інакше оцінюють одногрупники. Співпадає його самооцінка з такою, що складається в групі чи ні. Тобто мають місце однозначно два процеси: індивідуалізація та інтеграція. Це сприяє критичному відношенню до себе, але при нормальному положенню справ не знижує поваги людини до себе, а, навпаки, стимулює його саморозвиток. Ігрові елементи навчання впливають благотворно на розвиток творчого мислення. У тих випадках, коли звичайна людина знаходить одне тільки рішення проблеми, творча може побачити декілька варіантів і легко перейти від одного до другого, і не зациклюватися на одній тільки можливості. Як правило, ті студенти, які більш схильні до творчості, пропонують оригінальні, незвичні рішення. Без сумніву, кожна людина наділена потенційними можливостями і задача навчання крім передачі знань ще й в “визволенні” творчих здібностей студентів. Саме ігрові та проблемні методи навчання тут мають велике значення. Те, як усвідомлює себе студент серед своїх колег і товаришів, те, як оцінюють його здібності та поведінку педагоги вузу в значній мірі впливає на його здатність подолати в собі почуття неповноцінності. А без цього гальмується розкриття його природних властивостей, подальше зростання впевненості і незалежності. Висновки. Для підвищення ефективності навчання педагогу бажано складати план занять з включенням до них ігрових частин. Під час проведення занять вступати у взаємодію зі студентами в дусі партнерства та єдиної команди, намагатись “розкрити” потенційні можливості і здібності студентів, підвищити їх інтерес не тільки до навчального предмету, але й до активної життєвої позиції взагалі. Список литературы: 1. Столяренко Л.Д. Основы психологии. – Ростов на Дону: Феникс, 1996. – 736 с. 2. Ефремов О.Ю. Педагогика. – Санкт Петербург: Питер, 2009. – 254 с. 3. Берн Э. Игры, в которые играют люди. Психология человеческих отношений. – Москва: ЭКСМО, 2008. – 348 с. 4. Майерс Д. Социальная психология. – Санкт Петербург: Питер, 1998. – 688 с. 5. Руденко А.М., Самыгин С.И. Деловое общение. – Ростов на Дону: Феникс, 2008. – 413 с.

235

АНАЛИЗ МЕТОДОЛОГИЧЕСКИХ ОСНОВ ЭЛЕКТРОННЫХ СИСТЕМ ТЕСТИРОВАНИЯ Машурцев В.А., Ламина Т.Н., Лукина Т.А. (ГУУ, г. Москва, Россия) Examinational system TestGuru was created by Computer technologies department at the State University of Management in Moscow. It is a simple but very effective tool which helps to organize electronic tests in the disciplines where the knowledge can be tested in this way. This system includes a number of rules for task setting and a software package for converting tasks into electronic form for testing, self-testing and self-study. Одна из основных проблем современного развития высшего образования состоит в том, чтобы, сохраняя его фундаментальность, обеспечить новые образовательные результаты. Из области информационных технологий для этого предназначены электронные системы обучения, представляющие собой большое поле для деятельности: это - системы управления обучением, программы аттестации, тестирования, электронные учебные курсы. Разработка и внедрение средств, стимулирующих систематическую работу студентов в течение всего учебного года задача любой кафедры вуза. На кафедре компьютерных технологий ГУУ в течение последних трех лет действует автоматизированная система контроля знаний студентов для ряда специальностей вуза: «Менеджмент организации», «Логистика» и др. Такая система расчета рейтинговой оценки знаний текущей и итоговой успеваемости позволяет учитывать не только результат сдачи экзамена, но и совокупность всех показателей работы студента в течение учебного семестра. Современные образовательные технологии рассматривают тесты как мощный инструмент, позволяющий, при правильном его использовании, значительно улучшить качество преподавания и степень усвоения студентом учебного материала, а также как один из эффективных методов объективной оценки знаний обучающихся. Для реализации этих задач на кафедре разработана собственная система электронного тестирования TestGuru; разработано и отлажено семь базовых тестов, соответствующих всем основным темам программы дисциплины «Компьютерная подготовка»; издано методическое пособие по созданию и применению тестов [1]. Эта система используется в течение семестра, как для текущего контроля успеваемости студентов, так и во время экзаменационной сессии. Для обеспечения всего многообразия методик тестирования можно использовать различные виды тестовых вопросов. К наиболее распространенным относятся следующие типы вопросов: • альтернативного типа (только да или нет); • простой выбор – необходимо выбрать один правильный ответ из нескольких предложенных вариантов; • множественный выбор – необходимо выбрать несколько верных ответов из списка предложенных; • ранжирование – студенту предлагается расставить набор элементов в правильном порядке; • проверка пар сочетаний – студенту необходимо связать в пары элементы, расположенные в двух столбцах; • ответ открытой формы – необходимо ввести правильный ответ в поле ввода, при этом может быть несколько правильных ответов.

236

При составлении вопросов теста нужно обязательно учитывать временной фактор – среднее время ответа на вопрос теста должно быть не более двух минут. Учет этого фактора позволяет не только создавать сбалансированные вопросы теста, но и легко рассчитывать время, необходимое для проведения всего тестирования. Как показывает практика применения тестов в учебном процессе, на вопросы, требующие больших расчетов или сложных и длительных рассуждений, в девяноста процентах случаев студенты отвечают по принципу «случайного тыка» или не отвечают вовсе. При создании вопросов с использованием графических изображений, видеороликов и мультипликации нужно следить за тем, чтобы вопрос со всеми вариантами ответа умещался на экране компьютера. В случае если вопрос занимает большее место, тестируемый может просто не заметить правильного варианта ответа. Это правило относится к любым типам вопросов. В разработанных кафедрой тестах число вопросов в небольшом тесте составляет не менее 15, итоговом от 45 до 60. Время на один ответ – от 30 сек до 2-х минут. Время на выполнение всего теста ограничено (лимит устанавливает его разработчик). Однако временного лимита на выполнение отдельного тестового задания нет. Тестируемый имеет возможность не только временно отложить выполнение некоторых заданий теста, но и вернуться к предыдущим заданиям для внесения изменений в свой ответ. При этом оценивается лишь последний вариант. Порядок выполнения заданий отдельного теста при каждом тестировании формируется случайным образом. Каждое из заданий теста может содержать до десяти модификаций. Выбор конкретной модификации одного задания при каждом тестировании также случаен. Использование комплекса программ TestGuru для тестирования в сетевом режиме предусматривает централизованное хранение всех тестовых заданий и результатов оценки каждого из тестируемых лиц по каждому из тестов в виде отдельных зашифрованных файлов, недоступных студентам. Перед началом тестирования каждый пользователь (студент) выполняет процедуру регистрации, вводя свои идентификационные признаки с клавиатуры. В начале и в конце сеанса тестирования пользователь может получить по сети и просмотреть на экране свои результаты по каждому из ранее выполненных тестов. Подведение итогов тестирования осуществляется на основе учета процента правильно выполненных тестовых заданий и скорости выполнения теста. При оценивании результата тестов используется стобалльная шкала. Рекомендации для приведения ее к традиционной шкале оценок разрабатывает методическая комиссия по данной дисциплине. Так, для экзаменационного теста использовалась схема преобразования, приведенная в таблице. Таблица 1. Идентификаторы оценок тестирования Количество набранных баллов Оценка От До Неудовлетворительно 0 44 Удовлетворительно 45 59 Хорошо 60 74 Отлично 75 100 По окончании сеанса тестирования студент знакомится со своими результатами сразу и имеет возможность побеседовать с преподавателем.

237

При проведении экзаменов по дисциплинам естественно-математического профиля, к которым относятся ряд дисциплин кафедры компьютерных технологий, возможны следующие варианты: - традиционная форма устного экзамена по билету; - экзамен в письменной форме в составе потока или учебной группы; - тестирование, затем письменный экзамен, после проверки работы выставляется интегральная оценка; - тестирование (как допуск к экзамену), затем устный экзамен (возможно, другому лектору, как в зарубежных вузах). Для рубежного контроля кафедра использует электронное тестирование в рамках разработанной ею программы TestGuru, после окончания, которого преподаватель проводит анализ его результатов c каждым студентом. В ходе этого анализа возможна дополнительная устная проверка знаний студента. За преподавателем сохраняется право добавить к оценке, выставленной компьютером, один балл с учетом посещаемости и активности студента на занятиях, качества защиты курсового проекта, лабораторных работ и т.п. Опыт проведения промежуточных контрольных проверок и экзаменов в форме электронного тестирования позволяет сделать следующие выводы: программа сетевого тестирования TestGuru подтвердила свою надежность и достоинства (простота входа-выхода в систему, минимум информации, необходимой для регистрации студента перед началом тестирования, удобный интерфейс, индивидуальность тестирования, сохранность данных в системе в виде протоколов, статистики и т.п.); эффективно реализуется концепция промежуточного контроля знаний студентов, чем стимулируется систематическая работа в течение всего семестра; обеспечивается абсолютная объективность уже не получаемых в период сессии, а “нарабатываемых” в семестре оценок; в существенной степени повышается степень усвоения изучаемого материала, поскольку подготовка осуществляется в течение всего учебного времени под эффективным промежуточным контролем; обоснованность и точность оценки знаний за счет того, что тестовые вопросы охватывают все разделы курса; число вопросов в экзаменационном тесте составляло 60, ясно, что традиционный устный экзамен не позволяет задать студенту даже 10% такого количества вопросов; время для выполнения теста ограничено и задается при формировании теста, поэтому вопрос использования “вспомогательных” материалов или консультаций с коллегами здесь даже не стоит; при проведении тестирования исключается так называемый человеческий фактор – все тестируемые поставлены в равные условия, что не позволяет говорить о предвзятом отношении преподавателя к студенту при выставлении ему оценок; увеличивается скорость проведения контрольных мероприятий, их проверка и выставление финальных оценок; значительно облегчается работа преподавателя по приему зачетов и экзаменов; статистический анализ результатов тестирования позволяет оценить качество преподавания читаемого курса самим преподавателем или методистом, в результате он может скорректировать читаемый курс по результатам промежуточного и итогового тестирования, уделив дополнительное внимание темам, которые студенты

238

плохо усвоили. Сравнивая результаты прохождения одного теста в разных группах, где один и тот же курс читают разные преподаватели, можно оценить качество методик преподавания, которые они используют при обучении студентов; в образовательный процесс вносятся элементы состязательности, как между отдельными студентами, так и между учебными группами, что заметно сказывается на учебных результатах. Создание компьютерных тестов, особенно для поддержки сетевого тестирования, это трудоемкий и длительный процесс, так как кроме подготовки собственно тестов нужно также создавать необходимую программную поддержку для проведения тестирования, хранения тестовых заданий и результатов тестирования, защиты данных и т.д. В этом смысле, система тестирования TestGuru представляет собой простое, но достаточно эффективное средство организации электронного тестирования по тем дисциплинам, которые позволяют проведение опроса в тестовой форме. Система включает в себя набор правил построения тестовых заданий и комплекс программ для их оформления в электронном виде для проведения тестирования, а также для самоконтроля и самообучения. В состав комплекса программ системы TestGuru входят: TGEdit – программа создания и редактирования электронных тестов. TGTester – программа индивидуального тестирования на локальном компьютере. TGServer – программа, обеспечивающая одновременное тестирование на многих компьютерах сети TCP/IP. Используется совместно с TGClient. TGClient – программа индивидуального тестирования на отдельном сетевом компьютере. Используется совместно с TGServer. TGConsole – программа удаленного управления тестами и анализа их результатов. Используется совместно с TGServer. TGTutor – программа для самоконтроля и самообучения на основе тестов с подсказками. Система тестирования TestGuru позволяет создавать и использовать множество тестов, каждый из которых содержит до 100 тестовых заданий, оформленных в виде вопросов. В тексте вопроса можно использовать HTML разметку. Кроме того, к тексту вопроса может быть добавлен рисунок. Зашифрованное содержание каждого теста хранится в виде отдельного файла. Эта система может быть использована для создания тестов и организации тестирования не только по дисциплинам, читаемым на кафедре компьютерных технологий, но и по дисциплинам других кафедр. Разработанная система также может служить эффективным средством самоконтроля и самообучения. Таким образом, тесты являются мощным инструментом, который позволяет, при правильном его использовании, значительно улучшить качество преподавания и степень усвояемости студентом учебного материала. При использовании тестов нужно обязательно помнить, что ни один тест не может заменить живого общения студента и преподавателя в процессе обучения, а является лишь его дополнением Список литературы: 1. Машурцев В.А., Макаренко А.Е., Лебедев К.В., Лукина Т.А., Малышева Л.Н. Методические указания к разработке электронных тестов по учебной дисциплине “Компьютерная подготовка”. М.: - ГУУ, 2006.- 54 с. 2. Корнеев

239

И.К., Ксандопуло Г.Н., Машурцев В.А. Информационные технологии: учеб.-М.: ТК Велби, Изд-во Проспект, 2007.-224 с. МЕТОД ОПЕРАТИВНОЙ НАСТРОЙКИ ДИАГНОСТИЧЕСКИХ СИСТЕМ Медведев В.В., Медведев В.С. (ДонНТУ, ДГМА, г. Донецк, г. Краматорск, Украина, vadim.medvedev@ua.fm) The method of the speed-up tuning of the diagnostic systems is offered in the article. It is based on the smooth change of one or a few modes of cutting at treatment of details of no spread function. The types of such details are developed in the article, theoretical dependences of changes are certain and the results of practical researches are indicated. Настройка средств диагностики состояния режущего инструмента предполагает экспериментальное определение пороговых значений уровня диагностических сигналов, при которых наступает событие износа режущего инструмента (РИ). Во многих средствах диагностики он задается коэффициентами, определяющими превышение уровня текущего сигнала над начальным. Как показывает анализ, проведенный на промышленных предприятиях Германии, этот метод экономичен только при обработке партии более чем из 5 деталей. При уменьшении штучного времени на обработку деталей экономические показатели будут значительно снижаться. Так при подрезке торца за три прохода, отличие на 6% от первоначального сигнала наблюдается после обработки 10 деталей. В результате время определения коэффициентов, значительно увеличивается. Формирование баз данных коэффициентов не исключает их проверку на первых деталях. Из-за вариации физикомеханических свойств обрабатываемых деталей величина коэффициентов может меняться, а точность их определения снижаться. Так в диагностической системе Monitor Model А вводятся два коэффициента K min и К mах . При черновой обработки по корке, где наиболее ощутима вариация физико-механических свойств, зона между установками расширялась до 50% от уровня начального сигнала. Анализ методов определения коэффициентов в реальном производстве, указывает на ряд недостатков, имеющихся в традиционных подходах. Наиболее существенными из них являются: • продолжительный период времени до полного изнашивания режущей пластины; • полный износ РИ наступает при обработке одной случайной поверхности, поэтому коэффициенты превышения сигнала для других поверхностей не определяются; Поэтому цель исследований состояла в разработке методики оперативного (ускоренного) определения уровня диагностических сигналов для настройки средств диагностики. При этом решались задачи снижения времени и повышение точности определения величины коэффициентов для настройки средств диагностики. Математическая модель метода реализуется при обработке деталей специальной формы (ДСФ). Их конфигурации позволяет за один проход варьировать глубину и скорость резания. При этом изменение диагностических сигналов, возникающих из-за изменения геометрических размеров ДСФ адекватны диагностическим сигналам от изнашивающегося РИ. Варьирующиеся глубина и скорость резания являются моделирующими параметрами. Эксперименты показали достаточное соответствие между сигналами от изменения моделирующих параметров и изменениями сигналов при износе РИ.

240

Например, при контроле износа РИ по силовым признакам, моделирующим параметром целесообразно принимать изменение глубины резания, как параметра, имеющего наибольшее влияние. Для различных условий обработки разработано ряд конфигураций ДСФ. В таблице 1 представлены законы изменения моделирующего параметра. Для рассматриваемых типов ДСФ, главное движение осуществляется по вектору n, подача по вектору S, а припуск снимается равный t.

№ 1

Таблица 1. Моделирующие параметры деталей специальной формы Параметры режимов резания Законы изменения Форма ДСФ моделирующих параметров Постоя Переме нные нные n, S, V t µ1 = n ⋅ t n = 1,2, k

n, S, V

n, S

t, V

n, S

t, V

n, S, V

µ2 =

µ3 =

µ4 =

t⋅x S

⋅τ ⋅ n ⋅ S

t [(S ⋅ n ⋅ t − R ) ⋅ cos α + R] 2R

µ5 = e(cos α + 1) − R + + R 2 − e 2 sin 2 α

n, S

t, V

где: τ – текущее время наблюдения; R – радиусДСФ; х – текущее смещение РИ от начального положения; α –угол поворота ДСФ вокруг оси вращения; е – эксцентриситет ДСФ. 241

[

t (R + e − S ⋅ n ⋅τ )2 e 2 − R 12 − 2e(R − e − S ⋅ n ⋅τ ) cos α ]

µ6 = t −

ДСФ №1 представляет собой деталь ступенчатой формы. Основным моделирующим параметром является ступенчато-возрастающая глубина резания. Позволяет имитировать удар инструмент о заготовку в момент врезания. В ДСФ №2 ступени на детали, выполненные в виде конических поверхностей. Основным моделирующим параметром является плавное изменение глубины резания t. В эксперименте на такой детали моделируется изменение диагностического сигнала от РИ при обработке на одном диаметре. Количество ступеней назначается из условия необходимого числа повторяющихся опытов. В ДСФ №3 конические ступени выполнены на торцевой поверхности. Это позволяет моделировать изменение диагностического сигнала при износе РИ на поверхностях, расположенных на различных диаметрах. Основным моделирующим параметром является плавное изменение глубины резания t. Скорость резания принимается средняя для конического участка. Для снижения влияния изменения скорости резания ступени выполняют небольшой длины и на достаточном удалении от центра. Минимальное расстояние от центра равно R min =h/Δ, где h – длина ступени в диаметральном направлении, а Δ – максимальная доля изменения скорости резания, которой можно пренебречь. В ДСФ №4 торец детали, срезанный под некоторым углом к оси вращения. Это позволяет проводить комплексную проверку диагностических систем сразу по трём составляющим. Основными моделирующими параметрами являются: плавное изменение глубины резания за один оборот, плавное изменение глубины резания по мере движения РИ от периферии к центру детали и плавное изменение скорости резания. В ДСФ №5 ось смещена относительно оси вращения на величину эксцентриситета e. Основным моделирующим параметром является плавное изменение глубины резания за один оборот. В ДСФ №6 торец детали выполнен по конической поверхности. Ось детали смещена относительно вращения на величину e. ДСФ позволяет изменять три моделирующих параметра: плавное изменение глубины резания за один оборот, плавное изменение глубины резания по мере движения от периферии к центру и плавное изменение скорости резания. Для проведения исследований в производственных условиях, изготавливается одна из приведенных ДСФ. В ходе исследований РИ настраивается на глубину резания t и производится проход в направлении вектора S. Диагностический сигнал, соответствующий реальному сигналу от изнашивающегося РИ записывается вместе с измеренными геометрическими характеристиками заготовки и детали. Разнообразие ДСФ позволяет моделировать различные условия обработки: • моделирование изменения диагностического сигнала на поверхностях, расположенных на различных диаметрах, (ДСФ 3, 4,6). Изменение частоты вращения шпинделя расширяет диапазон моделирования; • получение повторяющихся опытов за один проход РИ (ДСФ 2, 5); • моделирование диагностических сигналов от РИ с покрытием и без покрытия, а также для различных сочетаний режущего и обрабатываемого материалов; Изложенная методика ускоренных исследований существенно сокращается время настройки средств диагностики. В частности, время определения установок сокращается примерно в 15-20 раз. Расходы, связанные с изготовлением ДСФ. несоизмеримо меньше расходов связанных с возможными авариями при настройке средств диагностики во время обработки первых деталей. Режущие пластины, используемые в процессе исследований, в дальнейшем могут быть использованы в

242

производстве. Для подтверждения теоретических выкладок были поставлены эксперименты, в которых проводилась обработка резанием на станках токарной группы. Одной из задач экспериментальной части являлась синхронизация геометрического положения инструмента с данными сигналов диагностических каналов. В серии экспериментов обрабатывались различные ДСФ с плавным изменением моделирующих параметров. Пример ДСФ для плавного изменение глубины резания представлен на рисунке 1.

Рис. 1. Проведение экспериментов с помощью ДСФ №2 Для случая, указанного на рис. 1, после измерения геометрии заготовки и полученной детали записывались графики изменения глубины резания от времени, представленный на рисунке 2. Эти данные объединялись с сигналами от датчиков в единую матрицу входной информации. Настройка по данной матрицы позволила настраивать систему диагностики фактически по бесконечно большому количеству точек матрицы эксперимента. t, мм

1.2250

1.4 1.2 1 0.8

Fun_t ( aa) 0.6 0.4 0.2 0.0000

0.0000

24 aa

44.2800

T, сек

Рис. 2. График изменения глубины резания при обработке детали с конусными поверхностями Таким образом, проведение экспериментов с применением деталей специальной формы позволяет значительно ускорить настройку любой диагностической системы. Это достигает охватом практически всего диапазона режимов резания с бесконечно большим количеством точек матрицы эксперимента. Оперативную настройку диагностических систем целесообразно проводить на обрабатывающих центрах, имеющих в своем составе средства координатного измерения геометрических размеров ДСФ до и после ее обработки.

243

Список литературы: 1. Диагностика процесса металлообработк / В.А.Остафьев, В.С.Антонюк, Г.С.Тымчик. – К.: Техника, 1991. – 152 с. 2. Медведев В.В. Система контроля текущих режимов резания в реальном масштабе времени / В.В.Медведев, В.С.Медведев //Машиностроение и техносфера XXI века: сборник трудов XIV международной научно-технической конференции в г. Севастополе, 17-22 сентября 2007 г. В 5-ти то-мах. – Донецк: ДонНТУ, 2007. – Т.3. – С. 25-29. БАЗИРУЮЩИЕ СВОЙСТВА РЕЗЬБОВЫХ ЗАМКОВЫХ СОЕДИНЕНИЙ Минаев В.С., Ямников А.С. (ТулГУ, Тула, РФ) It is noted that a threaded joint of hollow parts with a center alignment groove and an interference fit on the ends extra DOF limitations occur. Instead of the allowed six datum points their potential number could reach ten. При анализе базирования различают базы конструкторские и технологические [1]. В случае соединении полых деталей по резьбе резьбовые полузамки являются конструкторскими базами, причем для одной трубы основными, а для другой вспомогательными. При обработке труб иногда в качестве технологической базы принимают также готовый резьбовой полузамок трубы. Для выяснения сущности процесса свинчивания резьбовых замков и правильности ориентирования при этом трубы относительно базового полузамка при сборке или относительно приспособления при обработке необходимо рассмотреть базирующие свойства резьбовых замков. В классической литературе по основам базирования [2,3] не рассмотрены базирующие свойства резьбовых соединений. Имеются попытки представить резьбовую поверхность в виде цилиндра, диаметр которого равен значению приведенного среднего диаметра резьбы [4]. Однако, такое упрощение применимо лишь в случае параллельного смещения осей резьбовых поверхностей полузамков. На рис. 1 показаны варианты возможного распределения условных базовых точек при свинчивании до упора резьбовых замков в случае идеального изготовления и монтажа обоих полузамков. На схеме (рис.1 а) представлена развертка резьбового замка по среднему цилиндру, причем на каждом развороте показана лишь одна пара контактирующих витков винта В и гайки Г. По схеме видно, что условия ориентации двух резьбовых полузамков по торцу и винтовой поверхности аналогичны вхождению плоского клина (гайки) в клинообразный паз (винт). Поэтому установочной базой [1] (с учетом последующей свертки плоской фигуры в цилиндрическую) может являться как торец (точки 1′, 2′, 3′), так и винтовая линия (точки 1′′, 2′′, 3′′). Во всех случаях последней опорной базой, фиксирующей угловое положение во вращении обоих полузамков относительно общей оси, является точка пересечения продолжения винтовой линии с плоскостью торца (точка 6). На схеме (рис.1 б) показаны условия центрирования при свинчивании замка с симметричной резьбой. Наиболее вероятное положение двойной опорной базы (точки. 4′, 5′), находится на пересечении продолжения рабочей стороны профиля осевого сечения резьбы с осью детали. Причем точка 5′, образована осевым сечением резьбы, перпендикулярным плоскости чертежа. При некоторых обстоятельствах (большой зазор по среднему диаметру резьбы и наличие эксцентричности у цилиндрического пояска) в качестве двойной опорной базы [1] может являться цилиндрический поясок (точки 4′′, 5′′).

244

Рис. 1. Распределение базовых точек в резьбовом соединении: а) развертка винтовой поверхности по среднему диаметру гайки и винта; б) резьбовое соединение с симметричной резьбой; в) резьбовое соединение с прямоугольной резьбой; г) резьбовое соединение с несимметричной (упорной) резьбой И, наконец, может наблюдаться разделение функции центрирования по двум поверхностям - то есть могут встретиться следующие варианты базовых точек: точки 4′, 5′′ (это может быть при малых зазорах и большем эксцентриситете). Возможен также при малых зазорах в резьбе и вариант: точки 4′, 5′ - 4′′′, 5′′′. В этом случае в точках 2′, 3′ или 2′′, 3′′ будет наблюдаться отрыв от базы. Схема (рис.1 в) иллюстрирует условия центрирования по прямоугольной резьбе. Двойной опорной базой в этом случае может быть цилиндрический поясок (точки 4′, 5′), внутренний цилиндр резьбы (точки 4′′, 5′′) и наружный цилиндр резьбы (точки 4′′′, 5′′′). При различных погрешностях и сочетаниях зазоров в резьбе замка могут встретиться и различные сочетания базовых точек - точки 4′, 5′′, точки 4′′′, 5′′, точки. 4′, 5′′′, точки 4′′, 5′, точки 4′′, 5′′′, точки 4′′′, 5′ и т.д. Схема (рис.1 г) показывает варианты центрирования при соединении полузамков по упорной (несимметричной) резьбе. В случае идеального изготовления полузамков двойной опорной базой может служить упорная сторона резьбы (точки 4′, 5′). В противном случае центрировать может цилиндрический поясок (точки 4′′, 5′). Может также встретиться любое сочетание точек 4 и 5. И, наконец, при больших погрешностях хода t винтовой поверхности, формы или положения базового торца возможен случай, когда торец или винтовая превращаются из установочной в опорную базу и дают только одну базовую точку. Одновременно совокупность цилиндрического пояска и резьбового цилиндра превращается из двойной опорной базы в двойную направляющую базу. Возможен также вариант, когда торец или винтовая линия являются направляющей базой (точки 245

1, 2), а совокупность цилиндрического пояска и резьбового цилиндра в одном сечении становится направляющей, а в другом - опорной базой. Таким образом, резьбовой замок является многократно неопределенной системой и в общем виде, заранее предсказать относительное положение сопрягаемых деталей без знания фактических размеров и погрешностей формы и взаимного положения практически невозможно. Да и в последнем случае нужно говорить не о предсказанном относительном положении сопрягаемых деталей, а о математическом ожидании вероятностного относительного положения деталей и его рассеянии. Список литературы: 1. Ямников А.С. и др. Основы технологии машиностроения/Учебник. Под ред. Ямникова А.С./ Тула, изд-во ТулГУ. 2006г. 269 с. 2. ГОСТ 21495-76. Базирование и базы в машиностроении.-1976.-35 с. 3. Корсаков В.С. Основы технологии машиностроения. - М.: Высшая школа.-1974.-431 с. 4. Гейликман А.И. О точности центрирования деталей по резьбовым поверхностям./Прогрессивная технология машиностроения.- Тула: Приокское книжное издательство, 1966, с. 129-131. ПОВЫШЕНИЕ КАЧЕСТВА ИЗДЕЛИЙ МАШИНОСТРОЕНИЯ НА БАЗЕ КОМБИНИРОВАННОЙ ФУНКЦИОНАЛЬНО-ОРИЕНТИРОВАННОЙ ОТДЕЛОЧНОЙ ОБРАБОТКИ Михайлов А.Н., Михайлова Е.А., Недашковский А.П., Лахин А.М., Маджид А.Д., Аль-Судани Т.Т. (ДонНТУ, СМЗ, г. Донецк, г. Снежное, Украина) В данной работе рассмотрены вопросы повышения качества изделий машиностроения на базе комбинированной функционально-ориентированной отделочной обработки. Показано, что наиболее эффективно применение функционально-ориентированных технологий в условиях комбинации различных методов обработки на этапе отделочных операций. Это обеспечивает возможность реализации качественно новой совокупности свойств изделий машиностроения за счет полной адаптации свойств изделия к особенностям его эксплуатации в машине или технологической системе. В работе рассмотрено применение данного подхода на конкретных изделиях машиностроения. Введение С развитием научно технического прогресса непрерывно повышаются требования к качеству изделий машиностроения. Эти вопросы традиционно решаются посредством создания новых и специальных технологий. При этом повышение качества изделий машиностроения наиболее целесообразно выполнять на основе применения комбинированных методов обработки изделий [1, 2]. Причем особенно эффективно реализовывать это на этапе их отделочной обработки [3]. Для обеспечения качественно новой совокупности свойств изделия возможно применение функционально-ориентированных технологий [3, 4]. Функциональноориентированные технологии обеспечивают полную адаптацию свойств изделия к особенностям его экплуатации в технической системе, а также реализовывают требуемый, заданный или предельный их эксплуатационный потенциал. Целью данной работы является повышение качества изделий машиностроения на этапе отделочной обработки за счет адаптации свойств изделий к особенностям их эксплуатации в машине путем применения функционально-ориентированных технологий. В соответствии с поставленной целью в работе определены следующие

246

задачи: разработать основы реализации функционально-ориентированных технологий в условиях выполнения комбинированных методов обработки на этапе отделочных операций изготовления изделий машиностроения; выполнить анализ особенностей реализации функционально-ориентированных технологий в условиях комбинированной отделочной обработки изделий; разработать некоторые варианты реализации комбинированной функционально-ориентированной отделочной обработки конкретных изделий машиностроения. Эти задачи и решаются в данной работе. Прежде чем перейдем к решению этих задач дадим некоторые понятия и определения. Комбинированная отделочная обработка изделий машиностроения представляет собой совокупность отделочных (финишных) процессов преобразования параметров качества изделия от исходного состояния к конечному, за счет реализации комбинированных технологических воздействий орудий и средств обработки на изделие. В этом случае технологические воздействия могут выполняться различными методами обработки (рис. 1), а преобразования параметров качества изделия могут реализовываться различными принципами. При этом технологические воздействия в комбинированной отделочной обработке, характеризующиеся потоками материи, энергии и информации, могут реализовываться посредством комбинирования различных видов энергии, эффектов, способов и схем выполнения (схемы технологического воздействия, кинематические схемы и тому подобное). Классификация методов обработки может осуществляться по ряду различных признаков [1, 2]: по виду применяемой энергии, эффективности технологических воздействий, виду применяемых средств технологических воздействий, обеспечения, физической сущности процесса преобразования заготовки в изделие и тому подобному. На рис. 1 представлена классификация методов обработки изделий по виду применяемой энергии. По виду применяемой энергии различают следующие методы обработки: механической обработки (М), термической обработки (Т), химической обработки (Х), физической обработки (Ф), электрической обработки (Э), магнитной обработки ( M ), лучевой обработки (Л), акустической обработки (А), комбинированные методы обработки (К). Можно отметить, что в Рис. 1. Классификация методов обработки настоящее время особый изделий интерес для практики изготовления изделий в машиностроении представляет комбинированные методы обработки. Это связано с тем, что традиционные известные методы исчерпали свои возможности и не позволяют существенно повышать параметры свойств изделий. При этом комбинированные методы обработки изделий позволяют обеспечить качественно новую совокупность изделий машиностроения. На рис. 2 представлена классификация комбинированных методов обработки изделий. Здесь показано, что комбинированные методы обработки могут подразделяться: - по составу методов (из 2-х методов, из 3-х методов, …, из 8-ми методов);

247

- по составу операций в каждом методе (из 1-й операции, из 2-х операций, из n операций); - по структуре (мультипликативная, аддитивная, мультипликативно-аддитивная, ветвящаяся, …, иерархическая); - по прецизионности (низкой точности, нормальной точности, высокой точности и особо высокой точности); - по характеру действия (последовательно, параллельно, смешанно); - по последовательности выполнения (1-й вариант, 2-й вариант, …, m-й вариант); - по производительности (низкой, нормальной, высокой, сверхвысокой). Отделочная обработка [5] – заключительные операции механической обработки изделий, обеспечивающие высокое качество обработанных поверхностей. К отделочной обработке относятся тонкое точение, фрезерование, шевингование, чистовое (отделочное) шлифование, доводка, притирка, хонингование, полирование и другие операции технологического процесса. Отделочной обработкой является также обработка без снятия стружки: волочение, чеканка, вальцовка, калибрование, обкатка. Разновидность отделочной обработки является поверхностное пластическое деформирование: раскатка роликами и шариками, дробеструйная и пескоструйная обработка, дорнование и тому подобные операции.

Рис. 2. Классификация комбинированных методов обработки изделий

248

Можно отметить, что в данной работе структура технологического процесса комбинированной отделочной обработки изделий машиностроения может строится на базе комбинации различных методов и операций технологического процесса, а именно: механической обработки (тонкое точение, чистовое шлифование, хонингования, пескоструйной обработки, полировки), ультразвуковой обработки, физических, химических, физико-химических методов обработки и других видов обработки. В данной работе, вопросы, связанные с черновой обработкой изделий не затрагиваются, так как формообразование элементов изделий достаточно полно изучены в работах специалистов этого направления [6, 7]. Также заметим, что здесь технологический процесс комбинированной отделочной обработки изделий машиностроения строится на базе функциональноориентированных технологий [3, 4]. В качестве примера в этой работе приводятся некоторые данные по созданию технологических процессов комбинированной функционально-ориентированной отделочной обработки для некоторых вариантов изделий машиностроения. 1. Особенности синтеза технологических процессов на базе функциональноориетированных технологий Рассмотрим некоторые особенности синтеза функционально-ориентированных технологий. На рис. 3 показаны основные этапы синтеза функционально-ориентированных технологических процессов. Здесь методика проектирования функциональноориентированных технологических процессов не является отдельным монолитным этапом. Она представляет собой один из шагов на пути последовательной итеративной разработки технологического процесса. При этом последовательность и методология базируется на замкнутой рекуррентной структуре. Основные этапы синтеза функциональноориентированных Рис. 3. Основные этапы синтеза функциональнотехнологических ориентированных технологических процессов процессов следующие: 1. Анализ эксплуатационных особенностей изделия и составление структуры функций. 2. Деление изделия на функциональные элементы по уровням «глубины технологии» и их классификация. 3. Формирование структуры или маршрута технологического процесса на базе особых принципов ориентации. При реализации функционально-ориентированных технологий, технологические воздействия орудий и средств обработки на изделия выполняются на местных уровнях.

249

Для обеспечения процесса ориентации технологических воздействий и обеспечения заданных свойств изделия, предварительно выполняется деление изделия по следующим иерархическим уровням: 1. Уровень всей детали (ФИ). 2. Уровень функциональных частей (ФЧ). 3. Уровень функциональных элементов (ФС). 4. Уровень функциональных зон (ФЗ). 5. Уровень макрозон (ФЗМ). 6. Уровень микрозон (ФЗм). 7. Уровень нанозон (ФЗн). Можно отметить, что в целом каждый уровень иерархической структуры деления изделия можно характеризовать функциональными элементами данного уровня f j = { f j1 , f j 2 , f j 3 , ... , f jv } , где f j - множество функциональных элементов j

j-го уровня глубины технологии;

f js j .- функциональный элемент j-го уровня

иерархической структуры деления; v j - мощность множества f j j-го уровня деления. Если рассматривать одно конкретное изделие, следует иметь в виду, что для конкретного функционального элемента j-го уровня деления необходимо выполнять его декомпозицию на множество функциональных элементов (j+1)-го уровня. На рис. 4,а представлена схема декомпозиции функционального элемента j-го уровня глубины

Рис. 4. Схемы декомпозиции и синтеза функциональных элементов и функций: а – схема декомпозиции функционального элемента j-го уровня глубины технологии на множество функциональных элементов (j+1)-го уровня; б - схема декомпозиции сложной функции j-го уровня глубины технологии на множество функций (j+1)-го уровня; в – схема синтеза функциональных элементов изделия на базе сложной функции. (на схемах приняты следующие обозначения: - знак декомпозиции, - знак композиции, - знак бинарного соответствия) технологии на множество функциональных элементов (j+1)-го уровня, а именно

250

f jz j = { f ( j +1)1 , f ( j +1) 2 , f ( j +1)3 , ..., f ( j +1) Z ( j +1) } . Здесь:

f jz j

- функциональный

элемент j-го уровня деления конкретного изделия; f ( j +1) z - любой z ( j +1) -й ( j +1) функциональный элемент (j+1)-го уровня деления конкретного изделия; Z ( j +1) мощность множества f jz (количество функциональных элементов на (j+1)-м уровне j для одного конкретного изделия. Аналогично можно выполнять декомпозицию сложной функции j-го уровня деления на множество функций (j+1)-го уровня. На рис. 4,б показана схема декомпозиции сложной функции j-го уровня глубины технологии на множество функций (j+1)-го уровня F jz = {F( j +1)1 , F( j +1) 2 , F( j +1)3 , ..., F( j +1) Z } . Здесь: ( j +1)

F jz j - сложная функция j-го уровня деления конкретного изделия; F( j +1) z ( j +1) - любая z ( j +1) -я функция (j+1)-го уровня деления конкретного изделия; Z ( j +1) - мощность множества F jz j (количество функций на (j+1)-м уровне для одного конкретного изделия. Можно отметить, что на базе схемы синтеза функциональных элементов изделия на базе сложной функции, представленной на рис. 4,в, можно выполнять синтез изделия с необходимыми свойствами на базе операции декомпозиции сложной на множество функций функции F jz j

F jz j = {F( j +1)1 , F( j +1) 2 , F( j +1)3 , ..., F( j +1) Z ( j +1) } , реализации операции бинарного соответствия элементарной функции F( j +1) z ( j +1) функционального элемента

и унифицированной структуры

f ( j +1) z ( j +1) , а также композиции функционального

элемента j-го уровня из множества функциональных элементов (j+1)-го уровня }. f jz = { f ( j +1)1 , f ( j +1) 2 , f ( j +1)3 , ..., f ( j +1) Z j

( j +1)

При этом заданные, требуемые и предельные свойства изделий обеспечиваются за счет ориентации технологических воздействий потоков материи, энергии и информации на базе следующих восьми особых принципов: 1. Функционального соответствия особенностей действия элементарной функции в каждом функциональном элементе изделия, характеристик реализации технологических воздействий и параметров обеспечения необходимых свойств этом функциональном элементе изделия на каждом уровне глубины технологии. 2. Топологического соответствия геометрических параметров функционального элемента изделия, в котором действует элементарная функция при эксплуатации, геометрическим параметрам зонального элемента реализации технологических воздействий потоков материи, энергии и информации на изделие и геометрических параметров зонного элемента обеспечения необходимых свойств на каждом уровне глубины технологии. 3. Количественного соответствия множества функциональных элементов, в которых действует множество различных элементарных функций при эксплуатации, множеству реализации технологических воздействий и множеству элементов обеспечения необходимых свойств в функциональных элементах изделия на каждом уровне глубины технологии.

251

4. Адекватной зависимости пространственных особенностей действия элементарной функции при эксплуатации, технологических воздействий и эксплуатационных свойств в пространстве каждого функционального элемента изделия на каждом уровне глубины технологии. 5. Адекватной зависимости временных особенностей действия элементарной функции при эксплуатации, временных или пространственных особенностей реализации технологических воздействий и временных эксплуатационных свойств в каждом функциональном элементе изделия на каждом уровне глубины технологии. 6. Структурного соответствия действия множества элементарных функций, реализации множества технологических воздействий и выполнения множества свойств в функциональных элементах изделия из условия обеспечения заданных, требуемых или предельных свойств всего изделия на каждом уровне глубины технологии. 7. Адекватного структурнофункционального соответствия свойств в пространстве и во времени каждого функционального элемента заданному, требуемому или предельному потенциалу общих свойств всего изделия в целом на каждом уровне глубины технологии. 8. Адекватного структурнофункционального соответствия свойств в окрестностях каждого функционального элемента в пространстве и во времени заданному, требуемому или предельному потенциалу общих свойств всего изделия в целом на каждом уровне глубины технологии.

Рис. 5. Основные этапы методики синтеза структуры рационального технологического процесса

2. Синтез структуры технологического процесса комбинированной функциональноориентированной отделочной обработки изделий машиностроения Далее, в представленной работе рассматриваются вопросы установления особенностей и закономерностей синтеза технологических процессов комбинированной функционально-ориентированной отделочной обработки изделия машиностроения. Процесс синтеза структуры операций технологического процесса комбинированной отделочной обработки (КОО) изделия основывается на выборе его структуры на множестве технологических операций, в том числе и функционально-ориентированных:

252

T = { t1 , t 2 , t3 , ... , t j , ... , t N } ,

(1)

где T - полное множество возможных операций рационального технологического процесса КОО изделия; t j - любая элементарная технологическая операция КОО изделия; N - общее количество возможных отделочных операций для изделия. Здесь, из полного множества возможных вариантов отделочных операций, представленного выражением (1), необходимо выбрать требуемое подмножество операций, из которого будет создан необходимый технологический процесс КОО изделия. Этот процесс может быть реализован на основе применения морфологического синтеза технических решений [8, 9, 10]. Процесс морфологического синтеза рациональной структуры технологического процесса комбинированной отделочной обработки ВЦП изделия состоит из следующих шагов проектирования (рис. 5): 1. Постановка задачи. 2. Выбор морфологических признаков t v (строк) для каждого этапа технологического процесса. 3. Выявление возможных вариантов каждого признака ( K v , Lv , M v , N v , Pv ) по строкам каждого этапа технологического процесса. 4. Составление морфологической матрицы. 5. Генерирование множество возможных вариантов технологических процессов (ТП). 6. Определение критериев выбора технологического процесса. 7. Выбор рациональной структуры технологического процесса. На рис. 5 показано: V - входной поток информации по полному множеству существующих операций для изделия; W - выходной поток информации о структуре рационального технологического процесса комбинированной отделочной обработки изделия. Здесь, при постановке задачи синтеза, основными параметрами синтеза является выбор структуры рационального технологического процесса по параметрам производительности П , качества K и себестоимости изготовления изделия с учетом его свойств C . Можно отметить, что здесь выбор морфологических признаков t v выполняется по строкам матрицы. В данной работе осуществляется выявление возможных вариантов каждого признака на основе формирования групп сходных операций по каждой строке мощностями K v , Lv , M v , N v , Pv . Причем с увеличением номера строки повышаются параметры качества дополнительных отделочных операций комбинированной отделочной обработки изделия. Заметим, что выявление возможных вариантов каждого признака K m может выполняться следующими методами: на базе функционально-ориентированного подхода; на базе традиционного подхода. Морфологическая матрица имеет следующую структуру:

253

(2)

где G - морфологическая матрица, h - любая отделочная операция µ -й строки τ -й операции группы сходных операций t µτ морфологической матрицы h -го этапа технологического процесса; k , l , m, n, p - количество строк морфологической матрицы каждого этапа

технологического процесса, соответственно; K , L, M , N , P - мощность групп сходных операций дополнительной отделочной обработки по каждой строке морфологической матрицы для каждого этапа технологического процесса, соответственно. В морфологической матрице предусмотрено следующее. В каждой строке слева на право располагаются однотипные элементарные операции, в которых последовательно увеличивается производительность и снижается себестоимость обработки изделия. В вертикальном направлении по строкам сверху вниз представлены различные операции комбинированной отделочной обработки изделия, которые последовательно обеспечивают заданные свойства изделия. На этапе генерирования полного множества возможных вариантов структур технологического процесса выполняется определение этого полного множества.

254

Полное множество структурных вариантов технологических процессов комбинированной отделочной обработки изделия определяется по следующей формуле: k

µ1 =1

µ2 =1

µ3 =1

µ4 =1

µ5 =1

R = ∏ K µ1 ⋅ ∏ Lµ2 ⋅ ∏ M µ3 ⋅ ∏ N µ4 ⋅ ∏ Pµ5 , где R - полное множество структурных вариантов технологических процессов комбинированной отделочной обработки изделия. Далее, выполняется определение критериев выбора рационального технологического процесса. В данном случае, в качестве критериев выбора структуры рационального технологического процесса комбинированной отделочной обработки изделия приняты производительность, качество и себестоимость обработки изделия. После определения критериев выбора структуры технологического процесса комбинированной отделочной обработки изделия выполняется выбор на полном множестве структурных вариантов технологических процессов рационального технологического процесса. Функционально-ориентированные технологии относятся к специальным тонким, прецизионным и наукоемким технологиям, в которых технологические воздействия должно быть точно определены, ориентированы и реализованы в пространстве на изделие на местном уровне. При этом они могут выполняться на наноуровне, микроуровне и макроуровне, а также на уровне зон, элементов и частей изделия в зависимости от особенностей действия эксплуатационных функций во времени и в пространстве, и потребности обеспечения необходимых свойств изделию. На основании этого функционально-ориентированные технологии имеют свои отличительные особенности и характеристики. На рис. 6 представлена иерархическая схема основных характеристик и особенностей функционально-ориентированных технологий. Основными признаками этих технологий является то, что формирование технологических воздействий и свойств изделия выполняются на местных уровнях, а также прецизионно, особо прецизионно и супер прецизионно. При этом реализуется зависимость технологических воздействий и свойств изделий от эксплуатационных функций. А также выполняются технологические воздействия и свойства изделий по уровням глубины технологии 1, 2, ..., Р , где Р = 7 , а именно: на уровне всего изделия в целом, на уровне частей изделия, на уровне составляющих, на уровне зон, на уровне макрозон, на уровне микрозон, на уровне нанозон. Здесь реализация технологических воздействий и свойств в этих элементах изделия должна выполняться за счет их ориентации на основе целого ряда принципов 1, 2, ..., R , где R = 8 . При этом функционально-ориентированные технологии строятся в соответствии со следующей последовательностью (рис.6): - комплексный анализ изделия и установление особенностей действия эксплуатационных функций на его функциональные (исполнительные) части, элементы и зоны, а также изучение изделия с позиций художественного дизайна и эстетики; - деление изделия на функциональные элементы; - определение необходимых параметров функциональных элементов изделия; - объединение функциональных элементов изделия в группы для индивидуальной обработки по единичной технологии, в типы для типовых технологий, в группы для групповых технологий или в модули для модульных технологий; - определение необходимых технологических воздействий для каждого функционального элемента изделия;

255

Рис.6. Основные характеристики ориентированных технологий

256

особенности

функционально-

- ориентация технологических воздействий и свойств в каждый функциональный элемент изделия на базе ряда особых принципов; - разработка и реализация всех видов обеспечения для реализации необходимых технологических воздействий в заданные функциональные (исполнительные) элементы изделия; определение организационно-технологической формы реализации технологического процесса и составление структуры функциональноориентированного технологического процесса; - реализация технологических воздействий в заданные функциональные элементы изделия; - обеспечение заданной совокупности свойств всего изделия в целом за счет местного обеспечения свойств в функциональных (исполнительных) элементах изделия в зависимости от особенностей действия в них эксплуатационных функций. Можно отметить, что при создании функционально-ориентированных технологий, для обеспечения заданной совокупности свойств изделий, должны реализовываться следующие виды обеспечения (рис. 6): обеспечение по свойствам материала, структурное обеспечение, конструкторское обеспечение, технологическое обеспечение, эксплуатационное обеспечение. Следует иметь в виду, что эти технологии могут выполняться по следующим уровням применения: на всех этапах жизненного цикла изделия, на всех этапах комплексного технологического процесса, на всех операциях технологического процесса, на уровне операции. При этом они могут реализовывать следующие свойства: специальные нетрадиционные свойства изделий, представляемые множеством 1, 2, ..., K ; качественно новую совокупность свойств изделий, представляемые множеством 1, 2, ..., L ; качественно новую меру полезности изделий 1, 2, ..., M . 3. Некоторые особенности реализации процессов для конкретных изделий машиностроения В настоящее время на кафедре «Технология машиностроения» Донецкого национльного технического университета ведется научно-исследовательская работа по созданию технологических процессов комбинированной функциональноориентированной отделочной обработки для следующих изделий: - для внутренних цилиндрических поверхностей изделий (Михайлова Е.А.), - для лопаток газотурбинных двигателей (Недашковский А.П., Михайлова Е.А.), - для зубчатых колес (Лахин А.М.), - для сверл и других осевых инструментов (Маджид А.Д., Аль-Судани Т.Т.). В качестве примера рассмотрим некоторые особенности реализации комбинированной функционально-ориентированной отделочной обработки для лопаток газотурбинного двигателя. Лопатки газотурбинного двигателя рис. 7 и рис. 8 обычно работают в сложных эксплуатационных условиях. Они испытывают при эксплуатации множество эксплуатационных функций, а именно: пароводяные и аэродинамические воздействия, кислотно-щелочные воздействия, термические воздействия, инерционные воздействия, изгибающие напряжения, контактные напряжения, сложно деформированное состояние, износ поверхностных слоев, разрушения из-за действия частиц песка, пепла и других элементов. Эти воздействия отрицательно влияют на эксплуатационные свойства лопаток газотурбинных двигателей. В ряде случаев, они приводят к

257

катастрофическим разрушениям лопаток. Поэтому разработка мероприятий повышения их надежности является актуальной задачей. В настоящее время назрела необходимость применения функциональноориентированных технологий для повышения свойств лопаток ГТД, в том числе для создания лопаток для ГТД пятого поколения. На рис. 7 представлена лопатка направляющего аппарата газотурбинного двигателя. Здесь, на рис. 7,а показан чертеж лопатки, на рис. 7,б – общий вид лопатки. Лопатка направляющего аппарата (рис. 7,а) газотурбинного двигателя имеет следующие элементы: 1 – перо лопатки, 2 – буртик лопатки, 3 – цапфа лопатки Таблица 1. Геометрические параметры сечений пера лопатки направляющего аппарата ГТД

Рис. 7. Лопатка направляющего аппарата газотурбинного двигателя: а – чертеж лопатки, б – общий вид лопатки (хвостовик лопатки). В табл. 1 представлены геометрические параметры сечений пера лопатки направляющего аппарата ГТД.

258

Таблица 2. Геометрические параметры сечений пера лопатки компрессора ГТД

Рис. 8. Лопатка компрессора газотурбинного двигателя: а – чертеж лопатки, б – общий вид лопатки Множество элементов П1 , П 2 , П 3 , ..., П 7 (рис. 7) обозначают поверхности соответствующего номера. Лопатка компрессора ГТД показана на рис. 8. Здесь, на рис. 8,а показан чертеж лопатки, на рис. 8,б – общий вид лопатки. Лопатка компрессора (рис. 8,а) газотурбинного двигателя также имеет перо лопатки, буртик лопатки и хвостовик лопатки. В табл. 2 представлены геометрические параметры сечений пера лопатки компрессора ГТД.

259

На рис 9 представлен граф эксплуатационных функций лопатки направляющего аппарата газотурбинного двигателя по уровням деления. Здесь, общая эксплуатационная функция лопатки направляющего аппарата делится по 4-м уровням. Общая эксплуатационная функция лопатки направляющего аппарата на 2-м уровне делится на три составляющие: - эксплуатационная функция пера лопатки и связей пера с буртиком; - эксплуатационная функция буртика лопатки и связей буртика с цапфой; - эксплуатационная функция цапфы лопатки и связей цапфы с диском. Можно отметить, что каждая из этих трех функции на 2-м уровне подразделяется на две подфункции. При этом эксплуатационная функция пера лопатки и связей пера с буртиком делится следующим образом: - основная и обеспечивающая функции пера лопатки ( f1 ) ; - основная и обеспечивающая функции переходной части пера лопатки ( f 2 ) . Эксплуатационная функция буртика лопатки и связей буртика с цапфой делится на следующие подфункции: - основная и обеспечивающая функции буртика пера лопатки ( f 3 ) ; - основная и обеспечивающая функции переходной части буртика пера лопатки ( f4 ) . Следует отметить, что эксплуатационная функция цапфы лопатки и связей цапфы с диском представляет собой основную и обеспечивающую функцию цапфы лопатки, а также функции, действующие от связей цапфы с диском ( f 5 ) . На 3-м уровне каждую из этих подфункций можно разделить на множество подфункций более низкого уровня сложности. Например, подфункция основная и обеспечивающая функции пера лопатки может быть разделена следующим образом: - обеспечивающие заданные аэродинамические свойства; - переменные удельные контактные нагрузки, износ и разрушения поверхностного слоя; - переменные изгибающие напряжения и температурные напряжения. В качестве следующего примера (рис. 9) можно рассмотреть основную и обеспечивающую функцию переходной части пера лопатки, которую можно подразделить следующим образом: - переменные изгибающие напряжения и температурные нагрузки; - концентраторы напряжений и переменные напряжения; - заданные аэродинамические свойства и свойства снижающие концентрацию напряжений. Далее, каждая подфункция 3-го уровня может быть разделена на функции, которые реализуются поверхностями, поверхностными слоями и объемами. На 4-м уровне графа эксплуатационных функций лопатки направляющего аппарата (рис. 9) могут быть рассмотрены элементарные функции, действующие зонально на функциональные элементы. После выполнения анализа действия эксплуатационных функций, действующих на лопатку направляющего аппарата ГТД, выполняется деление лопатки на функциональные элементы и составляется их структура. На рис 10 представлен граф функциональных элементов лопатки направляющего аппарата газотурбинного двигателя по уровням деления. Здесь, на 3-м уровне деле ния функциональных элементов введены следующие обозначения:

260

261 Рис 9. Граф эксплуатационных функций лопатки направляющего аппарата газотурбинного двигателя по уровням деления

262 Рис 10. Граф функциональных элементов лопатки направляющего аппарата газотурбинного двигателя по уровням деления

П i - i -я поверхность, ПС j -

j -й поверхностный слой, О - объемный

функциональный элемент. На 4-м уровне деления функциональных элементов, представлены зональные элементы, которые обозначены Зk . На третьем этапе синтеза функционально-ориентированной технологии назначаются схемы технологического воздействия, разрабатываются операции и формируется весь технологический процесс изготовления изделия на базе особых принципов ориентации технологических воздействий и свойств функциональных элементов в зависимости от особенностей эксплуатации изделия. Можно отметить, что при реализации схем технологического воздействия и обеспечении необходимых свойств необходимо учитывать следующее: - технологические воздействия и заданные свойства изделий должны реализовываться на местном уровне прецизионно, особо прецизионно и супер прецизионно; - технологические воздействия и заданные свойства изделий должны выполняться в зависимости эксплуатации изделия в машине или технологической системе; - технологические воздействия и заданные свойства изделий должны реализовываться по уровням глубины технологии; - технологические воздействия и заданные свойства изделий должны выполняться на базе группы особых принципов ориентации. Отметим, что в каждом конкретном случае выполнения функциональноориентированной технологии должны реализовываться свои специальные схемы технологического воздействия и операции, причем в зависимости от особенностей эксплуатации изделия. На рис. 11 приведена классификация особых свойств пера лопатки газотурбинного двигателя при реализации ФОТ. Можно отметить, что свойства пера лопатки можно ориентировать в направлении его Рис. 11. Классификация особых свойств пера поверхности или лопатки газотурбинного двигателя при реализации ФОТ параллельно ей. При этом свойства могут быть ориентируемые по высоте или по ширине. А также свойства пера лопатки можно ориентировать в направлении перпендикулярном его поверхности.

263

Получаемые свойства пера лопатки во всех случаях могут быть прерывистые, непрерывные или единовременные. Основные особенности свойств могут быть следующие: - постоянные или переменные, изменяющиеся или не изменяющиеся, зависимые или независимые, - градиентные или модульные - специальные или комбинированные Например, для повышения эксплуатационных свойств лопаток ГТД широко применяются различные покрытия. На рис. 12 приведена матрица структурных вариантов вакуумных ионно-плазменных покрытий пера лопаток газотурбинного двигателя. Здесь показано следующее: множество вариантов полосчатых покрытий поверхности пера лопатки, изменяющихся в продольном, поперечном или комбинированном направлении; множество Рис. 12. Матрица структурных вариантов вакуумных ионно- вариантов пятнистых плазменных покрытий пера лопаток газотурбинного покрытий пера лопатки; - множество вариантов полосчатых и пятнистых покрытий пера; - множество вариантов специальных покрытий пера лопатки. Вакуумные ионно-плазменные покрытия пера лопатки являются эффективными и относительно простыми для реализации. Они могут осуществляться на специальных установках, работа которых основана на процессах испарения генерируемого

264

материала катодным пятном вакуумной дуги методом конденсации в вакууме на поверхность пера лопатки из плазменной фазы с ионной бомбардировкой – метод КИБ. Этот метод дает возможность наносить высокопрочные и износостойкие покрытия на поверхность пера лопатки и обеспечивать заданные эксплуатационные свойства. Метод КИБ основан на том что плазменный поток металла образующийся с помощью вакуумной дуги с холодным катодом ускоряется путем приложения отрицательного потенциала к изделию с последующей конденсацией на нем ионов и нейтральных атомов при одновременном прохождении плазмо-химических реакций их с реактивным газом. Подавая в вакуумную камеру газ-реагент во время электродугового испарения тугоплавкого металла, можно получить покрытия на основе нитридов, карбидов и других соединений металлов IV – VI групп Периодической системы элементов [11]. Важной особенностью данного метода является возможность проведения эффективной ионной очистки поверхности изделия путем интенсивной бомбардировки ее ускоренными ионами распыленного вещества, что создает условия для высокой адгезии покрытия к подложке. 4. Заключение Таким образом, выполненные исследования позволили реализовать следующее: - разработать основы реализации функционально-ориентированных технологий в условиях выполнения комбинированных методов обработки на этапе отделочных операций изготовления изделий машиностроения; - выполнить анализ особенностей реализации функционально-ориентированных технологий в условиях комбинированной отделочной обработки изделий; разработать некоторые варианты реализации комбинированной функционально-ориентированной отделочной обработки для конкретных изделий машиностроения. Список литературы: 1. Физико-технологические основы методов обработки / Под ред. А.П. Бабичева. – Ростов н/Д: Феникс, 2006. – 409 с. 2. Хейфец М.Л. Проектирование процессов комбинированной обработки. – М.: Машиностроение, 2005. – 272 с. 3. Михайлов А.Н. Основы синтеза функционально-ориентированных технологий машиностроения. - Донецк: Технополис, 2008. – 346 с. 4. Михайлов А.Н., Михайлов В.А., Михайлова Е.А. Методика и основные принципы синтеза функционально-ориентированных вакуумных ионно-плазменных покрытий изделий машиностроения. // Упрочняющие технологии и покрытия. – М.: Машиностроение. №7. 2005. С. 3 – 9. 5. Политехнический словарь / Редкол.: А.Ю. Ишлинский (гл. ред.) и др. – 3-е изд., перераб. и доп. – М.: Советская энциклопедия, 1989. – 656 с. 6. Справочник инструментальщика / И.А. Ординарцев, Г.В. Филиппов, А.Н. Шевченко и др. – Л.: Машиностроение, 1987. – 846 с. 7. Боровский Г.В., Григорьев С.Н., Маслов А.Р. Справочник инструментальщика / Под общей ред. А.Р. Маслова. – М.: Машиностроение, 2005. – 464 с. 8. Хубка В. Теория технических систем: Пер. с нем. М.: Мир, 1987. - 208 с. 9. Методы поиска новых технических решений / Под ред. А.И. Половинкина. - Йошкар-Ола: Мар. кн. изд-во, 1976. - 192 с. 10. Настасенко В.А. Морфологический анализ – метод синтеза тысяч изобретений. – К.: Техніка, 1994. – 44 с. 11. Внуков Ю.Н., Марков А.А., Лаврова Л.В., Бердышев Н.Ю. Нанесение износостойких покрытий на быстрорежущий инструмент. – Киев, Тэхника, 1992. – 143 с.

265

ВИЗНАЧЕННЯ ШОРСТКОСТІ ПОВЕРХНІ БЕЗКОНТАКТНИМ ОПТИЧНИМ МЕТОДОМ З ДОПОМОГОЮ ІНТЕРФЕРОМЕТРА МАЙКЕЛЬСОНА Мокрий О.М.1, Бобицький Я.В. 1,2 ( НУ «Львівська політехніка», Україна 2Інститут техніки, ун. Жешув, Польша) 1

New simple method of diagnostics of roughness surfaces by Michelson interferometer is proposed. This method is noncontact and simple. The method can be use for diagnostic of surfaces with height of surface relief less 100 nanometers. Завдання визначення шорсткості поверхні є важливим для різних технологічних і технічних задач. Розробка нових простих і надійних методик вимірювання шорсткості є актуальною задачею. Особливо ефективними є безконтактні оптичні методи, які дозволяють контролювати поверхню, не пошкоджуючи її [1, 2]. Нами запропонований метод вимірювання шорсткості поверхні з допомогою інтерферометра Майкельсона. Схема вимірювальної установки показана на рис.1. Промінь, відбитий від дзеркала інтерферометра, і Дзеркало промінь, відбитий від Лазер досліджуваної поверхні, інтерферують на поверхні Зразок фотоприймача. Оскільки зразок має шорстку поверхню, то інтерференційна картина утворює складну нерегулярну (спекл) структуру, яка Фотоприймач визначається параметрами шорсткості поверхні [3]. Рис.1. Схема вимірювальної установки Фотоприймачем реєструється сумарна інтенсивність всієї інтерференційної картини. Інтенсивність інтерференційної картини в кожній точці визначається виразом (1) [4]. 4π (1) I(h ( x )) = I1 (h ( x )) + I 2 + 2 I1 (h ( x ))I 2 cos( (h ( x ) + ∆d )) λ

Рис. 2. Часова залежність фотоструму в залежності від середньої висоти нерівностей поверхні h m

266

де І(h(x)) –інтенсивність інтерференційної картини, І1 (h(x)) –інтенсивність світла, розсіяного на шорсткій поверхні, h висота нерівностей поверхні зразка, Δd різниця плеч інтерферометра. Розглянуто випадок достатньо плавних неоднорідностей, при яких фронт хвилі зберігає форму поверхні зразка. Також розглядається одномірний випадок. В процесі вимірювань використовують коливання дзеркала інтерферометра для модуляції інтенсивності інтерфернційної картини. Шорсткість визначають по величині сигналу інтенсивності інтерференційної картини. При дзеркальній поверхні зразка величина змінного сигналу буде максимальна, а із зростанням шорсткості він буде зменшуватись. Також при вимірюваннях необхідно знати інтенсивності двох променів, що інтерферують. При коливанні дзеркала інтерферометра змінюється величина Δd і це приводить до зміни інтерференційної картини. Таким чином, струм фотоприймача буде пропорційний інтенсивності різних частин інтерферені(в.о.) ційної картини, які утворились завдяки шорсткості поверхні зразка. Різні частини сумарного пучка мають різну початкову фазу і, відповідно, при зміні Δd зміна інтенсиності в них буде різна. Це hm (мкм) приводить до зменшення сигналу Рис.3 Залежність величини фотоструму від при рості шорсткості середньої величини нерівностей поверхні hm поверхні зразка. Важливим є питання також амплітуди коливань Δd. В нашій методиці вибирається величина зміни Δd, більшою за λ/2. В цьому випадку амплітуда модуляції не залежить від початкової фази. З метою визначення характеристик вимірювальної схеми було проведене числове моделювання на основі виразу (1). В числовому експерименті використовувались різні розподіли залежності висоти неоднорідності h. На рис.2 показана часова залежність сигналу фотоприймача при різних значеннях середньої висоти нерівностей h m поверхні зразка отримана з числових розрахунків. Приймався гаусівський розподіл висот нерівностей. Довжина оптичної хвилі бралась рівною 0.5 мкм. На рис.3 показана залежність змінної складової сигналу від середньої висоти нерівностей поверхні зразка. З графіку видно, що при збільшенні середньої висоти нерівностей сигнал зменшується. На основі цієї залежності можна визначити середню висоту нерівностей поверхні зразка. Дана методика вимірювань шорсткості дозволяє проводити вимірювання для висот неоднорідностей, які менші 0.1 мкм, мінімальна висота неоднорідностей поверхні, які можна зареєструвати, становить кілька нм. Список літератури 1. O. V. Angelsky, A. P. Maksimyak, P. P. Maksimyak, and S. G. Hanson Optical correlation diagnostics of rough surfaces with large surface inhomogeneities, OPTICS EXPRESS, Vol.14, No. 16, 2006, 7299-7311. 2. А.С.Топорец Оптика шероховатой поверхности.- Ленінград.: «Машиностроение», 1988.- 191с. 3. Франсон М.

267

Оптика спеклов.- М. «Мир» 1980.-171с. 4.Вест Ч. Голографическая интерферометрия.М. «Мир»,1982.-504с. ГИДРОАБРАЗИВНАЯ РЕЗКА КАК ПРОГРЕССИВНЫЙ МЕТОД ОБРАБОТКИ Мыльченко Н.В., Пехтерев А.А. Добровольский Г.И. (ОАО «НИИ Изотерм», г. Брянск, Россия) Advanced technology includes the investigation of the effective processes for obtaining the precision workpieces for tools and equipment, introduction of improved methods of processing by cutting and abrasive tools, electrochemical and electro-erosion methods, thermal and chemical-heat treatment Важным направлением совершенствования промышленного производства является создание безотходных и малоотходных технологических процессов. Сейчас технологические процессы, при которых в стружку уходит 20% материала заготовки, считаются хорошими. А в ряде случаев отходы составляют 70—80% исходного материала, иначе многие детали невозможно изготовить. Гидроабразивная резка – это современная технология резки материала с помощью водяной струи высокого давления c абразивом. Насос высокого давления подает воду под давлением 4130 атмосфер в самонастраивающуюся режущую головку станка, управляемую от системы ЧПУ. Вода, проходя через сложную систему каналов со скоростью 1200 м/сек, перемешивается с абразивом и выбрасывается через фокусирующую трубку (диаметр 0,2 - 1,5) тонкой струей, способной вырезать любые формы из любых материалов толщиной до 380 мм. Гидроабразивная резка (водорезка, гидрорезка) позволяет обрабатывать следующие материалы: • Черные и цветные металлы – сталь, титан, медь, бронза, алюминий… • Материал типа « камень» – мрамор, гранит, керамика, фарфор… • Стекло – многослойное, обычное, усиленное… • Другие материалы – графит, стекловолокно, композитные материалы, кожа, пластик, кевлар… Гидроабразивная резка является сегодня наиболее эффективным, гибким, экологически чистым и энергосберегающим методом. Она позволяет на одном станке и на одном рабочем месте обрабатывать самые различные материалы - от самых мягких и пластичных до самых жестких и твердых. Основные преимущества (в сравнении с лазерной, плазменной, механической резкой): • высочайшее качество получаемых кромок (не требующих дополнительной механической обработки); • позволяет резать пакеты, состоящие из нескольких слоев различных материалов; • возможность резать различные композиционные материалы, так как не создается разрывов в структуре материала; • обрабатывать материалы с волнистой поверхностью и сложных контуров; • отсутствие пыли и газов; • небольшая ширина реза; • низкое тангенциальное усилие резания на деталь (заготовка не зажимается); 268

• • •

высокая скорость резания; кромки материала не подвергаются термической нагрузке, нет окислов, окалины; полная взрывобезопасность и пожаробезопасность процесса резки.

МНОГОКРИТЕРИАЛЬНЫЙ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫЙ СИНТЕЗ СТОХАСТИЧЕСКИХ РОБАСТНЫХ РЕГУЛЯТОРОВ МНОГОКАНАЛЬНЫХ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ СИСТЕМ Никитина Т.Б. (НТУ «ХПИ», г. Харьков, Украина) The method of multicriterion anisotropic robust control synthesis by the multichannesl control system based on decomposition of initial movement of multichannesl control system on movements of the separate channels which are included in multichannels control system is developed. Thus multicriterion anisotropic robust control synthesis by multichannels control system is reduced to consecutive synthesis of separate channels since the first basic power channel and finishing last low-power high-speed channel. The example of dynamic characteristics for such system is given. Постановка проблемы, связь с научными и практическими задачами. Многоканальные системы, работающие по принципу грубого и точного управления, позволяют существенно повысить точность управления, недостижимую в одноканальных системах. В тяжелых металлорежущих станках находит применение схема двухдвигательного электропривода, суммирование силовых воздействий, от которых осуществляется через механический дифференциал. Широкие возможности для повышения точности открываются при использовании гидравлических приводов, когда реализация уточняющего движения может осуществляться за счет управляющего зазора в паре винт – гайка и т.д. Второй точный канал может быть реализован в виде магнитострикционного либо пьзострикционного двигателя, жестко закрепленного на подвижной каретке, управляемой первым основным силовым электромеханическим приводом. К многоканальным системам управления [1] предъявляются разнообразные требования при работе в различных режимах. Наиболее характерными требованиями является задача терминального управления – перевода объекта из одного начального состояния в другое конечное состояние. При этом под положением в пространстве состояния может пониматься угловое либо линейное положение объекта, его угловая либо линейная скорость, момент либо усилие и т.д. Как правило, при этом накладываются ограничения на качество переходных процессов – время первого согласования, время регулирования, перерегулирование и т.д. Другим характерным режимом работы многоканальных систем управления является отработка случайных задающих воздействий, либо компенсация случайных возмущающих воздействий. При этом обычно задается максимальная дисперсия ошибки слежения либо стабилизации, при этом, естественно, должны удовлетворяться ограничения на переменные состояния и управления, обусловленные спецификой исполнительных устройств и объекта управления. Еще одним требованием, обычно предъявляемым к системам управления, является ограничение ошибок отработки задающих, либо компенсации возмущающих воздействий в виде гармонических сигналов. При этом может быть задан входной сигнал одной частоты, либо нескольких характерных рабочих частот, а может быть задан диапазон рабочих частот, в котором необходимо выполнить определение

269

условия. И, наконец, для следящих систем повышенной точности характерным режимом работы является отработка малых скоростей либо малых перемещений. Для этого режима обычно задается неплавность движения в виде соответствующих критериев. Причинами неплавного движения рабочего органа на низких скоростях является наличие нелинейностей типа сухое трение в исполнительных двигателях и рабочих органах. Положение усугубляется наличием упругих элементов между исполнительным двигателем и рабочим органом, что приводит к срывным колебаниям подвижных частей исполнительного двигателя и рабочего органа, сопровождающихся остановками и срывами подвижных частей с положения остановок. В этом режиме наиболее сильно проявляются нелинейности системы, и именно они совместно с упругими элементами определяют характер срывных колебаний подвижных частей исполнительных двигателей и рабочих органов. Анализ последних достижений и публикаций. В настоящее время интенсивно развивается теория стохастического робастного управления [1-3]. Системы стохастического робастного управления обладают рядом преимуществ. Во-первых, они робастно устойчивы, т.е. сохраняют устойчивость при изменении параметров объекта управления в определенных пределах. Во-вторых, они имеют существенно меньшую чувствительность к изменению параметров объекта управления по сравнению с оптимальными системами, несмотря на то, что динамические характеристики стохастических робастных систем могут незначительно отличаться от соответствующих характеристик оптимальных систем. Трудность синтеза стохастической робастной системы заключается не в решении тех или иных уравнений, а, прежде всего, в формулировании критерия качества стохастического робастного управления таким образом, чтобы синтезированная система удовлетворяла техническим требованиям, предъявляемым к системе [3]. Цель работы. Целью данной работы является разработка методики выбора критерия качества в виде решения задачи многокритериальной оптимизации при синтезе стохастического робастного управления для выполнения технических требований, предъявляемых к многоканальной системе и учете ограничений на переменные состояния и управления. Задачей статьи является синтез и исследование динамических характеристик стохастической робастной системы управления с выбранными критериями качества. Изложение материала исследования, полученных научных результатов. Применение регуляторов, оптимальных по квадратичным критериям качества показало их высокую чувствительность к структурным и параметрическим возмущениям объекта управления и внешних воздействий. Для уменьшения чувствительности синтезированной системы к структурным и параметрическим возмущениям объекта управления и внешних воздействий вместо H 2 нормы используют H ∞ норму в следующем виде w Z X → min . ∞

Робастные регуляторы, синтезированные по критерию H ∞ , обладают малой чувствительностью к структурным и параметрическим возмущениям, однако их динамические характеристики часто оказываются неудовлетворительными в связи с излишней «осторожностью» робастных регуляторов, рассчитанных на работу системы в самых неблагоприятных условиях. Применение регуляторов, синтезированных по смешанному критерию, включающему H 2 и H ∞ нормы, позволяет получать системы, обладающие достаточно

270

высокими динамическими характеристиками при низкой чувствительности к изменению параметров и структуры объектов управления. Однако вопрос выбора параметра толерантности γ , характеризующего соотношения между H 2 и H ∞

нормами решается на интуитивном уровне. Чем ближе система к оптимальной по H 2 норме, тем она более чувствительна к изменению параметров и структуре моделей объекта управления и внешних воздействий. Чем ближе синтезированная система к

оптимальной по H ∞ норме, тем меньшую точность она имеет, так как проявляет излишнюю «осторожность» и рассчитана на работу в самых неблагоприятных условиях. Одним из корректных подходов к обоснованному выбору смешанного критерия, включающего H 2 и H ∞ нормы, является построение анизотропийных регуляторов.

При стохастическом подходе к синтезу H ∞ управления в качестве критерия оптимальности системы используется стохастическая норма системы w ZX

→ min .

При этом фактически используется комбинация стохастической нормы системы и средней анизотропии случайного сигнала, что и приводит к одному из вариантов стохастической нормы, названной анизотропийной нормой. Метод решения. Рассмотрим синтез стохастического робастного регулятора, минимизирующего анизотропийную норму в форме пространства состояний. Этот регулятор формирует управляющее воздействие на вход системы по ее измеряемому выходу и представляет собой динамический блок типа компенсатора, объединяющий робастный наблюдатель и робастный регулятор. Обозначим A, B, C, D реализацию исходной системы, замкнутой этим динамическим блоком в следующем виде  A A B    ℑ W, Wky ~   ≡ BC2  C D11   C  1

(

)

Рассмотрим уравнение Риккати

 B2C B    1  A BD 21  .  D12C D11 

R = A T RA + q C T C + LT ∑ −1 L ,

[

T ∑ ≡ I m1 − qD11 D11 − BT R B

[

]

−1

]

T L ≡ [L1 L 2 ] ≡ ∑ BT RA + qD11 C. В этом уравнении скалярный параметр q выбирается из полуоткрытого

(

)

−2   0; ℑ w , w ky ∞  . Если это уравнение Риккати имеет решение, то анизотропия сигнала равна   m1 ∑ 1 − ln det   = a, T 2  tr LPL + ∑  а эквивалентный формирующий фильтр

интервала

{

271

}

  A + B1L1 + B L B C B1 ∑1 / 2  1 2 2 1 / 2 A + BL B ∑        = B[C2 + D21L1 ] A + BD21L 2 BD21 ∑1 / 2  Wф ~  1/ 2   ∑  L   ∑1 / 2  L1 L2   имеет грамиан управляемости, определяемый уравнением Ляпунова

[

равна

] [

P = A + BL P A + BL + B ∑ B T . При этом a - анизотропийная норма системы, замкнутой таким регулятором,

 1  m1 ℑ W, Wky =  1 − T a q    tr LPL + S Рассмотрим уравнение Риккати

(

)

{

1/ 2

    

}

S = [A + B1L1 ]S [A + B1L1 ]T + B1 ∑ B1T − ΛΘΛT , Θ ≡ [C2 + D 21L1 ]S [C2 + D 21L1 ]T + D 21 ∑ DT21 , Λ ≡ [A + B1L1 ]S[C2 + D 21L1 ]T + B1 ∑ DT21 Θ−1 .

[

]

Рассмотрим также уравнение Риккати T = A T T A T + C T C − N T ΠΝ , T Π ≡ BT T B + D12 D12 ,

(

)

T N ≡ [N1 N 2 ] ≡ −Π −1 BTT A + D12 C,

в котором матрицы A, B, C, D реализации имеют следующий вид B1M B2  A  A B     C D ≡  0 A + B1M + B1C 0  .   C D11M D   1 



Откуда может быть получена A , B , C , D реализация оптимизирующего анизотропийную норму.    A B1  In  A = B2C + [In − Λ ]    , C2 D21  M    B = Λ , C = N1 + N 2 .

регулятора,

Таким образом, решение задачи стохастической робастной оптимизации сводится к вычислению трех алгебраических уравнений Риккати, уравнения Ляпунова и уравнения специального вида для вычисления уровня анизотропии входного сигнала. Результаты моделирования. В качестве примера рассмотрен синтез стохастического робастного управления двухканальной электромеханической системой с раздельной нагрузкой. Модели каналов приняты в виде двух и трех массовых электромеханических систем с исполнительными двигателями постоянного

272

тока и векторном управлении двигателями переменного тока. С помощью разработанной методики многокритериального синтеза стохастических робастных регуляторов удалось получить приемлемые показатели качества и удовлетворить техническим требованиям, предъявляемым к системе. Приведены динамические характеристики синтезированных систем при изменении параметров и структуры моделей объектов управления и внешних воздействий. Выводы из проведенного исследования, перспективы этого направления. Разработана методика многокритериального синтеза стохастического робастного управления многоканальными системами, работающими по принципу грубого и точного управления. С помощью разработанной методики многокритериального синтеза робастных регуляторов удалось получить приемлемые показатели качества и удовлетворить техническим требованиям, предъявляемым к системе. Приведены динамические характеристики синтезированной системы. Список литературы: 1. Никитина Т.Б. Выбор критерия качества робастного управления как задача многокритериальной оптимизации//Вестник НТУ «ХПИ»: Сб. науч. раб.- Харьков: НТУ “ХПИ”. Тематический выпуск «Системный анализ управление и информационные технологии». 2007.- №41. С. 35 – 44. 2. Никитина Т.Б. Робастное управление системой наведения и стабилизации вооружения легкобронированной машиной//Вестник НТУ «ХПИ”: Сб. науч. раб.- Харьков: НТУ “ХПИ”.Тематический выпуск «Автоматика и приборостроение». 2007.- №36. С. 80 – 88. 3. Никитина Т.Б. Робастная стабилизация танкового вооружения. Вестник НТУ «ХПИ», Сборник научных трудов. Тематический выпуск «Автоматика и приборостроение». 2007, №10. С. 134 – 144. ГЛУБИННОЕ ШЛИФОВАНИЕ ТИТАНОВОГО СПЛАВА С НЕПРЕРЫВНОЙ ПРАВКОЙ КРУГА Носенко В.А., Носенко С.В. (ВПИ филиал ВолгГТУ, г. Волжский, Россия) The laws of change of some parameters of process of flat deep grinding around with a cylindrical working surface are considered. Is shown, that at stabilization of a structure of a working surface of a circle the change of making force of grinding from length of an arch of contact is described incomplete polinoms of the second degree. The attitude of making force of grinding and given cutting ability in a considered case are constant sizes, the average nominal and nominal pressure change proportionally to length of an arch of contact. Глубинное шлифование является одним из наиболее прогрессивных методов формообразования поверхностей сложного профиля. Наибольшая эффективность процесса достигается с использованием непрерывной правки круга, при которой правящий ролик находится в постоянном контакте с рабочей поверхностью круга и, тем самым, обновляет наиболее выступающие вершины зерен. Первостепенное значение непрерывная правка имеет при шлифовании адгезионно-активных металлов, к числу которых относятся титановые сплавы. В качестве примера на рис. 1 приведена диаграмма изменения одной из составляющих силы шлифования титанового сплава ВТ9 высокопористым кругом из карбида кремния на встречной и попутной подачах с использованием непрерывной правки (S п =1 мкм/имп). Для сравнения там же показана сила Р у , полученная на тех же режимах, но с периодической правкой круга перед каждым опытом.

273

Р у , Н/мм

7 2

0 0

l , мм

Рис. 1. Изменение силы Р у по длине шлифования l в зависимости от направления подачи и метода правки (t=3 мм, v s =50 мм/мин) На этапе постоянной длины дуги контакта при встречном шлифовании с глубиной 3 мм непрерывная правка позволяет снизить силы Р у и P z соответственно в 2,2 и 2,6 раза, при попутном – в 1,5 и 2,0 раза. При шлифовании с глубиной 2 мм снижение сил колеблется в диапазоне от 2,0 до 2,3 раза. И в том и в другом случае наибольшее влияние правка оказывает на силу P z . При шлифовании адгезионноактивных металлов сила P z в большей степени реагирует на работу круга в режиме затупления, чем Р у [1]. Постоянная правка, поддерживая стабильное состояние рабочей поверхности абразивного инструмента, предотвращает рост силы шлифования. Поэтому сила P z с переходом к постоянной правке снижается больше Р у . Алмазный ролик, находясь в постоянном контакта с рабочей поверхностью абразивного инструмента, зачищает вершины зерен от налипшего металла, в результате срезания и скалывания вершин придает им необходимую остроту. Управляя процессом глубинного шлифования и правки, можно обеспечить постоянство параметров рельефа рабочей поверхности круга. В этом случае, как было отмечено в работе [2], сила шлифования будет определяться в основном объемом удаляемого материала. Закономерности изменения объема материала, удаляемого в данный момент времени (мгновенная режущая способность) кругом цилиндрического профиля описаны математическими моделями в виде неполных полиномов второй степени [2]: V Р = – а v L P 2 + b v L P ; V B = а v L B 2,

(1)

где L P и L B – длина дуги контакта соответственно на этапе врезания и выхода, а v и b v – коэффициенты полинома. Очевидно, что при обеспечении постоянства рельефа рабочей поверхности круга силы шлифования должны определяться аналогичными моделями. При шлифовании с периодической правкой круга такой закономерности установить не удалось [1]. Изменяющиеся условия резания, изнашивание зерен и налипание на их вершины титанового сплава изменяет геометрию рабочей поверхности. Непрерывная правка, обеспечивая постоянное затачивание инструмента, принципиально изменяет его условия эксплуатации и делает возможным проверку высказанной гипотезы. 274

Поскольку большинство моделей наработки построены в зависимости от длины дуги контакта, изменение сил шлифования так же рассматривали по длине дуги контакта. В качестве примера на рис. 2а приведены данные по силе Р у . 1,1

P z /P y

P y , Н/мм

7,0

3,5

0,0

1,0

0,9 0

L , мм

40 l , мм

а б Рис. 2. Зависимость силы Р у от длины дуги контакта L (а) и отношения сил P z /P y от длины пути l при встречном шлифовании на различных этапах процесса: ○ – врезание; ∆ – выход Обработка экспериментальных данных показала, что зависимость удельных составляющих силы резания от длины дуги контакта так же описывается неполными полиномами второй степени: Р p = – а р L2 + b р L, Р в = а р L2

(2)

где а р и b р коэффициенты полинома сил шлифования, значения которых приведены в табл. 2. Коэффициент корреляции линезированной функции близок к единице, а максимальное относительное отклонение при длине дуги контакта более 4-5 мм на этапе выхода не превышает 10 %. Данное ограничение связано с достоверностью определения составляющих силы шлифования используемой в исследованиях аппаратурой. Если исходить из равенства сил на этапах врезания и выхода при L max , поскольку мгновенные наработки в этом случае так же равны, из (2) получим: а р = Р(L max )/L2 max ; b p = 2а р L max .

(3)

По формулам (3) рассчитаны коэффициенты полинома а р и b p . В качестве Р(L max ) использовали среднее арифметическое значение составляющих силы шлифования. Относительная ошибка определения сил шлифования на длине дуги контакта более 1 мм на этапе врезания и более 4 мм на этапе выхода с коэффициентами из (3) не превышает 12 %. Когда характер изменения составляющих силы шлифования от длины дуги контакта отвечает зависимостям (2), их отношение является величиной постоянной: P z /P y = a z /a y = const

275

(4)

На всем пути встречного шлифования P z /P y = 0,99, коэффициент вариации не более 12 % (рис. 2б). Давление по ГОСТ 21445―84 представляет собой отношение силы прижима абразивного инструмента к площади его контакта с обрабатываемой поверхностью. В зависимости от того, какая площадь контакта подразумевается, давление бывает номинальным и фактическим. В дальнейшем будем говорить о номинальном среднем давлении р с на этапах: р с = P y /L = – а у L + 2а у L max = а у (2L max – L), р св = а у L.

(5)

Экспериментальные данные, представленные на рис. 3а показывают, что среднее номинальное давление изменятся по линейной зависимости на этапе врезания и прямопропорциональной на этапе выхода, что соответствует формулам (5). 0,33

0,50 р

q , мм /сН

р , р с, МПа

0,75

рс

0,25 0,00

0,31 0,29 0,27

20 L , мм

40 l , мм

а б Рис. 4. Среднее номинальное р с , номинальное р давления (а) и приведенная по силе мгновенная режущая способность q п при встречном (б) шлифовании: ○ – этап врезания; ∆ – этап выхода Для определения изменения среднего номинального давления по дуге контакта найдем первую производную от (2) по L: р р = – 2а у L + 2а у L max = 2а у (L max – L), р в = 2а у L

(6)

Изменение давления по длине дуги контакта рассчитаное по формуле (6) для встречного шлифования показано на рис. 3б. В соответствии с формулами (5) и (6) максимальные значения давления и среднего номинального давления численно равны. По длине дуги контакта давление при встречном шлифовании изменяется от 0,37 до 0 МПа. Зависимость, аналогичная (3), существует и между коэффициентами полинома мгновенной режущей способности: q мр = а q L(2L max – L), q мв = а q L2

(7)

Из формул (3) и (7) следует, что q п = q c /Р у = а q /а р = const.

276

(8)

По ГОСТ 21445 – 84 приведенная режущая способность – это отношение режущей способности к одному из параметров его контакта с обрабатываемой поверхностью. Если в качестве режущей способности использовать мгновенную режущую способность, а в качестве параметра контакта линейную силу прижима Р у , получим новый показатель – приведенную мгновенную режущую способность. По формуле (7) для данных условий рассчитана мгновенная режущая способность и по формуле (8) найдено её приведенное значение q п по силе прижима P y . На рис. 4б показано изменение q п для попутного шлифования. Согласно (4.9) приведенная режущая способность при шлифовании в режиме постоянного затачивания должна быть величиной постоянной. Внешне графические данные вполне согласуются с этим положением. Статистическая оценка результатов выполнена аналогично исследованию стабильности отношения сил. Данные q п так же были разбиты на три группы по принадлежности к соответствующим этапам шлифования. Дисперсионный анализ и сравнение средних показали, что с вероятностью 0,95 % выборки принадлежат одной генеральной совокупности. Таким образом, для принятых условий эксперимента приведенную мгновенную режущую способность можно считать величиной постоянной. Список литературы: 1. Носенко В.А., Жуков В.К., Васильев А.А., Носенко С.В. Попутное и встречное глубинное шлифование поверхности полного цикла с периодической правкой круга/ Вестник машиностроения. – 2008, №5. – С. 44 – 50. 2. Носенко В.А., Жуков В.К., Зотова С.А., Носенко С.В. Специфика удаления материала на различных этапах плоского глубинного шлифования Специфика удаления материала на различных этапах плоского глубинного шлифования/ СТИН. – 2008. – №3. – С. 23 – 29. ПРИМЕНЕНИЕ PLM ТЕХНОЛОГИЙ ПРИ ДОРАБОТКЕ КОНСТРУКЦИИ ПЛАНЕРА САМОЛЕТА ВИЛЬГА 35А ДЛЯ НУЖД ЭКОЛОГИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА Носко О.Э. (ТТИ ЮФУ, г. Таганрог, Россия) During execution of the innovative project in Taganrog Institute of Technology — Southern Federal University the following task was posed: to draw the draft documentation for overpatching of airframe of the runabout Vilga 35A on a tight timetable for the ecological monitoring tasks. For projection process acceleration there was made a decision to use PLM technologies both on the basis of PDM of SMARTEAM system and of 3D geomatric modeling system CATIA V5. PLM (Product Lifecycle Management; управление жизненным циклом изделия) представляет собой методологию комплексного применения современных информационных технологий для повышения конкурентоспособности организаций, причем упор делается на управление данными об изделии. PLM предполагает новые методы работы с информацией об изделии, позволяя тесно увязать ее с процессами, обеспечивая одновременный доступ к данным различных категорий сотрудников, позволяя в полной мере реализовать принципы параллельного проектирования изделий. В ходе выполнения инновационного проекта в Таганрогском технологическом институте Южного федерального университета была поставлена задача: в сжатые

277

сроки выполнить эскизную документацию на доработку планера легкого самолета Вильга 35А (рис.1). под задачи экологического мониторинга. Для ускорения процесса проектирования было принято решение о применении PLM технологий и на основе PDM системы SMARTEAM и системы трехмерного геометрического моделирования CATIA V5.

Рис. 1. Самолёт Вильга 35А В ходе работ был разработан алгоритм проектирования (рис. 2). Разработка технического задания выполнялась основе требуемого спектра решаемых задач: - Проведение мониторинга акваторий с помощью средств дистанционного зондирования в целях обнаружения зон сброса промышленных стоков и разливов нефтепродуктов; - Мониторинг состояния продуктопроводов, обнаружение мест утечек; - Радиационный контроль и газохимический контроль; - Обнаружение очагов пожаров в целях экстренной ликвидации; - Аэрофотосъёмка в интересах кадастра; - Поиск и обнаружение терпящих бедствие на море; - Подсчёт поголовья редких и исчезающих представителей фауны; - Метеорологические исследования; - Выявление участков подтопления и заболачивания; - Обеспечение сельскохозяйственных работ и т.д. Из большого ассортимента оборудования, представленного на рынке, было выбрано необходимое оборудование. В кабине самолёта необходимо было установить: 1. Пост первичной обработки и передачи данных. Промышленный защищенный ноутбук TS Strong@Master для обработки полученных данных. 2. Цифровой аэрофотоаппарат высокого разрешения; 278

3. Дозиметр-радиометр; 4. Тепловизионная камера на гиростабилизированной турели; Тепловизионная система Star Safire II имеет пяти-осевую активную стабилизирующую систему для получения четкого изображения при движении авианосителя. 5. Дистанционный лазерный газоанализатор метана для обнаружения утечек различного рода газов и нефти из нефте- и продуктопроводов и других объектов; 6. Оборудование питания и коммутации.

Рис. 2. Алгоритм доработки планера самолёта 279

Бортовой навигационно-связной комплекс нового поколения, объединяющий в себе 32-канальную радиостанцию, радиомодем, спутниковый навигационный приемник, размещенные в едином корпусе. Радиус действия навигационно-связного комплекса до 30 км. Уникальность задачи состояла в том, что на данный ЛА не было конструкторской документации и в частности теоретических обводов планера, в связи с чем было произведено пространственное сканирование элементов конструкции самолета. С помощью трехмерной лазерной сканирующей системы ZScannerTM 800 были оцифрованы реальные элементы конструкции самолета для дальнейшей работы в программном пакете CATIA V5. Компоновка оборудования в самолете производилась с учетом эргономики и аэродинамики. С помощью встроенных средств CATIA V5 было проведено исследование эргономики (рис.3).

Рис. 3 Область обзора оператора систем мониторинга Для исследования картины обтекания самолета с установленным оборудованием, а также его влияния на конструкцию было проведено исследование с помощью программного пакета Flow Vision (рис.4.).

Рис. 4. Картина обтекания нижней поверхности фюзеляжа самолета, с установленной тепловизионной системой Star Safire II В результате работ было разработано 3 вида исполнения и произведена доработка силового пола кабины самолёта (рис. 5).

280

Рис. 5. Кабина с установленной системой Star Safire II Оператор размещается в правом кресле спиной к полёту. Заднее сидение демонтировано в пользу размещения в этой области необходимого оборудования. В различных исполнениях предполагается эксплуатация со снятыми дверьми. Исполнение №1 В этом исполнении обеспечивается зондирование поверхности в инфракрасном диапазоне, а также контроль радиационной обстановки. Исполнение №2 В этом исполнении демонтируется тепловизионная система Star Safire II на ее месте устанавливается дистанционный лазерный газоанализатор метана, который позволяет обнаружить утечки природного газа. Дозиметр-радиометр, ноутбук и оборудование питания и коммутации в данном исполнении не демонтируется. Исполнение №3 В этом исполнении на место дистанционного лазерного газоанализатора монтируется цифровой аэрофотоаппарат высокого разрешения, что позволяет вести зондирование в оптическом диапазоне. Дозиметр-радиометр, ноутбук и оборудование питания и коммутации в данном исполнении также не демонтируется. Применение PLM систем на данном проекте позволило значительно ускорить процесс проектирования без потери качества. Весь проект от разработки технического задания до выпуска эскизной документации, проектной группой из пяти человек, занял один месяц.

281

СОДЕРЖАНИЕ Каплюхин А.А., Павлыш В.Н., Онацкая Н.Г., Митасова Э.Ф ИССЛЕДОВАНИЕ СПЕЦИАЛЬНЫХ ЛЕКСИЧЕСКИХ КОНСТРУКЦИЙ ПРИ ИЗУЧЕНИИ ДЕЛОВОГО ЯЗЫКА СТУДЕНТАМИ ТЕХНИЧЕСКИХ УНИВЕРСИТЕТОВ…………………………………………………………………… 3 Кардаполова М.А., Девойно О.Г., Дьяченко О.В., Василенко А.Г. ФОРМИРОВАНИЕ ГАЗОТЕРМИЧЕСКИХ ПОКРЫТИЙ НА ЖЕЛЕЗНОЙ ОСНОВЕ ЛАЗЕРНЫМ ЛЕГИРОВАНИЕМ БОРИДАМИ………………………….. 6 Киселев Е.С., Романов С.А., Лексин Е.Н., Благовский О.В. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ВОЗМОЖНОСТИ ПРОЦЕССА КОМБИНИРОВАННОЙ ОБРАБОТКИ ШЛИФОВАНИЕМ И ВЫГЛАЖИВАНИЕМ……………………….. 14 Клягин Г.С. БОЛОНСКИЙ ВЕКТОР В РАЗВИТИИ ФРАНЦУЗСКОГО ТЕХНИЧЕСКОГО ФАКУЛЬТЕТА ДонНТУ……………………………………………………………… 20 Ковалёв С.А., Шишко С.Н. АНАЛИЗ ОСНОВНЫХ СТРАТЕГИЙ ЗАМЕЩЕНИЯ ДАННЫХ ОТНОСИТЕЛЬНО ВОЗМОЖНОСТИ ИХ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ В КМУУ………... 26 Кожанов В.А., Бредихин В.Н., Маняк Н.А.,Кульбида Е.П ТЕХНОЛОГИЯ И ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ КОМПЛЕКСНОЙ ПЕРЕРАБОТКИ ОТХОДОВ АЛЮМИНИЯ…………………………………………………………….. 30 Кравченко П.Д., Дудченко А.Н. ОПТИМИЗАЦИЯ КОНСТРУКЦИИ СБОРНОЙ КОЛОННЫ ПОДЪЁМНОГО УСТРОЙСТВА ДЛЯ СПАСАТЕЛЬНЫХ И АВАРИЙНОВОССТАНОВИТЕЛЬНЫХ РАБОТ………………………………………………….. 37 Кривощёков В.Е. СОВРЕМЕННАЯ ПАРАДИГМА ОБЩЕЙ ТЕХНОЛОГИИ МАШИНОСТРОЕНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИИ ТЕХНИКИ…………………………. 43 Криськов О.Д. ДО МЕТОДИКИ АНАЛІТИЧНОГО ПРОЕКТУВАННЯ РЕГЛАМЕНТУ ТЕХНОЛОГІЧНОГО ПРОЦЕСУ ВИГОТОВЛЕННЯ ДЕТАЛЕЙ РІЗАННЯМ…… 46 Кузнецов Б.И., Балюта С.Н., Коломиец В.В. СИНТЕЗ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ СИСТЕМ ШИРОКОПОЛОСНЫХ СТАНОВ ГОРЯЧЕЙ ПРОКАТКИ……………………………………………………. 52 Кузнецов Б.И., Лутай С.Н., Соляник В.П., Курцева Л.Б., Кузнецова Л.Г., Кобылянский Б.Б., Шурло О.В. ЦИФРОВОЕ РОБАСТНОЕ УПРАВЛЕНИЕ ОБМОТОЧНОЙ МАШИНОЙ КАК ТРЕХМАССОВОЙ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОЙ СИСТЕМОЙ…………………. 56

282

Кузнецов Б.И., Коломиец В.В., Соляник В.П., Бовдуй И.В., Волошко А.В., Виниченко Е.В. ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК РОБАСТНОГО РЕГУЛЯТОРА СТЕНДА ДВУХМАССОВОЙ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ…………………………………………………………………………….. 61 Кузнецов Б.И., Никитина Т.Б., Коломиец В.В., Кузнецова Л.Г., Курцева Л.Б., Еремина Н.С. ДВУХМАССОВАЯ МОДЕЛЬ ПЬЕЗОДВИГАТЕЛЯ………………………………. 65 Кузнецов Б.И., Никитина Т.Б., Лутай С.Н., Кузнецова Л.Г., Курцева Л.Б., Волошко А.В., Буаклин Мохаммед Али РОБАСТНОЕ УПРАВЛЕНИЕ ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ ГОРИЗОНТАЛЬНОГО НАВЕДЕНИЯ ДИСКРЕТНО-КОНТИНУАЛЬНОГО ОБЪЕКТА………………….. 69 Кузнецова З.П. ИССЛЕДОВАНИЕ ИНВЕСТИЦИОННЫХ ПРОЦЕССОВ В УСЛОВИЯХ ТРАНСФОРМАЦИОННОЙ ЭКОНОМИКИ УКРАИНЫ…………………………… 74 Купченко Г.В., Купченко В.Г., Майонов А.В., Поко О.А ИССЛЕДОВАНИЕ СПОСОБА ПИРОМЕТАЛЛУРГИЧЕСКОГО РАФИНИРОВАНИЯ ЛОМА ПЛАТИНОВЫХ СПЛАВОВ………………………… 78 Курбанов Х.К., Курбанов Ч.К., Курбанов Б.К. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ В ТЕПЛОЭНЕРГЕТИКЕ………………………………………………………………… 81 Курбанов Х.К., Ягшимурадов А.Д. ПАРОГЕНЕРАТОРЫ И ПРОЦЕССЫ ГОРЕНИЯ ПРОИСХОДЯЩИЕ В ТОПКАХ 85 Лавриненко В.И., Никитин Ю.И., Сытник Б.В., Полторацкий В.Г., Богатырева Г.П., Шило А.Е., Пащенко Е.А., Дуда Т.М., Чалый В.Т., Пасичный О.О., Скрябин В.А. ПРИМЕНЕНИЕ КОМПОЗИЦИОННЫХ КОМПАКТОВ ИЗ МИКРОПОРОШКОВ КУБОНИТА ЗЕРНИСТОСТЬЮ 3/2–0,5/0 ПРИ ШЛИФОВАНИИ ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ…………………….. 86 Ламин И.И. ОПТИМИЗАЦИЯ СТРУКТУРЫ ПАРКА И ПАРАМЕТРОВ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ НА ОСНОВЕ ИМИТАЦИОННОЙ МОДЕЛИ СБОРОЧНОГО АВТОМОБИЛЬНОГО ПРОИЗВОДСТВА…………….. 91 Левченко Г.Г., Каплюхин А.А., Петрушкин Г.В. СУТЬ И ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОНЯТИЙ «ТВОРЧЕСТВО» И «КРЕАТИВНОСТЬ» В СИСТЕМЕ ИНЖЕНЕРНОГО ОБРАЗОВАНИЯ ……………………………………. 95 Левшов А.В., Джура С.Г., Чурсинов В.И. РАЗВИТИЕ СТРАТЕГИИ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ УНИВЕРСИТЕТА И ПРОМЫШЛЕННОСТИ НА РЕГИОНАЛЬНОМ УРОВНЕ…………………………. 98

283

Лиопо В.А., Рыскулов А.А., Авдейчик С.В., Михайлова Л.В. ОЦЕНКА РАЗМЕРНЫХ ПАРАМЕТРОВ ДИСПЕРСНЫХ ЧАСТИЦ ПО ПАРАМЕТРУ ТЕМПЕРАТУРЫ ДЕБАЯ……………………………………………. 102 Лиопо В.А., Рыскулов А.А., Михайлова Л.В., Авдейчик С.В. ОПИСАНИЕ СТРУКТУРЫ ДИСПЕРСНЫХ ЧАСТИЦ С ПРИМЕНЕНИЕМ КОРРЕЛЯЦИОННЫХ ФУНКЦИЙ…………………………………………………… 107 Лиопо В.А., Рыскулов А.А., Михайлова Л.В., Овчинников Е.В., Ахмадиева Л.В ОЦЕНКА ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ КОМПОНЕНТОВ МЕТАЛЛОПОЛИМЕРНЫХ СТАТИЧЕСКИХ (АДГЕЗИОННЫХ) И ДИНАМИЧЕСКИХ (ТРИТЕХНИЧЕСКИХ) СИСТЕМ……. 113 Лиопо В.А., Рыскулов А.А., Струк В.А., Ахмадиева Л.В., Авдейчик С.В МОДИФИКАТОРЫ ПОЛИМЕРНЫХ НАНОКОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ Ч.1 МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ НАНОЧАСТИЦ…………………… 126 Лиопо В.А., Рыскулов А.А., Авдейчик С.В., Михайлова Л.В., Ахмадиева Л.В., Эйсымонт Е.И. МОДИФИКАТОРЫ ПОЛИМЕРНЫХ НАНОКОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВЧ. 2. РАЗМЕРНАЯ КЛАССИФИКАЦИЯ………………………….. 131 Лиопо В.А., Рыскулов А.А., Михайлова Л.В., Ахмадиева Л.В., Авдейчик С.В., Эйсымонт Е.И. МОДИФИКАТОРЫ ПОЛИМЕРНЫХ НАНОКОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ. Ч. 3. ГАБИТУС НАНОЧАСТИЦ, ПОЛУЧЕННЫХ ДИСПЕРГИРОВАНИЕМ ПОЛУФАБРИКАТОВ…………………………………… 141 Лиопо В.А., Рыскулов А.А., Михайлова Л.В., Ахмадиева Л.В., Авдейчик С.В., Эйсымонт Е.И. МОДИФИКАТОРЫ ПОЛИМЕРНЫХ НАНОКОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ. Ч. 4. СТРУКТУРА И ГАБИТУС НАНОЧАСТИЦ, ПОЛУЧЕННЫХ КОНДЕНСИРОВАНИЕМ………………………………………… 154 Лиопо В.А., Струк В.А., Рыскулов А.А., Ахмадиева Л.В., Авдейчик С.В. МОДИФИКАТОРЫ ПОЛИМЕРНЫХ НАНОКОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ. Ч. 5. РАЗМЕРНАЯ ГРАНИЦА МЕЖДУ НАНО- И МАКРОСОСТОЯНИЕМ ЧАСТИЦ ВЕЩЕСТВА…………………………………… 170 Маджид Абдул Джалил Х., Михайлов А.Н НЕКОТОРЫЕ ОСОБЕННОСТИ КОМБИНИРОВАННОЙ ОТДЕЛОЧНОЙ ОБРАБОТКИ ОСЕВЫХ ЛЕЗВИЙНЫХ ИНСТРУМЕНТОВ………………………. 186 Мазуру С. Г., Переу Е. К. ПОВЫШЕНИЕ НАГРУЗОЧНОЙ СПОСОБНОСТИ ЗУБЧАТЫХ КОЛЕС С НЕСТАНДАРТНЫМ ПРОФИЛЕМ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ СПОСОБАМИ…… 190

284

Макаров В.Ф., Шохрин А.В., Потягайло О.Н. ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ РЕЗАНИЯ НА СТАНКАХ С ЧПУ НА ОСНОВЕ КОМПЛЕКСНОЙ КОМПЬЮТЕРНОЙ ДИАГНОСТИКИ ОСНОВНЫХ ФИЗИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ПРОЦЕССА РЕЗАНИЯ ……………………………………………………………………………… 195 Максимченко Н.Н. ВЫБОР ИСХОДНЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ФОРМИРОВАНИЯ КОМПОЗИЦИОННЫХ ПОКРЫТИЙ МЕТОДОМ ПЛАКИРОВАНИЯ ГИБКИМ ИНСТРУМЕНТОМ…………………………………. 199 Максименко А.А., Полякова Е.И. ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ ТЕХНОСФЕРЫ И СПЕЦИАЛЬНАЯ ТЕХНИКА……………………………………………………………………………… 203 Малахов А.В., Карьянский С.А., Ткаченко И.В. ГИДРОДИНАМИЧЕСКАЯ СЕПАРАЦИЯ МНОГОФАЗНОГО ПОТОКА НА СУДАХ ДНОУГЛУБИТЕЛЬНОГО ФЛОТА………………………………………… 204 Мальцева И.Г., Дарковский Ю. В. РАЗРАБОТКА И УСОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ УСТАНОВКИ ДЛЯ ВЫРАЩИВАНИЯ МОНОКРИСТАЛЛОВ ЛЕЙКОСАПФИРА……………………. 210 Мамедов А.Т., Азимов А.А. ИССЛЕДОВАНИЕ СИСТЕМЫ ОХЛАЖДЕНИЯ В МАШИНАХ НЕПРЕРЫВНОГО ЛИТЬЯ ТРУБНОЙ ЗАГОТОВКИ……………………………… 212 Мартякова Е.В. РАЗВИТИЕ СОЦИАЛЬНОЙ НАПРАВЛЕННОСТИ УПРАВЛЕНИЯ ОРГАНИЗАЦИЯМИ…………………………………………………………………… 215 Марчук В.І., Пташенчук В.В. ВСТАНОВЛЕННЯ ЗВ’ЯЗКІВ МІЖ ТЕХНОЛОГІЧНИМИ ЧИННИКАМИ ТОРЦЕШЛІФУВАЛЬНОЇ ОПЕРАЦІЇ І ПАРАМЕТРАМИ ТОЧНОСТІ КІЛЕЦЬ ПІДШИПНИКІВ………………………………………………………………………

222

Марчук В.І., Чалий В.Д, Демидюк О.Д МОДЕЛЮВАННЯ ДИНАМІЧНОЇ СИСТЕМИ ПРОЦЕСУ ШЛІФУВАННЯ КІЛЕЦЬ КОНІЧНИХ РОЛИКОПІДШИПНИКІВ……………………………………. 227 Мачикіна І.Ю. НАВЧАЛЬНІ ІГРИ І ЇХ РОЛЬ У ПІДВИЩЕННІ САМООЦІНКИ СТУДЕНТІВ… 232 Машурцев В.А., Ламина Т.Н., Лукина Т.А. АНАЛИЗ МЕТОДОЛОГИЧЕСКИХ ОСНОВ ЭЛЕКТРОННЫХ СИСТЕМ ТЕСТИРОВАНИЯ…………………………………………………………. 236 Медведев В.В., Медведев В.С. МЕТОД ОПЕРАТИВНОЙ НАСТРОЙКИ ДИАГНОСТИЧЕСКИХ СИСТЕМ……. 240

285

Минаев В.С., Ямников А.С. БАЗИРУЮЩИЕ СВОЙСТВА РЕЗЬБОВЫХ ЗАМКОВЫХ СОЕДИНЕНИЙ……... 244 Михайлов А.Н., Михайлова Е.А., Недашковский А.П., Лахин А.М., Маджид А.Д., Аль-Судани Т.Т. ПОВЫШЕНИЕ КАЧЕСТВА ИЗДЕЛИЙ МАШИНОСТРОЕНИЯ НА БАЗЕ КОМБИНИРОВАННОЙ ФУНКЦИОНАЛЬНО-ОРИЕНТИРОВАННОЙ ОТДЕЛОЧНОЙ ОБРАБОТКИ……………………………………………………….. 246 Мокрий О.М., Бобицький Я.В. ВИЗНАЧЕННЯ ШОРСТКОСТІ ПОВЕРХНІ БЕЗКОНТАКТНИМ ОПТИЧНИМ МЕТОДОМ З ДОПОМОГОЮ ІНТЕРФЕРОМЕТРА МАЙКЕЛЬСОНА………….. 266 Мыльченко Н.В., Пехтерев А.А. Добровольский Г.И. ГИДРОАБРАЗИВНАЯ РЕЗКА КАК ПРОГРЕССИВНЫЙ МЕТОД ОБРАБОТКИ.. 268 Никитина Т.Б. МНОГОКРИТЕРИАЛЬНЫЙ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫЙ СИНТЕЗ СТОХАСТИЧЕСКИХ РОБАСТНЫХ РЕГУЛЯТОРОВ МНОГОКАНАЛЬНЫХ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ СИСТЕМ……………………………………………

269

Носенко В.А., Носенко С.В. ГЛУБИННОЕ ШЛИФОВАНИЕ ТИТАНОВОГО СПЛАВА С НЕПРЕРЫВНОЙ ПРАВКОЙ КРУГА……………………………………………………………………. 273 Носко О.Э. ПРИМЕНЕНИЕ PLM ТЕХНОЛОГИЙ ПРИ ДОРАБОТКЕ КОНСТРУКЦИИ ПЛАНЕРА САМОЛЕТА ВИЛЬГА 35А ДЛЯ НУЖД ЭКОЛОГИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА……………………………………………………………………… 277

286

ИМЕННОЙ УКАЗАТЕЛЬ А Авдейчик С.В. 107,126,170,102,131,141, 154 Азимов А.А. 212 Аль-Судани Т.Т. 246 Ахмадиева Л.В., 113,126,131,141,154,170 Б Балюта С.Н., 52 Благовский О.В. 14 Бобицький Я.В. 266 Бовдуй И.В., 61 Богатырева Г.П., 86 Бредихин В.Н., 30 Буаклин М.А., 69 В Василенко А.Г., 6 Виниченко Е.В. 61 Волошко А.В., 61,69 Д Дарковский Ю. В. 210 Девойно О.Г., 6 Демидюк О.Д., 227 Джура С.Г., 98 Добровольский Г.И. 268 Дуда Т.М., 86 Дудченко А.Н., 37 Дьяченко О.В., 6 Е Еремина Н.С. 65 К Каплюхин А.А., 3, 95 Кардаполова М.А., 6 Карьянский С.А., 204 Киселев Е.С., 14 Клягин Г.С., 20 Кобылянский Б.Б., 56 Ковалёв С.А., 26 Кожанов В.А., 30 Коломиец В.В. 52,61,65 Кравченко П.Д., 37 Кривощёков В.Е., 43

Криськов О.Д., 46 Кузнецов Б.И., 52,56,61,69 Кузнецова З.П. 74 Кузнецова Л.Г., 56,65,69 Кульбида Е.П.,30 Купченко В.Г., 78 Купченко Г.В., 78 Курбанов Б.К. 81 Курбанов Х.К., 81,85 Курбанов Ч.К., 81 Курцева Л.Б., 56,65,69 Л Лавриненко В.И., 86 Ламин И.И. 91 Ламина Т.Н., 236 Лахин А.М., 246 Левченко Г.Г., 95 Левшов А.В., 98 Лексин Е.Н., 14 Лиопо В.А., 102,107,113,126,131,141, 154,170 Лукина Т.А. 236 Лутай С.Н., 56,69, М Маджид А. Х., 186,246 Мазуру С. Г., 190 Майонов А.В., 78 Макаров В.Ф., 195 Максименко А.А., 203 Максимченко Н.Н. 199 Малахов А.В., 204 Мальцева И.Г., 210 Мамедов А.Т., 212 Маняк Н.А., 30 Мартякова Е.В. 215 Марчук В.І., 222,227 Мачикіна І.Ю. 232 Машурцев В.А., 236 Медведев В.В., 240 Медведев В.С., 240 Минаев В.С., 244

287

Митасова Э.Ф., 3 Михайлов А.Н., 186, 246 Михайлова Е.А., 246 Михайлова Л.В., 102,107,113,131,141,154 Мокрий О.М., 266 Мыльченко Н.В., 268 Н Недашковский А.П., 246 Никитин Ю.И., 86 Никитина Т.Б. 65, 269 Носенко В.А., 273 Носенко С.В. 273 Носко О.Э. 277 О Овчинников Е.В., 113 Онацкая Н.Г., 3 П Павлыш В.Н., 3 Пасичный О.О., 86 Пащенко Е.А., 86 Переу Е. К. 190 Петрушкин Г.В. 95 Пехтерев А.А. 268 Поко О.А., 78 Полторацкий В.Г., 86 Полякова Е.И. 203 Потягайло О.Н. 195 Пташенчук В.В. 222 Р Романов С.А., 14 Рыскулов А.А., 102,107,113,126,131,141, 154,170 С Скрябин В.А. 86 Соляник В.П., 56,61 Струк В.А., 126 Струк В.А., 170 Сытник Б.В., 86 Т Ткаченко И.В., 204

ИМЕННОЙ УКАЗАТЕЛЬ Ч Чалий В.Д, 227 Чалый В.Т., 86 Чурсинов В.И., 98 Ш Шило А.Е., 86 Шишко С.Н., 26 Шохрин А.В., 195 Шурло О.В. 56 Э Эйсымонт Е.И., 131,141,154 Я Ягшимурадов А.Д., 85 Ямников А.С., 244

288