ISSN 1990-7796
1
№ 2 (21), 2017
ВЕСТИ Автомобильно-дорожного института = Bulletin of the Automobile and Highway Institute МЕЖ ДУНАРО ДНЫЙ НАУЧ НО -Т ЕХНИЧ ЕСК ИЙ Ж УРНАЛ
Учредитель и издатель: Автомобильно-дорожный институт ГОУВПО «Донецкий национальный технический университет» Главный редактор Чальцев М. Н. (д-р техн. наук, проф.) Зам. главного редактора Высоцкий С. П. (д-р техн. наук, проф.) Мищенко Н. И. (д-р техн. наук, проф.) Ответственный секретарь Гуменюк М. М. (канд. техн. наук, доц.) Редакционный совет Базаянц Г. В. (д-р техн. наук, проф.) Братчун В. И. ( д-р техн. наук, проф.) Вовк Л. П. (д-р техн. наук, проф.) Мельникова Е. П. (д-р техн. наук, проф.) Полуянов В. П. (д-р экон. наук, проф.) Дудников А. Н. (канд. техн. наук, доц.) Заглада Р. Ю. (канд. экон. наук, доц.) Химченко А. В. (канд. техн. наук, доц.) Карпинец А. П. (канд. техн. наук, доц.) Курган Е. Г. (канд. экон. наук, доц.) Морозова Л. Н. (канд. техн. наук, доц.) Никульшин С. П. (канд. техн. наук, доц.) Селезнева Н. А. (канд. экон. наук, доц.) Скрыпник Т. В. (канд. техн. наук, доц.) Шилин И. В. (канд. техн. наук, доц.)
С О Д Е РЖ А Н И Е ТРАНСПОРТ …… … … …… … … …… … … …… … … …… …. 3 С. А. Легкий УСОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДИКИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЗАТРАТ НА СМАЗОЧНЫЕ МАТЕРИАЛЫ ПРИ РАСЧЕТЕ ТАРИФОВ НА ПЕРЕВОЗКУ ПАССАЖИРОВ АВТОМОБИЛЬНЫМ ТРАНСПОРТОМ………………………………….3
А. П. Карпинец ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ НАНОМАТЕРИАЛОВ И НАНОТЕХНОЛОГИЙ НА АВТОМОБИЛЬНОМ ТРАНСПОРТЕ И В ЕГО ИНФРАСТРУКТУРЕ……………………..…11
М. Е. Королёв, Н. Н. Дудникова ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДА ЭКСПЕРТНОЙ ОЦЕНКИ ПРИ ИЗУЧЕНИИ ОСОБЕННОСТЕЙ ДВИЖЕНИЯ АВТОМОБИЛЯ....25
Д. В. Фесенко, А. И. Петров УЧЕТ КОЛЕИ В КРИТЕРИИ УСТОЙЧИВОСТИ ПЛОСКОЙ МОДЕЛИ АВТОМОБИЛЯ………………………………………………..35
Адрес: 84646, г. Горловка, ул. Кирова, 51. Телефоны: +38 (06242) 55-82-08, +38 (06224) 4-88-04, +38 (050) 755-26-95. Эл. почта: vestnik-adi@adidonntu.ru Интернет: www.vestnik.adidonntu.ru, www.adidonntu.ru Вести Автомобильно-дорожного института = Bulletin of the Automobile and Highway Institute 2017, № 2 (21)
СТРОИТЕЛЬСТВО И ЭКСПЛУАТАЦИЯ ДОРОГ…………43
Издается с октября 2004 г. Периодичность издания 4 раза в год.
СПОСОБЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ ГИДРОДИНАМИЧЕСКИ АКТИВНЫХ ПОЛИМЕРОВ В ОДНОРОДНЫХ РАСТВОРАХ И УСТРОЙСТВА ДЛЯ ИХ РЕАЛИЗАЦИИ…………………………….………………………………..50
Подписано к размещению на сайте и к печати 29.03.2017 г. в соответствии с решением ученого совета АДИ ГОУВПО «ДонНТУ». Протокол № 4 от 29.03.2017 г.
А. В. Лисянец, Н. П. Дырда ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ ПРОЦЕССА РАЗВИТИЯ ДЕФОРМАЦИЙ В ДОРОЖНОЙ ОДЕЖДЕ НЕЖЕСТКОГО ТИПА ПОД ВОЗДЕЙСТВИЕМ ДИНАМИЧЕСКОЙ НАГРУЗКИ…….…………………………………..43
ОХРАНА ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ…………………………...50 А. П. Симоненко, Н. А. Дмитренко, А. Ю. Собко, С. А. Фоменко
В. В. Дремов, Ф. В. Недопекин, Н. И. Куликов, И. А. Артемова
Формат 70 х 90/16. Заказ № 115. Тираж 100 экз. Печать: АДИ ГОУВПО «ДонНТУ».
УВЕЛИЧЕНИЕ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ КАМЕР С ВОЛОСЯНЫМИ ЕРШАМИ И АЭРАЦИОННЫМИ ТРУБАМИ ДЛЯ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД….…………………….57
ISSN 1990-7796
ЭКОНОМИКА И УПРАВЛЕНИЕ…………………………………70
Авторы статей, 2017 Автомобильно-дорожный институт Государственного общеобразовательного учреждения высшего профессионального образования «Донецкий национальный технический университет», 2017
Е. А. Шабельникова, А. В. Беляева МЕТОДИКИ ОЦЕНКИ СТОИМОСТИ КОРПОРАТИВНОГО ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОГО КАПИТАЛА………………………………….70
Е. А. Гасило, Е. А. Гуськова ВЫБОР ЭФФЕКТИВНОЙ ЛОГИСТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ НА ПРИМЕРЕ ТОРГОВОГО ПРЕДПРИЯТИЯ ООО «АКТИВДОН»………………………………….76
Журнал индексируется и реферируется в базах данных: Google Академия (http://scholar.google.com.ua), Science Index (РИНЦ) (http:/elibrary.ru). Журнал содержит научные труды ведущих ученых, докторантов и аспирантов АДИ ГОУВПО «ДонНТУ», а также других высших учебных заведений, научно-исследовательских организаций и предприятий. Тематика журнала – теоретические и прикладные проблемы автомобильного транспорта, транспорта промышленных предприятий, строительства и эксплуатации дорог, охраны окружающей среды, экономики и управления.
2
№ 2 (21), 2017
ВЕСТИ Автомобильно-дорожного института = Bulletin of the Automobile and Highway Institute МЕЖ ДУНАРО ДНЫЙ НАУЧ НО -Т ЕХНИЧ ЕСК ИЙ Ж УРНАЛ
Founder and publisher: Automobile and Road Institute State Higher Education Establishment «Donetsk National Technical University» Editor-in-Chief Chaltsev M. N. (Dr. of Tech.Sc., Prof.) Deputy Editor-in-Chief Vysotskiy S. P. (Dr. of Tech.Sc., Prof.) Mishchenko N. I. (Dr. of Tech.Sc., Prof.) Executive Secretary Gumenyuk M. M. (Cand.of Tech.Sc., Assoc. Prof.) Editorial Board Bazayants G. V. (Dr. of Tech.Sc., Prof.) Bratchun V. I. (Dr. of Tech.Sc., Prof.) Vovk L. P. (Dr. of Tech.Sc., Prof.) Melnikovа Е. P. (Dr. of Tech.Sc., Prof.) Poluyanov V. P. (Dr. of Econ.Sc., Prof.) Dudnikov А. N. (Cand.of Tech.Sc., Assoc. Prof.) Zaglada R. Yu. (Cand.of Econ.Sc., Assoc. Prof.) Khimchenko A. V. (Cand.of Tech.Sc.,Assoc. Prof.) Karpinets А. P. (Cand.of Tech.Sc., Assoc. Prof.) Kurgan E. G. (Cand.of Econ.Sc., Assoc. Prof.) Morozova L. N. (Cand.of Tech.Sc., Assoc. Prof.) Nikulshin S. P. (Cand.of Tech.Sc., Assoc. Prof.) Selezneva N. A. (Cand.of Econ.Sc., Assoc. Prof.) Skrypnik T. V. (Cand.of Tech.Sc., Assoc. Prof.) Shilin I. V. (Cand.of Tech.Sc., Assoc. Prof.)
TABLE OF CONTENTS TRANSPORT … … … … … … … … … … … … … … … … … … . 3 S. А. Legkiy IMPROVEMENT OF THE LUBRICANT COST MEASUREMENT TECHNIQUE AT THE RATE MAKING OF THE PASSENGER TRANSPORTATION BY AUTOMOBILE TRANSPORT…………………………………………3
А. P. Karpinets PERSPECTIVES OF NANOMATERIALS AND NANOTECHNOLOGIES APPLICATION IN AUTOMOBILE TRANSPORT AND ITS INFRASTRUCTURE…………………….11
М. Ye. Korolev, N. N. Dudnikova APPLICATION OF THE EXPERT EXALUATION METHOD AT THE STUDY OF AUTOMOBILE MOVEMENT PECULIARITIES……………………………...….....25
D. V. Fesenko, А. I. Petrov WHEEL TRACK ACCOUNT IN THE STABILITY CRITERION OF THE AUTOMOBILE TWO-DIMENSIONAL MODEL……………………………………………………………......35
Adress: Kirov St., 51, Gorlovka, 84646. Tel: +380 (6242) 55-82-08, +38 (06224) 4-88-04, +380 (50) 755-26-95. E-mail: vestnik-adi@adidonntu.ru Website: www.vestnik.adidonntu.ru, www.adidonntu.ru
HIGHWAY CONSTRUCTION AND MAINTENANCE...43
Вести Автомобильно-дорожного института = Bulletin of the Automobile and Highway Institute 2017, № 2 (21)
А. P. Simonenko, N. А. Dmitrenko, А. Yu. Sobko, S. А. Fomenko
Published since Oktober 2004 Frequency: 4 times per year. Signed to print 29.03.2017 according to the decision of the Academic Council of Automobile and Road Institute State Higher Education Establishment DonNTU. Protocol № 4 from 29.03.2017. Format 70 х 90/16. Order № 115. Circulation 100 copies. Printed: Automobile and Road Institute State Higher Education Establishment DonNTU. ISSN 1990-7796 Authors, 2017 Automobile and Road Institute State Higher Education Establishment «Donetsk National Technical University», 2017
А. V. Lisianets, N. P. Dyrda STUDY OF DEFORMATION PROCESS REGULARITIES IN THE NONRIGID ROAD PAVEMENT UNDER THE INFLUENCE OF DYNAMIC LOAD…….………………….………43
ENVIRONMENTAL PROTECTION ………………………..50
METHODS OF CONCENTRATION DETERMINATION OF HYDRODYNAMICALLY ACTIVE POLYMERS IN UNIFORM SOLUTIONS AND DEVICES FOR THEIR IMPLEMENTATION…………………………….……………………50
V. V. Dremov, F. V. Nedopekin, N. I. Kulikov, I. А. Artemova PRODUCTIVITY INCREASE OF CHAMBERS WITH HAIR BRUSHES AND AERATION PIPES FOR SEWAGE PURIFICATION………………………………….….………..……….57
ECONOMICS AND MANAGEMENT……………………….70 Е. А. Shabelnikova, А. V. Belyaeva COST ESTIMATION PROCEDURES OF CORPORATE INTELLECTUAL CAPITAL………………………………………….70
Е. А. Gasilo, Е. А. Guskova CHOICE OF THE EFFECTIVE LOGISTIC DISTRIBUTION SYSTEM TAKING LLC «ACTIVDON» AS AN EXAMPLE ……..76
Journal is indexed by: Google Academy (http://scholar.google.com.ua), Science Index (RISC) (http:/elibrary.ru). Journal contains original research articles of top scientists, doctoral candidates and graduate students of Automobile and Road Institute State Higher Education Establishment DonNTU, other higher educational establishments, research organizations and enterprises. Journal subject matter is theoretical and applied problems of automobile transport, transport of industrial enterprises, highway construction and maintenance, environmental protection and economics and management.
ISSN 1990-7796. Вести Автомобильно-дорожного института = Bulletin of the Automobile and Highway Institute, 2017. № 2(21) Сайт http:// vestnik.adidonntu.ru
3
ТРАНСПОРТ УДК 656.13.032 С. А. Легкий, канд. экон. наук Автомобильно-дорожный институт ГОУВПО «Донецкий национальный технический университет», г. Горловка УСОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДИКИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЗАТРАТ НА СМАЗОЧНЫЕ МАТЕРИАЛЫ ПРИ РАСЧЕТЕ ТАРИФОВ НА ПЕРЕВОЗКУ ПАССАЖИРОВ АВТОМОБИЛЬНЫМ ТРАНСПОРТОМ Рассмотрены методики определения затрат на смазочные материалы при расчете тарифов на перевозку пассажиров автомобильным транспортом. Выявлены их недостатки. Предложена методика определения затрат на смазочные материалы, позволяющая более точно определять их величину, а следовательно, устанавливать конкурентоспособные тарифы на услуги. Ключевые слова: автомобильный транспорт, перевозка пассажиров, тарифы, затраты на смазочные материалы
Постановка проблемы На современном этапе развития рыночных отношений установление экономически обоснованных тарифов на перевозку грузов и пассажиров является предпосылкой обеспечения выживаемости предприятий автомобильного транспорта, повышения их конкурентоспособности, положительных финансовых результатов, экономической независимости. При этом на уровень устанавливаемого тарифа оказывает большое влияние максимальная приближенность величины реальных затрат на смазочные материалы при эксплуатации транспортных средств. Поэтому проблема определения реальных затрат на смазочные материалы при расчете тарифов на перевозку пассажиров автомобильным транспортом является весьма актуальной. Анализ последних исследований и публикаций Анализируя последние исследования и публикации [1–5], можно сделать вывод, что на данное время в Донецкой Народной Республике, Украине, Республике Молдова, Российской Федерации и Республике Казахстан нет единого подхода к определению затрат на смазочные материалы при расчете тарифов на перевозку пассажиров автомобильным транспортом. Так, в Донецкой Народной Республике и Украине затраты на смазочные материалы на 1 км пробега рассчитываются пропорционально расходу топлива (в литрах) по формуле [1–2]: Всм1км 0,01 ВТ 1км ( Н м Ц м Н тр Ц тр Н сп Ц сп Н пл Ц пл ) , руб/км,
(1)
где ВТ 1км – расход топлива на 1 км пробега, л;
Н м , Н тр , Н сп , Н пл – нормы расхода моторных, трансмиссионных, специальных масел (л/100 л топлива) и пластических смазок (кг/100 л топлива), соответственно; Ц м , Ц тр , Ц сп , Ц пл – цена моторных, трансмиссионных, специальных масел (руб/л) и пластических смазок (руб/кг), соответственно. Недостатком этого подхода является то, что нормы расхода смазочных материалов не учитывают их реальный расход во время эксплуатации транспортных средств и устанавлиISSN 1990-7796. Вести Автомобильно-дорожного института = Bulletin of the Automobile and Highway Institute, 2017. № 2(21) Сайт http:// vestnik.adidonntu.ru
4 ваются на 100 л автомобильного топлива необходимого для осуществления перевозки пассажиров. И если расход моторного масла можно обосновать его угаром в процессе сгорания топлива в цилиндрах двигателей, то объяснить как сгораемое топливо может повлиять на расход трансмиссионных, специальных масел и пластических смазок довольно сложно. Использование норм расхода смазочных материалов, установленных на 100 л топлива, объясняется тем, что эти нормы были рассчитаны прежде всего для двухтактных двигателей, принцип работы которых связан с поступлением масла в камеру сгорания. История возникновения этих норм уходит далеко в советскую эпоху, когда уровень развития технологий производства автомобилей, их деталей и узлов был невысок, не существовало синтетических и полусинтетических масел и т. д. Также уместно отметить, что нормы расхода смазочных материалов устанавливались для двигателей при полной их нагрузке и в предкапитальном состоянии. У современных двигателей, имеющих хорошее техническое состояние, расход моторного масла на угар является незначительным. Расход других видов смазочных материалов современных автомобилей также не зависит от расхода сгораемого топлива. Нормы расхода смазочных материалов также не учитывают: тип применяемых масел (минеральные, полусинтетические, синтетические), влияющий на срок их эксплуатации (замены); техническое состояние двигателя; конструкцию, материалы и качество изготовления деталей; точность сборки и т. д. Кроме этого, в положении о техническом обслуживании и ремонте подвижного состава и руководствах по эксплуатации транспортных средств приведены рекомендации по замене смазочных материалов и доведению их уровня до нормы (из-за угара) через определенный пробег, а не соответственно количеству литров израсходованного топлива. Поэтому наиболее оптимальным способом установления расхода смазочных материалов является определение их количества в соответствии с рекомендациями производителей, приведенными в руководствах по эксплуатации соответствующих транспортных средств. Аналогично определяются затраты на смазочные материалы в Республике Молдова [3]. Отличие от методик определения затрат в Донецкой Народной Республике и Украине заключается в том, что в Методологии расчета тарифов на услуги по перевозке пассажиров и багажа автомобильным транспортом [3] указано, что для автомобилей, на которые нормы расхода смазочных материалов не рассчитаны, расходы на смазочные материалы определяются по формуле: В мi Vai Fai k зап , л (кг),
(2)
где Vai – объем заправки маслом i-го типа для данного типа транспортного средства на одну заправку, л (кг); k зап – коэффициент заполнения объема масла на период эксплуатации масла;
Fai – частота заправки за год масла i-го типа: Fai
Lгод Liнорм
,
(3)
где Lгод – годовой пробег транспортного средства, км;
Liнорм – нормативный пробег до износа масла i-го типа, км. Преимуществом этого дополнения является то, что расходы на смазочные материалы определяются исходя из объемов их заправки. Однако в каких справочных материалах указаны эти объемы заправки в Методологии [3] не определено. Кроме этого, недостатком данного дополнения является то, что нормативный пробег до износа масла i-го типа принимается ISSN 1990-7796. Вести Автомобильно-дорожного института = Bulletin of the Automobile and Highway Institute, 2017. № 2(21) Сайт http:// vestnik.adidonntu.ru
5 согласно действующим нормам расхода топлива и смазочных материалов в автомобильном транспорте, в которых этой информации нет. В Российской Федерации и Казахстане затраты на смазочные материалы рассчитываются пропорционально затратам топлива в денежном эквиваленте (Россия – 7,5 % [4], Казахстан – 10 % [5]). Недостатком этого подхода является то, что он также не учитывает реальный расход смазочных материалов во время эксплуатации транспортных средств. К тому же научная обоснованность установления величины процента затрат на смазочные материалы вызывает сомнение. Цель статьи – обоснование методического подхода к определению затрат на смазочные материалы при расчете тарифов на перевозку пассажиров автомобильным транспортом. Изложение основного материала исследования На основе анализа существующих подходов к определению затрат на смазочные материалы и теоретических обобщений предлагается следующий методический подход к определению затрат на смазочные материалы при расчете тарифов на перевозку пассажиров автомобильным транспортом. 1. Затраты на моторное масло на 1 км пробега определяются по формуле: В м1км (
V мi Н угарi ) Ц м , руб/км, Lзмi 1000
(4)
где Vмi – объем заправки моторного масла для автобуса i-й марки при его замене, л;
Lзмi – периодичность замены моторного масла автобуса i-й марки, км; Н угарi – норма расхода масла на угар на 1000 км пробега автобуса i-й марки, л; Ц м – цена 1 литра моторного масла, руб. 2. Затраты на трансмиссионное масло на 1 км пробега определяются по формуле: Втр1км (
Vтрi L зтрi
) Ц тр , руб/км,
(5)
где Vтрi – объем заправки трансмиссионного масла для автобуса i-й марки при его замене, л; Lзтрi – периодичность замены трансмиссионного масла автобуса i-й марки, км;
Ц тр – цена 1 литра трансмиссионного масла, руб. 3. Затраты на специальное масло на 1 км пробега определяются по формуле: Всп1км (
Vспi ) Ц сп , руб/км, L зспi
(6)
где Vспi – объем заправки специального масла для автобуса i-й марки при его замене, л; Lзспi – периодичность замены специального масла автобуса i-й марки, км; Ц сп – цена 1 литра специального масла, руб. 4. Затраты на пластичную смазку на 1 км пробега определяются по формуле: Впл1км (
mплi ) Ц пл , руб/км, Lзплi
(7)
где mплi – необходимое количество пластической смазки для автобуса i-й марки, кг; Lзплi – периодичность замены (пополнения) пластической смазки автобуса i-й марки, км; ISSN 1990-7796. Вести Автомобильно-дорожного института = Bulletin of the Automobile and Highway Institute, 2017. № 2(21) Сайт http:// vestnik.adidonntu.ru
6
Ц пл – цена 1 кг пластической смазки, руб. Сведения об объемах заправки смазочных материалов, периодичности их замены и расходе моторного масла на угар рекомендуется использовать из руководства по эксплуатации транспортных средств (химмотологической карты).
ISSN 1990-7796. Вести Автомобильно-дорожного института = Bulletin of the Automobile and Highway Institute, 2017. № 2(21) Сайт http:// vestnik.adidonntu.ru
7 Для подтверждения целесообразности предлагаемого методического подхода определим величины затрат на смазочные материалы для различных марок автобусов по существующей методике [1–3] и нормам [6, 7] (таблица 1), а также по предлагаемой методике, и рекомендациям руководств по эксплуатации транспортных средств [8–14] (таблица 2). При этом делаем предположение, что в качестве смазочных материалов для автобусов используются одинаковые и относительно недорогие их сорта и марки: моторное масло – ЛУКОЙЛ Люкс (240 руб. за 1 л); трансмиссионное масло – ЛУКОЙЛ ТМ-4 80W85 (132 руб. за 1 л); специальное масло – ЛУКОЙЛ Масло веретенное АУ (50 руб. за 1 л); пластическая смазка – ЦИАТИМ-201 (65 руб. за 1 кг). Средний расход моторного масла на угар принимаем в размере 1 л на 1000 км. Анализ величины затрат на смазочные материалы для различных марок автобусов, приведенных в таблицах 1 и 2, позволяет сделать вывод о том, что затраты на смазочные материалы, определяемые по существующей методике и нормам, значительно превышают затраты, определяемые по предлагаемой методике. Так, затраты на моторное масло, в среднем по маркам автобусов, определенные по существующей методике, превышают затраты, определенные по предлагаемой – в 3,7 раза, затраты на трансмиссионное масло – в 3,9 раза, на специальное масло – в 4,5 раза, на пластическую смазку – в 14,5 раз. Если представить расход смазочных материалов в натуральных единицах (таблица 3), то, например, для автобуса ПАЗ-320302, согласно существующей методике и нормам расхода моторного масла, необходимо при замене 76,8 л, согласно предлагаемой методике и рекомендациям руководств по эксплуатации автобусов – 21,6 л, трансмиссионного масла – 43,7 л и 21,6 л, специального масла – 30 л и 11 л, пластической смазки – 9,1 кг и 0,8 кг. Получаемый «перерасход» смазочных материалов отображается в тарифах на перевозку пассажиров и делает их необоснованно завышенными. Все это дает нам основание считать, что предлагаемый методический подход является целесообразным. Таблица 3 – Расчет расходов смазочных материалов для различных марок автобусов
специального масла
пластической смазки
моторного масла
трансмиссионного масла
специального масла
пластической смазки
ПАЗ-320302 ПАЗ-32053 МАЗ-103 МАЗ-107 ЛАЗ-695Е НЕФАЗ ЛиАЗ-5256.45 ЛиАЗ-621321 Богдан А-091 Богдан А-092 Всего
трансмиссионного масла
Марка автобуса
Расход при пробеге до замены по предлагаемой методике, л (кг)
моторного масла
Расход при пробеге до замены по существующей методике, л (кг)
76,8 64 112 129 75,4 113 67 480 63 63 –
43,7 35,2 90 108 16,6 80 114 330 34,8 34,8 –
30 22 46,8 54 3,8 11,5 14,7 82,5 8,8 8,8 –
9,1 6,6 12 13 29,4 17,5 7 51 13 13 –
21,6 20 39 39 18,4 38 28 57 21 23 –
11,2 11,0 28,8 28,8 18,6 22,1 42,5 34,0 7,5 9,6 –
2 2 22,8 27,8 1,2 7,0 10,3 43,5 1,9 3,8 –
0,8 0,5 1,7 0,7 5,0 1,6 1,2 0,7 1,8 1,7 –
Выводы Получило дальнейшее развитие обоснование методического подхода к определению затрат на смазочные материалы при расчете тарифов на перевозку пассажиров автомобильным транспортом. Предлагаемый методический подход позволяет более точно определять ISSN 1990-7796. Вести Автомобильно-дорожного института = Bulletin of the Automobile and Highway Institute, 2017. № 2(21) Сайт http:// vestnik.adidonntu.ru
8 величину затрат на смазочные материалы, а следовательно, устанавливать обоснованные тарифы на транспортные услуги, обеспечивающие перевозчикам высокий уровень конкурентоспособности, положительные финансовые результаты и экономическую независимость, а потребителям транспортной услуги – ощущение справедливости в назначении тарифов. Список литературы 1. Методические рекомендации расчета тарифов на оказание услуг пассажирского автомобильного транспорта и городского электротранспорта (трамвай, троллейбус) [Электронный ресурс] : приказ Министерства транспорта ДНР от 5 мая 2015 г. № 140 // Официальный интернет-ресурс Министерства транспорта ДНР. ‒ Режим доступа : http://donmintrans.ru/page-docs . 2. Про затвердження Методики розрахунку тарифів на послуги пасажирського автомобільного транспорту [Електронний ресурс] : наказ Міністерства транспорту та зв'язку України № 1175 від 17 листопада 2009 р. // Законодавство України. Інформаційний портал. ‒ Режим доступу : http://zakon4.rada.gov.ua/laws/show/z1146-09 . 3. Об утверждении Методологии расчета тарифов на услуги по перевозке пассажиров и багажа автомобильным транспортом [Электронный ресурс] : постановление правительства Республики Молдова от 29 октября 2007 г. № 1167 // Законодательство стран СНГ. Информационный портал. ‒ Режим доступа : http://base.spinform.ru/show_doc.fwx?rgn=22284 . 4. О введении в действие Методических рекомендаций по расчету экономически обоснованной стоимости перевозки пассажиров и багажа в городском и пригородном сообщении автомобильным и городским наземным электрическим транспортом общего пользования [Электронный ресурс] : распоряжение Министерства транспорта Российской Федерации от 18 апреля 2013 г. № НА-37-р // Официальный интернет-ресурс Министерства транспорта Российской Федерации. ‒ Режим доступа : http://www.mintrans.ru/documents/151/ ?SECTION_ ID=151&PAGEN_1=31#document_20142 . 5. Об утверждении Методики расчета тарифов на оказание услуг по перевозке пассажиров и багажа по регулярным маршрутам [Электронный ресурс] : приказ Министра транспорта и коммуникаций Республики Казахстан от 13 октября 2011 г. № 614 // Республиканский центр правовой информации Министерства юстиции Республики Казахстан. ‒ Режим доступа : http://adilet.zan.kz/rus/docs/V1100007297 . 6. Об утверждении Норм расхода топлива и смазочных материалов на автомобильном транспорте [Электронный ресурс] : приказ Министерства транспорта Донецкой Народной Республики от 5 мая 2015 г. № 141 // Официальный сайт Донецкой Народной Республики. ‒ Режим доступа : http://old.dnr-online.ru/ wp-content/uploads/2015/08/PrikazMinTrans_N141_05052015.pdf . 7. О введении в действие методических рекомендаций «Нормы расхода топлив и смазочных материалов на автомобильном транспорте» [Электронный ресурс] : распоряжение Министерства транспорта Российской Федерации от 14 марта 2008 г. № АМ-23-р // Официальный интернет-ресурс Министерства транспорта Российской Федерации. ‒ Режим доступа : http://mintrans.ru/documents/detail.php? ELEMENT_ID=10208. 8. Автобус ПАЗ-32053-11, ПАЗ-320302-11. Руководство по эксплуатации : 320302-11-3902010 РЭ. ‒ Павловск : ОАО «Павловский автобусный завод», 2015. ‒ 92 с. 9. Автобус МАЗ-103, МАЗ-107. Руководство по эксплуатации : 103003-0000020 РЭ. ‒ Минск : ОАО «Минский автобусный завод», 2015. ‒ 208 с. 10. Автобусы ЛАЗ / К. М. Атоян [и др.]. ‒ М. : Транспорт, 1971. ‒ 280 с. 11. Руководство по эксплуатации автобусов НЕФАЗ [Электронный ресурс]. ‒ Режим доступа : http://www.trakbus.ru/ruk/nefaz.html . 12. Автобус ЛИАЗ-5256 и его модификации. Руководство по эксплуатации / В. В. Демкин [и др.] ; под. общ. ред. В. В. Степаненко. ‒ М. : Атласы автомобилей, 2001. ‒ 512 с. 13. Автобус ЛИАЗ-621321. Руководство по эксплуатации . ‒ Ликино : ООО «Ликинский автобусный завод», 2011. ‒ 401 с. 14. Богдан А-064/А-091/А-09201/А-09202/А-09211/А-09212/А-092КВ/А-92Н/А-30141/А-301.71/А-301.72/С09211/А-092/А-0921. Дизельные двигатели : 4.4/4.6/4.8 л. Руководство по ремонту и эксплуатации. Каталог деталей и сборочных едениц. Цветные электросхемы. ‒ Днепропетровск : Монолит, 2009. ‒ 370 с.
ISSN 1990-7796. Вести Автомобильно-дорожного института = Bulletin of the Automobile and Highway Institute, 2017. № 2(21) Сайт http:// vestnik.adidonntu.ru
9 С. А. Легкий Автомобильно-дорожный институт ГОУВПО «Донецкий национальный технический университет», г. Горловка Усовершенствование методики определения затрат на смазочные материалы при расчете тарифов на перевозку пассажиров автомобильным транспортом Актуальность изучения проблемы определения затрат на смазочные материалы при расчете тарифов на перевозку пассажиров автомобильным транспортом обусловлена тем, что в современных рыночных условиях установление экономически обоснованных тарифов является предпосылкой обеспечения выживаемости предприятий автомобильного транспорта, повышения их конкурентоспособности и положительных финансовых результатов. Анализ последних исследований и публикаций показал, что на данное время в Донецкой Народной Республике, Украине, Молдавии, России и Казахстане нет единого подхода к определению затрат на смазочные материалы при расчете тарифов на перевозку пассажиров автомобильным транспортом. В Донецкой Народной Республике и Украине затраты на смазочные материалы рассчитываются пропорционально расходу топлива в литрах, в России и Казахстане – пропорционально затратам топлива в денежном эквиваленте. Недостатками таких подходов является то, что они не учитывают реальный расход смазочных материалов во время эксплуатации транспортных средств, тип применяемых масел, техническое состояние двигателя, качество сборки автомобилей, материалы, из которых изготовлены детали и т. д. На основе анализа существующих подходов к определению затрат на смазочные материалы и теоретических обобщений разработан методический подход к определению затрат на смазочные материалы при расчете тарифов на перевозку пассажиров автомобильным транспортом. При этом в основе расчета затрат на смазочные материалы лежат объемы их заправки и периодичность замены. При расчете затрат на моторное масло дополнительно учитывается его расход на угар в цилиндрах двигателей. Целесообразность предлагаемого методического подхода подкреплена анализом затрат на смазочные материалы, определенных по существующей и по предлагаемой методике. Этот анализ показал, что при использовании существующей методики имеет место значительный «перерасход» смазочных материалов, который отображается в тарифах на перевозку пассажиров и делает их необоснованно завышенными. Предлагаемый методический подход позволяет более точно определять величину затрат на смазочные материалы, и, следовательно, устанавливать тарифы на транспортные услуги, обеспечивающие перевозчикам высокий уровень конкурентоспособности, положительные финансовые результаты и экономическую независимость, а потребителям транспортной услуги – ощущение справедливости в назначении тарифов. Мы предлагаем определять затраты на смазочные материалы на основе объемов заправки и периодичности их замены согласно рекомендациям заводов-изготовителей. Разработанная методика затрат на смазочные материалы может быть использована для определения этих затрат для других видов транспорта. АВТОМОБИЛЬНЫЙ ТРАНСПОРТ, ПЕРЕВОЗКА ПАССАЖИРОВ, ТАРИФЫ, МЕТОДИКА, ЗАТРАТЫ, МАТЕРИАЛЫ СМАЗОЧНЫЕ
S. А. Legkiy Automobile and Highway Institute of Donetsk National Technical University, Gorlovka Technique Improvement of the Lubricant Cost Measurement at the Rate Making on Passenger Transportation by Automobile Transport The actuality of the problem studying of the lubricant cost measurement at the rate making on passenger transportation by automobile transport is caused by the fact that under present-day market conditions economically sound rates making is the prerequisite of the automobile transport enterprises survivability, their competitiveness increase and positive financial performance. The analysis of recent researches and publications showed that now there is no unified approach to the lubricant cost measurement at the rate making on passenger transportation by automobile transport in Donetsk Peoples’ Republic, Ukraine, Moldova, Russia and Kazakhstan. In Donetsk Peoples’ Republic and Ukraine lubricant costs are measured in proportion to fuel consumption in liters, in Russia and Kazakhstan - in proportion to fuel consumption in in money terms. Disadvantage of these approaches is that they do not include real lubricant costs during vehicle operation, used oil type, engine technical state, car assembly quality, parts materials, etc. On the basis of the analysis of existing approaches to the lubricant cost measurement and theoretical generalizations technical approach to the lubricant cost measurement at the rate making on passenger transportation by automobile transport is developed. Herewith the basis of the lubricant cost measurement is its filling volumes and change intervals. At motor oil cost measurement its consumption on the waste in the engine cylinders is additionally taken into account. Appropriateness of suggested technical approach is corroborated by lubricant cost analysis determined by existing and suggested techniques. This analysis showed that significant excessive consumption of ISSN 1990-7796. Вести Автомобильно-дорожного института = Bulletin of the Automobile and Highway Institute, 2017. № 2(21) Сайт http:// vestnik.adidonntu.ru
10 lubricants occurs while using existing technique. It is reflected in rates on passenger transportation and makes them unreasonably overstated. Suggested technical approach allows to measure more accurately lubricate costs and consequently to fix rates on transport services providing high level of competitiveness, positive financial performance and economic independence to carriers and sense of fairness in rate fixing to customers of the transport service. We suggest to measure lubricant costs on the basis of filling volumes and intervals of their change according to recommendations of manufacturers. Developed technique of lubricant costs can be used to measure these costs for other modes of transport. AUTOMOBILE TRANSPORT, PASSENGER TRANSPORTATION, RATES, TECHNIQUE, COSTS, LUBRICANTS Сведения об авторе С. А. Легкий SPIN-код: SCOPUS ORCID ID: Телефон: Эл. почта:
6047-7196 0000-0003-0049-578X +380 (66) 902-00-57 LegkiySA@mail.ru Статья поступила 08.06.2016 © С. А. Легкий, 2017 Рецензент: Н. А. Селезнева, канд. техн. наук, доц. АДИ ГОУВПО «ДонНТУ»
ISSN 1990-7796. Вести Автомобильно-дорожного института = Bulletin of the Automobile and Highway Institute, 2017. № 2(21) Сайт http:// vestnik.adidonntu.ru
11 УДК 539.22:541.1:620.1 А. П. Карпинец, канд. хим. наук Автомобильно-дорожный институт ГОУВПО «Донецкий национальный технический университет», г. Горловка ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ НАНОМАТЕРИАЛОВ И НАНОТЕХНОЛОГИЙ НА АВТОМОБИЛЬНОМ ТРАНСПОРТЕ И В ЕГО ИНФРАСТРУКТУРЕ Обобщен зарубежный опыт использования нанотехнологий и наноматериалов в автомобилестроении, на транспорте и в его инфраструктуре. Проанализированы проблемы и перспективы применения наноструктур в производстве конструкционных материалов, катализаторов топлив для двигателей, безразборного сервиса автомобилей. Обсуждены принципы конструирования наномашин, топливных элементов электромобилей, сенсоров для экомониторинга токсикантов. Ключевые слова: нанотехнологии, автомобильный транспорт, наноматериалы, наноустройства
Введение Развитие нанотехнологий мировым сообществом ученых признано самым перспективным направлением ХХI века. Сущность нанотехнологии состоит в способности работать на атомном, молекулярном и надмолекулярном уровнях (в интервале размеров 1100 нм) для того, чтобы создавать, обрабатывать и использовать материалы, устройства и системы, которые обладают новыми свойствами и функциональными возможностями благодаря малому размеру элементов их структуры [1]. В результате нанотехнология стимулирует развитие принципиально новой концепции производственной деятельности, а именно «снизу-вверх» от отдельных атомов к изделию, а не «сверху-вниз», как традиционные технологии, в которых изделия получают путем отсечения излишнего материала от более массивной заготовки. В настоящее время развитие нанотехнологий осуществляется по следующим основным направлениям [2]: элементы наноэлектроники и нанофотоники (полупроводниковые транзисторы и лазеры, солнечные элементы, фотодетекторы, различные сенсоры); устройства сверхплотной записи информации; телекоммуникационные, информационные и вычислительные технологии, суперкомпьютеры; молекулярные электронные устройства и нанолитография; видеотехника (плоские экраны, видеопроекторы, мониторы); устройства микро- и наномеханики (молекулярные мониторы, наномоторы и нанороботы); топливные элементы и устройства хранения энергии; устройства аэрокосмического и оборонного назначения; нанохимия и катализ (в том числе управление процессом горения, нанесение покрытий, фармацевтика); устройства мониторинга, а в перспективе и защиты окружающей среды; клиническая и медицинская диагностика; создание искусственных органов и тканей, имплантация живых органов. В итоге нанотехнологии объединяют наноразмерные структуры и создают материалы, которые можно эффективно использовать в большинстве отраслей промышленности и транспорта. Если в электронике, аэрокосмической технике и оборонной промышленности ISSN 1990-7796. Вести Автомобильно-дорожного института = Bulletin of the Automobile and Highway Institute, 2017. № 2(21) Сайт http:// vestnik.adidonntu.ru
12 нанотехнологии уже нашли реальное применение [3, 4], то в сфере автомобильного транспорта (АТР) и его инфраструктуры довольно значимые научные и инженерные разработки для оценки их технического инновационного потенциала начаты лишь в последние годы. Информация о них, как правило, фрагментарна и разрознена, не всегда открыта, что в определенной мере затрудняет систематизацию и обобщение полученных результатов. Цель данной работы – анализ современных достижений, тенденций, проблем и перспектив применения нанотехнологий и наноматериалов на АТР и его инфраструктуре. Основной материал исследования В настоящее время нанотехнологии определяют темпы развития научно-технического прогресса на АТР и в его инфраструктуре в следующих основных сферах: новые конструкционные материалы автомобилестроения с заранее заданным комплексом физико-химических и эксплуатационных свойств; нанокомпозитные покрытия для снижения трения и защиты от коррозии различных систем, деталей, узлов и агрегатов автомобилей; нанокатализаторы в производстве и применении моторных топлив и масел; безразборный сервис автомобилей; сенсоры для анализа токсикантов в отработавших газах (ОГ) двигателей внутреннего сгорания (ДВС); топливные элементы электромобилей; современная наносенсорика для обеспечения безопасности движения автомобилей; теоретические основы создания нанодвигателей и наномашин. В данной статье рассматриваются теоретические и прикладные аспекты указанных проблем, причем основное внимание уделено анализу тех направлений, где наиболее четко выявились результаты и перспективы, основанные на достижениях нанотехнологий. Механическое упрочнение композитов армированием наночастицами и наноструктурами 1. Высокопрочные материалы на основе углеродных нанотрубок и наноструктур Интересно отметить, что катализатором развития нанотехнологий стали два фундаментальных достижения науки XXI столетия – открытие низкоразмерных углеродных наночастиц (фуллеренов и трубок), а также создание сканирующего электронного микроскопа [5]. Выявлена специфическая особенность этих наночастиц – способность к глубоким качественным изменениям всего спектра физико-химических свойств при минимальных вариациях их атомно-структурных параметров. Открылись широкие возможности синтеза новых, нередко не известных ранее материалов химически чистых, структурно упорядоченных, ориентированных, легированных и композитных с рекордными характеристиками и уникальными свойствами, перспективными для инновационных приложений в самых различных областях науки и техники, в том числе в автомобилестроении. На основе фуллеренов созданы соединения, по объемному модулю упругости и твердости превосходящие алмазы [6]. Сверхтвердые материалы синтезировали из фуллеренов С60, С70 при давлении до 13 ГПа и температуре до 1600° С. Перспективные в автомобилестроении композиты получают также при заполнении фуллеренами С 60, С70 углеродных нанотрубок [7]. Важное прикладное значение, кроме фуллеренов, приобретают наноразмерные углеродные трубки (УНТ), которым присущи аномально высокие показатели прочностных и упругих свойств. Предел прочности на разрыв УНТ в 22,5 раза выше, чем у стали, а модуль упругости Юнга в 68 раз больше, чем у сплава [1]. Подразумевается, что нанотрубка очень ISSN 1990-7796. Вести Автомобильно-дорожного института = Bulletin of the Automobile and Highway Institute, 2017. № 2(21) Сайт http:// vestnik.adidonntu.ru
13 жесткая и трудно сгибаемая. Однако, это не совсем так из-за того, что трубка очень тонкая – толщина стенки примерно 0,34 нм [5]. УНТ очень упруга при изгибе, она гнется, как соломинка, но при этом не ломается и распрямляется без повреждений. Большинство материалов, как известно [8], ломаются при изгибе из-за наличия дефектов – таких как дислокация и границы зерен. Поскольку стенки УНТ имеют мало структурных дефектов, этого не происходит. Кроме того, углеродные кольца стенок в виде почти правильных шестиугольников при деформации меняют свою структуру и не разрываются [5]. 2. Армирование металлов и полимеров УНТ Вследствие высокой прочности на разрыв и большого отношения длина/диаметр УНТ оказались перспективным материалом для упрочнения композитов [9]. В исследовательском центре корпорации General Motors обнаружено [1], что добавка 11,5 % масс многослойных УНТ к полипропилену, который широко используется как конструкционный материал в автомобилестроении, приводит к удвоению его прочности на разрыв. Ученые Токийского университета установили [2], что введение 5 % нанотрубок в алюминий увеличивает прочность материала на разрыв вдвое. При оптимальном содержании трубок в компаунде 10 % этот показатель возрастает в 6 раз. Обнаружено [9], что УНТ образуют прочные химические связи с железом; при введении в сталь 30 % однослойных УНТ диаметром 10 нм и длиной 100 микрон ее прочность увеличивается в 7 раз. Компаунд УНТ с найлоном, синтезированный в компании Hyperion Catalysis, эффективно используется в топливной системе автомобиля для защиты от статического электричества [2]. Для изготовления уплотнительных колец этой системы специалисты концерна Toyota разработали композит фторполимера с УНТ [10]. Несмотря на то, что эти результаты выглядят многообещающими, предстоит решить ряд проблем экспериментального характера, в частности в области масштабного недорогого способа производства нанотрубок и разработки методов их введения в металлы и пластики. По прогнозам американских ученых [7], наиболее перспективным представляется армирование наночастицами и наноструктурами полимерных материалов для замены металлических элементов автомобильных конструкций. Широкое применение таких нанокомпозитов приведет к снижению потребления бензина только в США на 1,5 млрд л и одновременному уменьшению выбросов диоксида углерода более чем на 5 млн т в год. В России разработан новый вид покрытия – «жидкая броня», который используется для усиления защиты автомобилей [11]. Покрытие представляет собой гель из твердых наночастиц и жидкого наполнителя. Резкий удар, попадание осколка или пули заставляет частицы мгновенно связываться друг с другом, превращая гель в твердый композит и препятствуя проникновению инородного тела в глубь структуры. 3. Графен: его реализованные и потенциальные возможности Открытие графена (А. К. Гейм, К. С. Новоселов, школа физики и астрономии университета Манчестера, Нобелевская премия по физике 2010 года), несомненно является нанотехнологическим прорывом. Графен – это первый представитель двумерных атомных кристаллов, свойства которых в термодинамическом плане существенно отличаются от свойств трехмерных объектов [12]. Его можно рассматривать как гигантскую молекулу, пригодную для химической модификации и перспективную с точки зрения инновационных приложений, использующихся от электроники до композитных материалов, в том числе в автомобилестроении. Графену присущи уникальные свойства, каждое из которых превосходит таковые у материалов-конкурентов. На сегодняшний день это самый прочный материал на Земле (его прочность в 200 раз выше, чем у стали [13]), очень упругий, непроницаемый для других молекул. Графен очень хорошо проводит электрический ток и тепло, прозрачен, эластичен. ISSN 1990-7796. Вести Автомобильно-дорожного института = Bulletin of the Automobile and Highway Institute, 2017. № 2(21) Сайт http:// vestnik.adidonntu.ru
14 Будучи прочнейшим и одновременно одним из самых жестких известных материалов (с модулем Юнга 1 ТПа), графен является идеальным кандидатом для армирования высококачественных композитов [12]. Его одноатомная толщина дает огромное преимущество: он не может расколоться, что придает ему максимально возможную прочность на изгиб. Высокое аспектное отношение (отношение поперечного размера к толщине) графена позволяет ему быть идеальным ограничителем распространения трещин [13]. Что же касается взаимодействия со связующим материалом – главной проблемой всех нанокомпозитных наполнителей типа УНТ – то химическая модификация поверхности или краев графена может значительно усилить его адгезию к полимеру [12]. С участием графена удается решать и проблему синтеза сверхлегких материалов. Ученые университета Цжэцзя (Китай) создали самый легкий материал – аэрогель плотностью 0,16 мг/см3 [10]. При этом 1 г графенового аэрогеля способен сорбировать до 68,8 г вещества, нерастворимого в воде. Последнее обстоятельство актуально для связывания и дезактивации различных токсикантов, в том числе обусловленных АТР. Нанокатализаторы в производстве и применении автомобильных топлив Нанокатализаторы, как известно [14], сочетают в себе преимущества традиционных инициирующих систем и наноматериалов и отличаются высокими показателями активности, селективности и стабильности. При этом рекордная эффективность катализаторов обусловлена уникальностью процессов переноса и распределения полей, энергии, массы и информации, которые происходят при наноструктурировании и химических реакциях в наносистемах, а также спецификой морфологии и энергии развитых поверхностей наночастиц [5]. Несмотря на то, что наночастицы сами могут использоваться как наноскопические катализаторы, нанотехнология предлагает совершенно новые средства и системы. Так, начиная с работ Mobil Corporation, возник огромный интерес к применению для направленного катализа в нефтепереработке структур, названных цеолитами [15]. Цеолиты часто называют молекулярными ситами, поскольку их физические размеры позволяют им просеивать молекулы. По своей структуре они похожи на наноскопические галереи или залы, которые связаны нанотуннелями или порами, образованными в твердом теле. При этом частицы инициатора находятся в галереях кристалла цеолита. Комбинация контролируемой химической активности частиц-катализаторов с физическими ограничениями размеров галерей и пор обеспечивает выделение углеводородов строго определенного строения и состава [16]. Синтезированы материалы для цеолитных катализаторов с размером пор в диапазоне 1 нм. Годовой оборот с их применением только в нефтепереработке США превышает 30 млрд долларов [1]. Рассмотрим специфику применения нанокатализаторов в автомобильных топливах. По оценкам российских ученых, наличие нанокаталитических аддитивов (присадок) в бензинах и дизельных топливах существенно снижает образование различных загрязнений и отложений в системах подачи топлива, впускных и выпускных устройствах, в камерах сгорания, в каталитических нейтрализаторах ОГ и в целом благоприятствует улучшению экологических, энергетических и ресурсных характеристик двигателей [17]. Специалисты компании ЗАО «Институт прикладной нанотехнологии» (Россия) предложили новый оригинальный метод снижения эмиссии токсикантов с ОГ ДВС [17]. Эффект достигается за счет использования растворимых в моторном топливе производных карбамида вместе с наноразмерными (13–43 нм) частицами диоксида церия (СеО2). Технология, получившая название Urea & NanoCatalyst in Fuel Technology, не требует модернизации конструкции системы подачи топлива двигателя и изменений в технологии заправки им на АЗС. Разработанный авторами [17] нанокаталитический аддитив FaberOx ТМ вводится непосредственно в моторное топливо любого типа и обеспечивает понижение температуры оптимального сгорания. Аддитив повышает энергетическую и эксплуатационную эффективность ISSN 1990-7796. Вести Автомобильно-дорожного института = Bulletin of the Automobile and Highway Institute, 2017. № 2(21) Сайт http:// vestnik.adidonntu.ru
15 работы ДВС, снижает образование отложений в камере сгорания и выпускной системе, сокращает расход топлива, уменьшает эмиссию вредных веществ с ОГ. На основе FaberOx ТМ и других химических композиций разработаны [18] препараты автомобильной химии – функциональные добавки к бензинам и дизельным топливам: нанотюнинг топлива – добавка к бензину для любителей спортивного стиля езды – способствует увеличению мощности двигателя, снижению расхода топлива и токсичности выхлопа, очищает топливную систему и стабилизирует ее работу в целом; наноочиститель инжекторов бензинового двигателя – очищает систему подачи топлива от отложений и нагара, способствует удалению губчатых образований с впускных клапанов и нагара со стенок камеры сгорания; облегчает запуск и хорошую приемистость двигателя, снижает износ и коррозию деталей, обеспечивает более «чистое» горение бензина – уменьшает его расход и токсичность выхлопа; наноочиститель форсунок дизеля – обеспечивает очистку распылителей, топливной аппаратуры и стенок камеры сгорания от углеродистых отложений и нагара; благоприятствует легкому запуску двигателя, восстановлению распыла топлива и мощности дизеля, снижению износа, уменьшению расхода топлива и токсичности выхлопа; наноочиститель каталитического нейтрализатора – очищает нейтрализаторы выхлопных газов бензиновых двигателей, электроды кислородного датчика (λ-зонда); способствует улучшению приемистости двигателя, снижению расхода топлива и токсичности ОГ, увеличению срока службы нейтрализатора. Применение нанотехнологий в устройствах топливных элементов электромобилей 1. Устройство и принцип работы топливного элемента (ТЭ) Схема наиболее изученного и распространенного водородно-кислородного ТЭ со щелочным электролитом такова [19]:
(–)А КОН К + . Оба электрода (катод и анод) изготовлены из мелкодисперсных порошков угля и катализатора – металла платиновой группы. Для увеличения поверхности им придают пористую структуру. К аноду подается топливо – водород (восстановитель), окисляющийся до воды, а к катоду подводится окислитель – кислород, который восстанавливается до ОН¯-ионов. Электродные и токообразующие процессы описываются уравнениями:
(–)А: 2Н 2 – 4е + 4ОН¯ = 4Н 2О ,
+ К: О2 + 4е + 2Н 2О = 4ОН¯, Σ 2Н 2 + О2 = 2Н 2О.
(1)
(2) (3)
По внешней цепи от анода к катоду перемещаются электроны, по внутренней (3040 %-ный раствор КОН) – в противоположном направлении ОН¯ -ионы. В итоге в рассматриваемом ТЭ химическая энергия реакции окисления водорода (3) непосредственно превращается в электрическую. Однако, если химическая реакция сгорания Н 2 с образованием воды протекает крайне медленно из-за высокой энергии активации [15], то в ТЭ этот барьер снижается катализаторами, которые наносятся на электроды (явление электрокатализа). Для увеличения напряжения и тока ТЭ соединяют в батареи. Установки, состоящие из батарей ТЭ, емкостей для хранения и обработки топлива и окислителя, систем подвода – отвода реагентов, поддержания и регулирования температуры в элементах, а также преобразования тока и напряжения называют электрохимическими энергоустановками. Они имеют высокий КПД (60–70 %), не загрязняют окружающую среду, обеспечивают космический корабль и орбитальные космические станции не только электроэнергией, но и водой – продукISSN 1990-7796. Вести Автомобильно-дорожного института = Bulletin of the Automobile and Highway Institute, 2017. № 2(21) Сайт http:// vestnik.adidonntu.ru
16 том реакции (3). ТЭ широко используются также в оборонной промышленности. Масштабное применение их на автомобильном транспорте позволило бы кардинально решать его экологические проблемы. 2. Проблемы и перспективы Характерно, что в настоящее время разработкой и производством электромобилей активно занимаются ведущие автомобильные концерны США, Китая, Японии и Южной Кореи. Общеевропейская стратегия автомобилестроения также нацелена на расширение выпуска электромобилей [3]. Для широкого использования батарей ТЭ на автомобильном транспорте необходимо решить две основные проблемы: а) произвести замену дорогостоящих материалов – катализаторов электродов на более дешевые; б) обеспечить безопасное хранение водорода. Принцип действия автомобильных двигателей, работающих на водороде, известен давно [2]: Н2 смешивается с О2 в специальных камерах – батареях, содержащих другие вещества. В результате реакции (3) генерируется электрическая энергия, которая и питает двигатель. Данная технология применяется в промышленности, но ее основной недостаток дороговизна (обязательный элемент нынешних водородных батарей – платина). Попытки использовать другие металлы и сплавы не давали результата. Батареи оказывались недолговечными и нуждались в быстрой замене, что делало эксплуатацию таких двигателей крайне неудобной [11]. С применением платиновых электродов крупнейшие автомобилестроительные компании ведут собственные разработки водородных двигателей. Концерн Hyundai объявил о том, что вскоре начнет пробные продажи своей популярной модели ix35 с двигателем на Н 2. Toyota представила на Международном салоне в Токио концепт-кар с водородным двигателем, Daimler и Volkswagen планируют это сделать в 20162017 гг. Но даже руководство этих компаний признает, что такие автомобили будут очень дорогими и не уверенно в их коммерческом успехе. В конце 2013 года небольшая британская фирма Acal Energy заявила об изобретении, способном произвести прорыв в мировой автомобилестроительной промышленности. Платину удалось заменить жидким раствором солей металлов. Это значительно удешевляет двигатели от Acal Energy. Замену батарей нужно проводить ненамного чаще, чем смену обычных аккумуляторов. На одной водородной заправке автомобиль в зависимости от мощности двигателя способен проехать от 450 до 650 километров [20]. Фирма Acal Energy намерена запатентовать изобретение и продать его крупным автомобильным компаниям. По прогнозам специалистов фирмы, массовая продажа машин с водородными двигателями начнется с 2020 года, когда будет внедрена разработанная ими технология и создана сеть специальных заправочных станций. Вторую важную проблему применения ТЭ на АТР – обеспечение безопасного хранения Н2 – удается решить с помощью нанотехнологий. Один из способов эффективного и надежного хранения Н2 – заполнение им УНТ. Для этой цели используется несложная электрохимическая ячейка проведения электролиза водных растворов [1]. Катод состоит из листа одностенных нанотрубок, в качестве анода используют Ni OH 2 ; электролит – 6М раствор КОН. На катоде протекает разряд молекул воды по уравнению
2Н 2О + 2e = Н 2 + 2ОН¯ ,
(4)
а выделяющийся электролитически чистый водород заполняет УНТ. Концентрацию связанного в трубках газа оценивают по уменьшению интенсивности спектра комбинационного рассеяния света нанотрубок с максимумом ν 2667 см-1 [3]. При изучении адсорбционных явлений, протекающих на границе раздела УНТ-Н2, установлено [21], что адсорбция газа при комнатной температуре и его давлении 100 атм достигает 4,2 % масс., что отвечает атомному соотношению Н/С 0,52, причем в течение первоISSN 1990-7796. Вести Автомобильно-дорожного института = Bulletin of the Automobile and Highway Institute, 2017. № 2(21) Сайт http:// vestnik.adidonntu.ru
17 го часа поглощается до 70 % Н2. В процессе десорбции около 80 % адсорбированного газа освобождается воспроизводимым образом при атмосферном давлении и комнатной температуре. Эти данные свидетельствуют о высокой эффективности применения одностенных УНТ в качестве емкой накопительной среды для водорода. Более значимые результаты получены при использовании жгутов одностенных нанотрубок [21]. Диаметр жгутов составляет 6–12 нм. Для разрыхления плотной структуры, их в течение 10 часов подвергали ультразвуковой обработке. Полученный таким методом материал обладал удельной поверхностью 285 м 2/г. Максимальная степень заполнения достигалась при 80 К и давлении 0,5 атм и составила 8,5 % масс. Это рекордный результат для всех углеродных материалов, применяющихся в настоящее время для хранения Н 2. Нанотехнологии в развитии безразборного сервиса автомобилей Известно [11], что потери энергии на автомобильном транспорте вследствие трения деталей двигателей составляют до 15 % от всех потерь, а поскольку только в странах ЕС 30 % энергетических затрат приходится на автотранспорт, важность решения трибологических проблем становится очевидной. Совместное использование теоретических исследований и практических достижений трибологии и нанотехнологии позволяет применять трение не как разрушительное явление природы, а как самоорганизующийся созидательный процесс, в том числе для безразборного восстановления агрегатов и узлов автомобильной техники в процессе их непрерывной эксплуатации [18]. Теоретическими предпосылками безразборного сервиса явились исследования в теории самоорганизации и диссипативных структур И. Р. Пригожина [22]. В прикладном плане он базируется на научных открытиях российских ученых явление избирательного переноса при трении: эффект безызносности (Д. Н. Гаркунов, И. В. Крагельский), эффект пластифицирования поверхностей трения в присутствии поверхностно-активных веществ (П. А. Ребиндер и его ученики) и др. [18]. В настоящее время к нанотехнологическим препаратам автохимии для применения в качестве присадок и добавок к смазочным материалам автомобильной техники относятся следующие разработки [23]: 1. Приработочные препараты на основе наноалмазов (Lubrifilm Diamond Run In, Fenom Nanodiamond Green Run и др.). Входящие в состав присадок наноалмазы диаметром 4–6 нм и кластерный углерод структурируют масляную пленку, увеличивают ее динамическую прочность, упрочняют кристаллическую решетку металла, формируют новые поверхности трения, уменьшая граничное трение и износ, в особенности при больших нагрузках и дефиците смазочного материала. В итоге сокращается время обкатки и оптимизируется качество трущихся соединений, улучшается работа двигателя, снижается расход топлива и масла, а также концентрация токсикантов в ОГ. 2. Кондиционеры металла (Energy Release, SMT2 и др.) в результате трибохимических реакций образуют защитный граничный слой толщиной 20–40 нм, который приобретает пластичные и упругие свойства, антифрикционные качества и одновременно стойкость к высоким нагрузкам. 3. Рекондиционеры (Oil Chap, Tensai), созданные с применением золь-гель технологии. Полимолекулярная система препаратов, включающая в себя наноразмерные кластеры органических соединений, структурирует граничную масляную пленку и увеличивает адгезию масла к металлу. 4. Реметаллизанты или восстановительные присадки (Return Metal, Renom Engine NanoGuard и др.) содержат маслорастворимые или порошкообразные металлоорганические соединения, реализуют трибохимический «ионный» механизм металлоплакирования поверхностей трения вследствие образования (восстановления) на них металлосодержащей, наноISSN 1990-7796. Вести Автомобильно-дорожного института = Bulletin of the Automobile and Highway Institute, 2017. № 2(21) Сайт http:// vestnik.adidonntu.ru
18 структурированной защитной пленки. Присадки способствуют «лечению» нано- и микродефектов поверхностей трения и восстановлению их работоспособности. 5. Геомодификаторы («геоактиваторы», ремонтно-восстановительные составы (РВСтехнология) или «ревитализанты») (FENOM nanotechnology, RVS, Forsan, XADO и др.) препараты автохимии на основе минералов естественного и искусственного происхождения (нано- и микроуровня). Попадая на поверхность трения вместе с маслом или пластичной смазкой, они инициируют процесс формирования металлокерамической наноразмерной структуры с высокой износостойкостью и малым коэффициентом трения. Рассмотренные нанотехнологические препараты автохимии обеспечивают целый комплекс самых разнообразных положительных характеристик. Они позволяют в 1,5–2 раза повысить износо- и задиростойкость деталей двигателей, трансмиссии и рулевого управления; на 5 % поднять мощность двигателя за счет повышения компрессии и снижения потерь на трение; сократить время и улучшить качество приработки поверхностей трения; повысить их межремонтный ресурс до 2 раз; снизить на 5–10 % расход топлива и смазочных материалов, уменьшить вдвое вредные выбросы в атмосферу [23]. Сенсоры в мониторинге отработавших газов ДВС Сенсор, как известно [19], представляет собой физическое устройство для идентификации и количественного определения нейтральных и ионизированных частиц органических и неорганических соединений. Основная составляющая сенсора – чувствительный слой, нанесенный на твердую подложку, который при контакте с определяемыми частицами субстрата подвергается изменению, т. е. сопровождается генерированием сигнала. Компонентами активного слоя служат оксиды и сульфиды металлов, электропроводящие полимеры, а также наноструктуры. Аналитические возможности для конструирования химических и электрохимических сенсорных (ЭХС) устройств с использованием наночастиц подробно описаны в работах [1, 14]. Нанокристаллы металлоорганических соединений платины проявляют высокую сенсорную активность на SO2 [24], а именно сернистый газ в основном образуется при сгорании неактивных соединений серы, содержащихся в бензинах. Суммарная концентрация сульфидов R – S – R, дисульфидов R – S – S – R и полисульфидов R – Sn – R (где R – yглеводородный радикал) согласно требований Евро-4 не должна превышать 30 ppm (млн1) [11], и каждый последующий стандарт снижает ее на целый порядок. В качестве лигандов комплексов указанных нанокристаллов используются и другие токсиканты: CO, CO2, NH3, H2S, NO, NO2, CL2 [24]. Эффективны газовые сенсоры на основе углеродных нанотрубок (УНТ) [3]: при их использовании происходит увеличение электропроводности на три порядка при экспонировании чувствительного слоя NO2 и уменьшение ее в 100 раз в присутствии паров NH3 [19]. УНТ применяют в качестве катода для создания сенсоров, основанных на ионизации определяемого газа [14]. Газ ионизируется в электрическом поле и идентифицируется по напряжению пробоя. Характерно, что сенсорные материалы на нанотрубках миниатюрны, имеют размеры в несколько квадратных микрометров, относительно недороги и могут использоваться для экомониторинга при комнатных температурах. Проблема селективности при идентификации компонентов сложных газовых смесей (а ОГ ДВС именно таковы) может быть успешно решена с участием графена – уже сейчас зафиксирована его высокая чувствительность и избирательность по отношению к NO2, СО, H2S, SO2 [12]. Перспективны предельно чувствительные газовые детекторы: графен, будучи поверхностью без объема, может обнаруживать присоединившиеся к нему единичные молекулы. Кроме того, исключительная механическая прочность и высокое кристаллическое совершенство позволяют использовать графен для создания идеальных газовых барьеров, в том числе для токсикантов, обусловленных АТР [13]. ISSN 1990-7796. Вести Автомобильно-дорожного института = Bulletin of the Automobile and Highway Institute, 2017. № 2(21) Сайт http:// vestnik.adidonntu.ru
19 Принципы конструирования наноустройств и наномашин В настоящее время проводятся интенсивные исследования наноэлектромеханических систем (NEMSs) – хотя многие из них находятся на ранних стадиях разработки, а отдельные все еще пребывают на этапах выработки концепции [2]. И хотя уже сейчас предложены многочисленные компьютерные модели возможных принципов конструирования и самих наномашин [25], приходится констатировать, что природа пока заметно опережает нас по своей способности создавать машины наноразмеров. Нанодвигатели (например, жгутиковый двигатель бактерий и др.) давно существуют в биологических системах [26]. Скорее всего изучение биологических наномашин подскажет ученым идеи, которые помогут улучшить конструкцию их механических аналогов. Недавно на основе многослойных УНТ создан наномотор с наибольшим размером этого устройства 500 нм, длиной ротора 100–300 нм, а нанотрубки в роли оси – 5–10 нм [1]. Предложен метод изготовления шестеренок путем прикрепления молекул бензола к внешней стороне УНТ [25]. Ключевой частью любой наномашины является способ приведения ведущей шестеренки в движение. Так, для перекатывания на поверхности кристалла NaCl адсорбированной молекулы фуллерена C60 предложено использовать электрическое поле, которое не требует контакта с наноструктурой [1]. Детально рассмотрены потенциальные возможности молекулярной наномашины, которая преобразует энергию света в физическую работу в результате изомерных превращений азобензольного полимера в [1]. Исследователи из Центра разработки материалов CEMES-CNRS (Франция) и их коллеги из Берлинского университета предложили способ управления вращением молекулярного колеса [27]. Удивительная молекула, состоящая из колеса диаметром 0,7 нм, прикрепленного к оси длиной 0,6 нм, по сути является первой молекулярной машиной. В 2005 году ученые из CEMES-CNRS представили научному сообществу первый молекулярный двигатель. Современная молекулярная наномашина состоит из двух рабочих колес из молекул триптицена, соединенных осью. Вся эта химическая конструкция располагается на медной подложке. Вращение колес осуществляется с помощью зонда сканирующего туннельного микроскопа [27]. Результаты работ ученых впечатляют нанотехнологов, занимающихся созданием молекулярных наномашин. По их мнению, молекулы-колеса смогут занять свое место в сложных наномашинах будущего – молекулярных грузовиках и нанороботах. На создание наноавтомобиля с наномотором ушло целых 10 лет [26]. За разработку наноавтомобиля – первой движущейся управляемой наносистемы ее автор, профессор Д. Тур, был назван в 2006 году «Исследователем года» по версии авторитетного в области микро- и нанотехнологий издания Small Times Magazine [27]. В настоящее время созданы первые модели наноавтомобилей размером всего 3–4 нм каждый. На площади всего в 1 мм2 могут припарковаться 10 млрд таких наномашин [26]. Характерно, что самым первым наноавтомобилем была большая молекула, которая состояла из почти 300 атомов углерода [27]. Колесами служили фуллерены, а ездил наноавтомобиль по золотой пластинке. При нагревании подложки до 200° С фуллерены начинали вращаться, и автомобиль двигался. Однако он оказался неуправляемым: если на одной пластинке находится много наноавтомобилей, то при нагревании все они приходят в движение, начинают сталкиваться, образуют своеобразные пробки [26]. Тогда ученые предложили поставить на каждый автомобиль наномотор и назвали его наноактюатором. Наноактюатор работает под действием света, и таким автомобилем можно управлять – при освещении наноавтомобиля он перемещается, в отсутствие света – останавливается. Неожиданно оказалось, что мотор не работает в присутствии фуллеренов. Пришлось менять материал колес – им оказались карбораны, содержащие атомы углерода, водорода и бора. И наноавтомобиль с наномотором, наконец, пришел в движение. Компьютерные модели указанных наноавтомобилей приведены в [26] и на рисунках 1, 2. ISSN 1990-7796. Вести Автомобильно-дорожного института = Bulletin of the Automobile and Highway Institute, 2017. № 2(21) Сайт http:// vestnik.adidonntu.ru
20 Интенсивная работа по созданию наноавтомобилей продолжается в различных лабораториях мира. Удалось сконструировать наноавтомобиль на фуллереновых колесах, который ездит и при комнатной температуре со скоростью более 4 нм/с [26].
Рисунок 1 – Компьютерная модель наноавтомобиля на колесах-фуллеренах [26]
Рисунок 2 – Компьютерная модель наноавтомобиля на колесах-карборанах [26] Volkswagen представил оригинальный проект машины, получивший название Nanospyder. Каркас автомобиля предлагается изготавливать из миллиардов блоков наночастиц. Благодаря им, в случае столкновения, кузов автомобиля деформируется, надежно защищая находящихся в салоне пассажиров [27]. Проблему безопасности современных автомобилей удается успешно решать, используя датчики нанометровых размеров для активации подушек безопасности в транспортных средствах [1].
ISSN 1990-7796. Вести Автомобильно-дорожного института = Bulletin of the Automobile and Highway Institute, 2017. № 2(21) Сайт http:// vestnik.adidonntu.ru
21 Перспективы автомобилей будущего: концепт-кары ведущих мировых автодизайнеров поражают футуристичностью своих форм и инновациями технических решений, воплощение которых возможно лишь с широким применением нанотехнологий. Концептуальный суперкар Giugiaro Vadho компании Haldesign Giugiaro способен не только ездить, но и летать. Салон здесь совсем не салон, а двухместный кокпит, накрытый прозрачным фонарем. Приборная начинка – авионика, двигатель – водородный, располагается сбоку от кокпита [26]. Швейцарская компания Rinspeed разработала подводный автомобиль Rinspeed sQuba, элементы которого выполнены на основе углеродных нанотрубок [10]. Концепт представляет собой первый в мире двухместный родстер, способный передвигаться под водой. Движение осуществляется за счет двух водоструйных двигателей, расположенных в «кормовой» части. Для удобства водителя и пассажира, которые с головой окунутся в воду (верх автомобиля – открытый), предусмотрено специальное устройство для дыхания, похожее на кислородную маску акваланга. С помощью нанотехнологий привычный автомобиль можно преобразовать до неузнаваемости. К примеру, концепт «автомобиля будущего» от Audi – Virtuea Quattro, разработанный в центре дизайна Audi/VW в Калифорнии. Этот автомобиль работает, естественно, на водороде и рассчитан на одного человека. Virtuea Quattro будет формировать свой внешний облик при помощи голографических изображений, программировать которые сможет сам водитель через многофункциональный интерфейс. Миллионы схем, заложенных в память бортового компьютера концепта, позволяют выбрать для машины любой «наряд» от средневековой кареты до имитации облика соковыжималки [27]. В недалеком будущем на смену целой гаммы типов кузовов придет один, способный менять свою форму в зависимости от конкретного запроса водителя. Корпус Mercedes-Benz Silver Flow – это магнитное соединение (металлические наночастицы удерживаются вместе магнитными полями), которое может восстанавливать свою форму по одному клику на брелке сигнализации или внутри автомобиля. Водитель сможет выбирать тип и цвет корпуса автомобиля из нескольких возможных «предустановленных» скинов. Передача механической энергии к колесам, по замыслу конструкторов, осуществляется специальной жидкостью, молекулы которой приводятся в движение электростатическими наномоторами. Четыре поворотных колеса позволят автомобилю разворачиваться на месте и парковаться боком [25]. Выводы 1. Обобщен зарубежный опыт применения нанотехнологий и наноструктурированных материалов в автомобилестроении, на транспорте и его инфраструктуре. Установлен различный уровень теоретических и прикладных исследований отдельных аспектов этой проблемы – от стадии выработки концепции до внедрения в промышленное производство. 2. Обсуждены тенденции развития, проблемы и перспективы в создании и использовании наночастиц и наноструктур в производстве конструкционных материалов с заданным спектром эксплуатационных свойств. Наиболее эффективные армирующие компоненты нанокомпозитов получены на основе УНТ, фуллеренов и графена. 3. Проанализированы особенности применения нанокатализаторов в производстве и использовании автомобильных топлив. Приведена характеристика состава и физико-химических свойств нанотехнологических препаратов автохимии для безразборного сервиса транспортных средств. 4. Выявлена специфическая роль нанотехнологий и наноматериалов в разработке и внедрении топливных элементов электромобилей, химических и электрохимических сенсоров для мониторинга токсикантов в ОГ ДВС. 5. Рассмотрены имеющиеся большие потенциальные возможности, принципы моделирования и конструирования наноустройств, нанодвигателей и наноавтомобилей. ISSN 1990-7796. Вести Автомобильно-дорожного института = Bulletin of the Automobile and Highway Institute, 2017. № 2(21) Сайт http:// vestnik.adidonntu.ru
22 Список литературы 1. Пул, Ч.-мл. Нанотехнологии / Ч. Пул-мл., Ф. Оуэнс. – М. : Техносфера, 2010. – 330 с. 2. Roco, M. C. Nanotechnology Research Directions / M. C. Roco, R. S. Williams, A. P. Alivisatos. – Dordrecht : Kluwer Academic Publication, 2000. – 360 p. 3. Bushan, Ed. B. Springer Handbook of Nanotechnology / Ed. B. Bushan. – Heidelberg ; Berlin : Springer, 2004. – 1500 p. 4. Рахман, Ф. Наноструктуры в электронике и фотонике / Ф. Рахман. – М. : Техносфера, 2010. – 344 с. 5. Gusev, A. I. Nanocrystalline Materials / A. I. Gusev, A. A. Rempel. – Cambridge : Cambridge International Science Publication, 2004. – 351 p. 6. Костюк, Г. И. Фуллерены: физика, химия, техника и применение : учеб. пособие / Г. И. Костюк, Е. В. Набока, О. О. Бруяка. – Х. : Национальный аэрокосмический университет «Харьковский авиационный институт», 2012. – 188 с. 7. Yi-Ru, Ying G. Nanostructured Materials / G. Yi-Ru Ying. – New York : Academic Press, 2001. – 350 p. 8. Кавалейро, А. Наноструктурные покрытия / А. Кавалейро, Д. Хоссон. – М. : Техносфера, 2011. – 752 с. 9. Костюк, Г. И. Нанотехнологии: теория, эксперимент, техника, перспективы / Г. И. Костюк. – К. : Издательский центр Международной академии наук и инновационных технологий, 2012. – 648 с. 10. Ю-Винг, Май. Полимерные нанокомпозиты / Май Ю-Винг, Ю. Жонг-Жен. ‒ М. : Техносфера, 2011. – 688 с. 11. Балабанов, В. И. Нанотехнологии. Наука будущего / В. И. Балабанов. – М. : Эксмо, 2009. – 248 с. 12. Гейм, А. К. Случайные блуждания: непредсказуемый путь к графену / А. К. Гейм // Успехи физических наук. – 2011. – Т. 181, № 12. – С. 1284–1298. 13. Новоселов, К. С. Графен : материалы Флатландии / К. С. Новоселов // Успехи физических наук. – 2011. – Т. 181, № 12. – С. 1299–1311. 14. Сергеев, Г. В. Нанохимия : учеб. пособие / Г. В. Сергеев. – М. : КДУ, 2006. – 336 с. 15. Колесников, И. М. Катализ и производство катализаторов / И. М. Колесников. – М. : Техника, 2004. – 400 с. 16. Гребенников, Е. П. Проблемы разработки промышленных нанотехнологий / Е. П. Гребенников // Нанотехнологии. Экология. Производство. – 2010. – № 5. – С. 84–87. 17. Нанокатализаторы в топливе для транспорта. Нано без границ / А. Абрамян [и др.] // Наноиндустрия. – 2007. – № 4. – С.26–28. 18. Балабанов, В. И. Безразборный сервис автомобиля / В. И. Балабанов, В. И. Беклемшев, А. Г. Гамидов. – М. : Известия, 2007. – 272 с. 19. Гультяй, В. П. Электрохимия органических соединений в начале XXI века / В. П. Гультяй, А. Г. Кривенко, А. П. Томилов. – М. : Компания Спутник, 2008. – 578 с. 20. Беззубцева, М. М. Нанотехнологии в энергетике / М. М. Беззубцева, В. С. Волков. – СПб. : СПБГАУ, 2013. – 206 с. 21. Солнцев, Ю. П. Нанотехнологии и специальные материалы : учеб. пособие для вузов / Ю. П. Солнцев, Е. И. Пряхин. – СПб. : ХИМИЗДАТ, 2007. – 176 с. 22. Пригожин, И. Современная термодинамика: от тепловых двигателей до диссипативных структур / И. Пригожин, Д. Кондепуди. – М. : Мир, 2002. – 461 с. 23. Балабанов, В. И. Нанотехнологические препараты автохимии для безразборного сервиса автомобиля / В. И. Балабанов, В. Ю. Болгов, В. В. Лехтер // Нанотехнологии. Экология. Производство. – 2009. – № 2. – С. 130–133. 24. Organoplatinum Сrystals for Gas–Triggered Switches / M. Albrecht, M. Lutz, A. Spek, G. van Koten // Nature. – London. – 2000. – Vol. 406, № 3. – P. 970–974. 25. Bolzani, V. Molecular Devices and Machines. A Journey into the Nanoworld / V. Bolzani, M. Venturi, A. Credi. – New York : Wiley VCH, 2003. – 494 p. 26. Алфимова, М. М. Занимательные нанотехнологии / М. М. Алфимова. – М. : Парк-медиа : БИНОМ. Лаборатория знаний, 2011. – 96 с. 27. Ковшов, А. Н. Основы нанотехнологий в технике : учеб. пособие для студентов вузов / А. Н. Ковшов, Ю. Ф. Назаров, И. М. Ибрагимов. – М. : Издательский центр «Академия», 2009. – 240 с.
ISSN 1990-7796. Вести Автомобильно-дорожного института = Bulletin of the Automobile and Highway Institute, 2017. № 2(21) Сайт http:// vestnik.adidonntu.ru
23 А. П. Карпинец Автомобильно-дорожный институт ГОУВПО «Донецкий национальный технический университет», г. Горловка Перспективы применения наноматериалов и нанотехнологий на автомобильном транспорте и в его инфраструктуре Обобщен зарубежный опыт использования нанотехнологий и наноструктурированных материалов в автомобилестроении, на транспорте и в его инфраструктуре. Армирование углеродными нанотрубками (УНТ) полипропилена, который широко применяется как конструкционный материал автомобильной техники, приводит к удвоению его прочности на разрыв. Введение 10 % нанотрубок в алюминий обеспечивает возрастание этого показателя в 6 раз, а добавка 30 % УНТ в сталь – в 7 раз. Высокопрочные композиты созданы на основе фуллеренов С60, С70 и графена. При технологическом использовании наночастиц следует решить проблемы их масштабирования и разработать эффективные методы их введения в металлы и пластики. Нанокаталитический аддитив FaberOxTM и его аналоги вводятся непосредственно в моторное топливо и повышают энергетическую и эксплуатационную эффективность работы ДВС, снижают образование отложений в камере сгорания и выпускной системе, сокращают расход топлива, уменьшают эмиссию токсикантов с отработавшими газами (ОГ). С помощью нанотехнологий удается решить одну из основных проблем применения топливных элементов в электромобилях – обеспечение безопасного хранения водорода (Н2). Экспериментально установлено, что наиболее эффективный и надежный способ – заполнение Н2 жгутов УНТ (максимальная степень заполнения 8,5 % масс). Вторую проблему – замену дорогостоящих платиновых электродов на соли металлов решили специалисты британской фирмы ACAL Energy. Совместное использование теоретических исследований и практических достижений трибологии и нанотехнологии позволяет применять трение не как разрушительное явление природы, а как самоорганизующийся созидательный процесс, в том числе для безразборного сервиса автомобилей. Проанализированы составы и эксплуатационные свойства нанопрепаратов автохимии. Обсуждены аналитические возможности химических и электрохимических сенсоров для экомониторинга токсикантов (SO2, СО, NH3, H2S, NO, NO2, CO2), обусловленных автомобильным транспортом. Графен перспективен как сенсор, так и идеальный газовый барьер для токсикантов ОГ. Рассмотрены, имеющие большие потенциальные возможности, принципы моделирования и конструирования наноустройств, нанодвигателей и наноавтомобилей. В настоящее время созданы первые модели наноавтомобилей размером всего 34 нм. НАНОТЕХНОЛОГИИ, АВТОМОБИЛЬНЫЙ ТРАНСПОРТ, НАНОМАТЕРИАЛЫ, НАНОУСТРОЙСТВА
А. P. Karpinets Automobile and Highway Institute of Donetsk National Technical University, Gorlovka Perspectives of Nanomaterials and Nanotechnologies Application in Automobile Transport and its Infrastructure Foreign experience of nanotechnologies and nanostructured materials application in the automobile production, on transport and its infrastructure is summarized. Reinforcement by carbon nanotubes (CNT) of the polypropylene widely used as a constructive material of the automotive engineering leads to its tensile strength doubling. Introduction of 10 % of nanotubes in aluminum provides an increase of this indicator in 6 times and CNT addition of 30 % in steel – in 7 times. High-strength composites are made on the base of fullerenes С60, С70 and graphene. At the manufacturing application of nanoparticles, problems of their scaling must be solved and effective methods of their introduction in metals and plastics must be developed. Nanocatalytic additive FaberOxTM and its analogs are introduced directly in automobile fuel and increase power and operational efficiency of the internal combustion engine, reduce sediment formation in the combustion chamber and exhaust system, fuel consumption, decrease emission of toxicants with exhaust gases (EG). With the help of nanotechnologies, one of the main problems of fuel cell application in electric vehicles can be solved – to provide safekeeping of hydrogen (Н2). It has been found experimentally that the most effective and reliable method is to fill Н2 bundles by CNT (maximum degree of fill is 8,5 % mass.) The second problem is the substitution of expensive platinum electrodes for metal salt. It was solved by specialists of the British firm ACAL Energy. Sharing of theoretical researches and practical achievements in tribology and nanotechnology allows to apply friction not as destructive natural phenomenon but as self-organizing creative process for automobiles without dismountable service as well. Compositions and service properties of automobile chemistry nanopreparations are analyzed. ISSN 1990-7796. Вести Автомобильно-дорожного института = Bulletin of the Automobile and Highway Institute, 2017. № 2(21) Сайт http:// vestnik.adidonntu.ru
24 Analytical abilities of chemical and electrochemical sensors for ecomonitoring of toxicants (SO2, СО, NH3, H2S, NO, NO2, CO2) caused by automobile transport are discussed. Graphene is perspective both as a sensor and as an ideal gas barrier for EG toxicants. Existing large modelling and designing potentialities of nanodevices, nanoengines, nanoautomobiles are considered. At present, the first models of nanoautomobiles with the size of 3–4 nm are made. NANOTECHNOLOGIES, AUTOMOBILE TRANSPORT, NANOMATERIALS, NANODEVICES Сведения об авторе: А. П. Карпинец SPIN-код: SCOPUS ORCID ID: Телефон: Эл. почта:
7644-1653 0000-0003-0424-7791 +380(50)-53-57-640 kaf_OND@mail.ru Статья поступила 08.11.2016 © А. П. Карпинец, 2017 Рецензент: С. П. Высоцкий, д-р техн. наук, проф. АДИ ГОУВПО «ДонНТУ»
ISSN 1990-7796. Вести Автомобильно-дорожного института = Bulletin of the Automobile and Highway Institute, 2017. № 2(21) Сайт http:// vestnik.adidonntu.ru
25 УДК 519.6,51-7 М. Е. Королѐв, канд. физ-мат. наук, Н. Н. Дудникова, канд. техн. наук Автомобильно-дорожный институт ГОУВПО «Донецкий национальный технический университет», г. Горловка ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДА ЭКСПЕРТНОЙ ОЦЕНКИ ПРИ ИЗУЧЕНИИ ОСОБЕННОСТЕЙ ДВИЖЕНИЯ АВТОМОБИЛЯ Реализована обобщенная модель поиска индивидуальных различий Такера для нахождения шкал и представления в координатном пространстве как стимулов, так и субъектов, их оценивающих, применительно к движению автомобиля при различных скоростях и условиях движения. Для подтверждения автоматизации теоретических выкладок рассмотрены исходные матрицы различий размерностью 3 3 и получено графическое представление стимулов в факторном пространстве с возможностью распространения данной модели на матрицы различий произвольной размерности. Ключевые слова: метод экспертной оценки, модель Такера, автомобиль, увод колеса, факторное пространство, критерий качества
Введение Базы знаний интеллектуальных информационных систем, в практических реализациях используют данные, источниками которых являются специалисты-эксперты. Получение знаний от экспертов, обработка этих знаний и внесение их в хранилище системы – ответственная и трудная работа. От того, насколько эффективно будет сделана эта работа, во многом зависит качество (а иногда и возможность) решения системой задач поиска, анализа и синтеза информации. Совокупность приемов сбора и обработки знаний и данных, которые готовы предоставить эксперты, получила название метода экспертных оценок [1–3]. Мнения экспертов, их знания и суждения в отношении процессов и явлений, не поддающихся инструментальному измерению, порой являются единственной информацией, которая может составлять содержание системы по конкретной проблеме или задаче [4]. Знания, получаемые от экспертов, иногда имеют характер довольно свободных высказываний, рассуждений или даже графических документов. В каждом конкретном случае они могут иметь самый различный вид [5]. Но в любом случае они представляют собой интеллектуальный ресурс, от качества предварительной обработки которого зависит полнота их использования при решении конкретных задач. Информация, подвергаемая экспертизе, бывает разного свойства. Это могут быть оценка важности различных свойств объектов для отображения их в качестве показателей, учитываемых критерием сравнительной оценки альтернатив, или оценка предпочтительности отношений между сущностями предметной области, или альтернативная формулировка правил логического вывода и пр. [6]. Экспертиза в ее измерительном аспекте характерна тем, что в ней инструментом измерения является человек [7]. Результаты измерений и оценки, выносящиеся людьми в отношении тех или иных явлений, процессов, закономерностей, свойств и т. д., являются субъективными. Анализ последних исследований Основными видами субъективных экспертных оценок являются: ранжирование, парное сравнение, непосредственное оценивание, последовательное сравнение, классификация. Ранжирование – это процедура упорядочения некоторой совокупности однородных и сравнимых по своим признакам понятий в порядке возрастания или убывания их предпочтительности. Результатом ранжирования может быть назначение экспертом (или экспертами) ISSN 1990-7796. Вести Автомобильно-дорожного института = Bulletin of the Automobile and Highway Institute, 2017. № 2(21) Сайт http:// vestnik.adidonntu.ru
26 неких числовых оценок предпочтительности оцениваемым понятиям или данным. Обычно ранжируемые понятия или данные принято называть объектами или альтернативами [7]. В результате ранжирования может сложиться одна из таких ситуаций: все объекты получили разные оценки предпочтительности или в результате ранжирования образовались одна или несколько групп, внутри которых объекты имеют одинаковые оценки, но все такие группы разнятся по общей предпочтительности входящих в них объектов. Сущность метода парных сравнений заключается в том, что каждый эксперт составляет матрицу парных сравнений (МПС) размерностью N N (где N – число попарно оцениваемых альтернатив) [5]. Эта матрица задает структуру предпочтений эксперта, которая может быть простой или взвешенной. Простая структура предпочтений отражает лишь факт предпочтения одной альтернативы над другой и не отражает степень такого предпочтения. Взвешенная структура предпочтений учитывает относительные значимости сравниваемых альтернатив, определенные на всем множестве рассматриваемых альтернатив. Эти относительные значимости иногда называются «весами» (отсюда и название «взвешенная структура предпочтений»). Относительные значимости или веса сравниваемых альтернатив всегда назначаются в виде безразмерных нормированных коэффициентов, значения каждого из которых не превосходит 1, а сумма весов всех рассматриваемых альтернатив должна быть равна 1. Весовые коэффициенты, как и индивидуальные МПС, отражают субъективные мнения экспертов. Элементы (N N) квадратной МПС обычно отражают какую-то одну условную шкалу или одно правило числовой оценки различий в предпочтительности попарно сравниваемых альтернатив А j и А v . Эти шкалы и правила принято называть калибровками [7]. Вероятностная калибровка (В-калибровка) применяется в тех случаях, когда при парном сравнении альтернатив сравнительная оценка предпочтительности не может обладать свойством детерминированности (определенности). Тогда в качестве значений этих оценок берется вероятность того, что j-я альтернатива окажется предпочтительнее v-й. В различных прикладных задачах для значений ( Х jv и Х vj ) оценок, предпочтительности одной альтернативы над другой, применяют шкалу Саати. В соответствии с этой шкалой эксперты, применяя С-калибровку, количественно оценивают сравнительную предпочтительность альтернатив значениями ( Х jv и Х vj ), взятыми из таблицы 1. Между значениями оценок Х jv , могут назначаться промежуточные значения 2, 4, 6 и 8. Эти промежуточные значения предусмотрены к применению в случаях, когда оценка альтернатив с применением основных значений по тем или иным причинам затруднена [8]. Таблица 1 – Значения альтернатив Числовое значение оценки Х jv 1 3 5 7 9
Формальное выражение результата сравнения оценок качества ( Z j и Z v ) альтернатив
Вербальная трактовка результата сравнения альтернатив
Равноценность j-й и v-й альтернатив
Альтернативы равнозначны Эксперт отдает некоторое предСлабое превосходство j-й альтернативы почтение j-й альтернативе Эксперт определенно предпочиСильное превосходство j-й альтернативы тает j-ю альтернативу v-й Эксперт считает превосходство Явное превосходство j-й альтернативы j-й альтернативы очевидным Подавляющее превосходство j-й альтер- Превосходство j-й альтернативы нативы не вызывает никаких сомнений ISSN 1990-7796. Вести Автомобильно-дорожного института = Bulletin of the Automobile and Highway Institute, 2017. № 2(21) Сайт http:// vestnik.adidonntu.ru
27 Для демонстрации обобщенной модели поиска индивидуальных различий Такера, ограничимся первыми тремя строками таблицы 2, предлагаемыми для оценивания движения транспортного средства при различных условиях: Таблица 2 – Альтернативы движения транспортного средства Числовое значение оценки Х jv 1 2 3
Формальное выражение результата сравнения оценок качества ( А j и А v ) альтернатив Равноценность j-й и v-й альтернатив Слабое превосходство j-й альтернативы Сильное превосходство j-й альтернативы
Цель исследования Применение метода экспертной оценки для изучения влияния различных условий движения и факторов на величину увода колес автомобиля при различных скоростях. По полученным результатам – выполнение графического представления стимулов в факторном пространстве. Объект исследования – величина увода колес автомобиля при различных скоростях. Основной материал исследования Траектория движения автомобиля всегда является криволинейной, причем кривизна ее непрерывно меняется. Свойство автомобиля двигаться без корректирующих воздействий со стороны водителя принято считать курсовой устойчивостью автомобиля [9]. Автомобиль в условиях плохой курсовой устойчивости произвольно меняет направление движения, создавая угрозу другим транспортным средствам. Потеря поперечной устойчивости при криволинейном движении может привести к прогрессивно нарастающему поперечному скольжению шин или опрокидыванию автомобиля. Любые посторонние боковые силы, действующие на колеса транспортного средства, изменяют направление его движения по сравнению с направлением, заданным водителем (если силы малы – то в результате увода, а если достаточно большие, то – скольжения), что отражается в изменении курсового положения автомобиля. Энергия, затрачиваемая боковыми силами на боковое смещение колес как при уводе, так и при скольжении, теряется безвозвратно. Поэтому сами боковые отклонения являются необратимыми. В результате изменения направления качения колес меняется и курсовой угол, причем без дополнительного управляющего воздействия автомобиль не может вернуться к предыдущему положению. Итак, по курсовому углу автомобиль, как механическая система – всегда неустойчива. Часто причиной потери курсовой устойчивости является чрезмерная скорость транспортного средства, не соответствующая дорожным условиям [9–11]. Если автомобиль движется с излишне высокой скоростью, то тяговая сила приближается по величине к силе сцепления ведущих колес с поверхностью проезжей части, в результате чего возможны их пробуксовки. Движение автомобиля со скоростью, близкой к предельной по скольжению колес, является лишь одной из предпосылок заноса. Теоретически автомобиль может двигаться с этой скоростью неограниченно долго без потери поперечной устойчивости, для ее потери нужны внешние воздействия. При малых скоростях влияние внешних сил небольшое, но в случае значительной скорости они могут привести к нарушению курсовой устойчивости и заносу автомобиля. Хотя высокая скорость автомобиля не может сама по себе вызвать нарушение курсовой устойчивости, однако она усиливает влияние неблагоприятных факторов. ISSN 1990-7796. Вести Автомобильно-дорожного института = Bulletin of the Automobile and Highway Institute, 2017. № 2(21) Сайт http:// vestnik.adidonntu.ru
28 Нарушение курсовой устойчивости при прямолинейном движении автомобиля происходит под действием возмущающих сил: поперечной составляющей веса, бокового ветра, ударов колес из-за неровности проезжей части, а также различных по величине продольных сил (тяговой, тормозной), приложенных к колесам правой и левой сторон автомобиля. Внешние силы, действующие на автомобиль, кроме управляющих, всегда являются для водителя случайными и неизвестными. Вызванные ими отклонения в траектории движения и курсовом положении могут быть устранены только в результате корректирующих управляющих воздействий. Итак, пусть даны исходные матрицы различий по результатам экспертного оценивания двумя субъектами – при различных скоростных характеристиках движения ТС: 1 , 2 и стимулами: n1 – высота борта шины, n2 – боковая нагрузка, n3 – тип шины [9]. Стимул
n1 n2 n3 0,62 0,38 0 1 0,73 0 0,27 , 0,89 0,11 0
Стимул
n1 n2 n3 0,45 0,55 0 2 0,67 0 0,33 . 0,44 0,56 0
Необходимо реализовать алгоритм – обобщенную модель поиска индивидуальных различий Такера, для нахождения шкал и представления в координатном пространстве как стимулов, так и субъектов, их оценивающих. Шаг 1. Построение матриц различных стимулов S для каждого из субъектов. Шаг 2 (а). Построение S матриц скалярных произведений (матриц с двойным центрированием). * Значения элементов матрицы с двойным центрированием *S ( ijs ) находят по формуле: ijs *
1 2 2 2 2 ijs is js ..s , 2
(1)
1 δijs2 – средняя для характеристик различий в j-х столбцах i-й строки, j j возведенных в квадрат;
где δis 2
1 2 ijs – средняя для характеристик различий в i-х строках j-го столбца, i i возведенных в квадрат; 1 2 .. ijs – средняя величина квадратов характеристик различий матрицы . ij i j Матрицы скалярных произведений (матрицы с двойным центрированием) имеют вид: js 2
Стимул
n1 n2 n3 0,20 0,15 0,06 1 0,05 0,6 0,01 , 0,15 0,9 0,06
Стимул
n1 n2 n3 0,10 0,02 0,09 2 0,11 0,09 0,02 . 0,01 0,07 0,07
Шаг 2 (б). Для индивидуальных матриц скалярных произведений рассчитаем одну общую, т. е. среднюю матрицу скалярных произведений, воспользовавшись для этого тривиальной формой средней:
ISSN 1990-7796. Вести Автомобильно-дорожного института = Bulletin of the Automobile and Highway Institute, 2017. № 2(21) Сайт http:// vestnik.adidonntu.ru
29
*
1 *s . s s
(2)
0,15 0,08 0,07 1 * * В нашем случае 1 2 0,08 0,08 0,01 . 2 0,07 0,01 0,06 *
Шаг 3. Поиск приближенных оценок координат стимулов получим методом их факторов. Запишем матрицу стартовой конфигурации – метод Хотеллинга [8]. X1 X2 n1 0,39 0,01 0 X n2 0, 22 0,17 . n3 0,18 0,18 Шаг 4. Оценка весовых коэффициентов W2. Множество значений образует матрицу W с данными по k координатам осям и s субъектами. S – объединенную матрицу скалярных произведений субъектов, B – матрицу координат для сочетающихся пар стимулов. Первая матрица S имеет i2 столбцов – по числу всех возможных парных комбинаций стимулов и s строк – по числу субъектов (таблица 3). Таблица 3 – Стимулы и субъекты Пары стимулов Субъект 1 S = Субъект 2
n1n1
n1n2
n1n3
n2n1
n2n2
n2n3
n3n1
n3n2
n3n3
0,20 0,10
–0,15 –0,02
–0,06 –0,09
–0,05 –0,11
0,06 0,09
–0,01 0,02
–0,15 0,01
0,09 –0,07
0,06 0,07
Элементы матрицы В находятся перемножением текущих оценок координат из каждой пары стимулов: b k (i. j) x ik x jk (таблица 4). Таблица 4 – Полученная матрица В Пары стимулов Коорд. Х1 В = Коорд. Х2
n1n1
n1n2
n1n3
n2n1
n2n2
n2n3
n3n1
n3n2
n3n3
0,152
–0,084
–0,068
–0,084
0,046
0,038
–0,068
0,038
0,031
0,00
0,002
–0,002
0,002
0,029
–0,031 –0,002 –0,031
0,033
Матрица W2, определяется из уравнения: W 2 (BB) 1 BS . Субъект Координаты
S1 W2=
S2
X1
1,310
0,690
X2
0,358
1,642 2
После исчисления квадратных корней из каждого Wks , получим матрицу весовых значений W. Весовые коэффициенты показывают, насколько большое значение придают эксперты отдельным шкалам. Шаг 5. Нахождение новых значений координат стимулов Х 1 по формуле:
X1 SB(BB) 1 . ISSN 1990-7796. Вести Автомобильно-дорожного института = Bulletin of the Automobile and Highway Institute, 2017. № 2(21) Сайт http:// vestnik.adidonntu.ru
(3)
30 Матрицы S и B принимают иной вид, чем в этапе 4 (матрица S – просто результат объединения матриц скалярных произведений). Субъект Координаты
S1
S2
n1 n2 n3 0,20 0,15 0,06 S = 0,05 0,6 0,01 0,15 0,9 0,06
Субъект Координаты Коорд.1 В= Коорд.2
n1 n2 n3 0,10 0,02 0,09 0,02 0,11 0,09 0,01 0,07 0,07
S1
S2
n1 0,51
n2 – 0,28
n3 – 0,23
n1 0,27
n2 – 0,15
n3 – 0,12
0,00
– 0,06
0,07
– 0,02
– 0,28
0,30
Теперь могут быть найдены новые, улучшенные оценки координат стимулов: Координаты Х1
Х2
Стимул
0,393
0,103
X1 SB(BB) 1 0,175 0,121 0,218
W=
0,224
1,144 0,831 0,598 1,281
Координаты стимулов:
S1 :
S2 :
n1 (0,450 –0,062), n2 (–0,200 –0,072), n3 (–0,250 0,134).
n1 (0,327 –0,132), n2 (–0,145 –0,155), n3 (–0,182 0,287).
Графическое представление приведено на рисунке 1. Для восприятия положительных числовых координат данного рисунка возможно выполнение параллельного переноса в первый квадрант, что не поменяет графического представления осей. Пространственное расположение стимулов в двумерном пространстве субъектов позволяет определить различия между стимулами, как, собственно, и между самими субъектами.
ISSN 1990-7796. Вести Автомобильно-дорожного института = Bulletin of the Automobile and Highway Institute, 2017. № 2(21) Сайт http:// vestnik.adidonntu.ru
31
Рисунок 1 – Графическое представление объектов (стимулов) в пространстве восприятия субъектов (скоростей) Посчитаем различия стимулов для каждого субъекта по формуле: d ijs
2 2 ks x ik x jk k
1
2
.
(4)
Сведем результаты расчетов расстояний и скалярных произведений для новой оценки координат стимулов, чтобы можно было наглядно видеть результаты первого шага подгонки евклидовой модели индивидуальных различий. Матрица расстояний Стимул
n1
n2
n3
Стимул
n1
n2
n3
n1 0,62 0,38 1 n2 0,73 0, 27 n3 0,89 0,11
n1 0 0,65 0,73 1 n2 0,65 0 0, 21 n3 0,73 0, 21 0
n1 0, 45 0,55 2 n2 0,67 0,33 n3 0, 44 0,56
n1 0 0, 47 0,66 2 n2 0, 47 0 0, 44 n3 0,66 0, 44 0
ISSN 1990-7796. Вести Автомобильно-дорожного института = Bulletin of the Automobile and Highway Institute, 2017. № 2(21) Сайт http:// vestnik.adidonntu.ru
32 Матрицы скалярных произведений Стимул
n1
n2
n3
Стимул
n1
n2
n3
n1 0, 20 0,15 0,06 n2 0,05 0,06 0,01 n3 0,15 0,09 0,06
n1 0, 21 0,09 0,12 n2 0,09 0,05 0,04 n3 0,12 0,04 0,08
n1 0,10 0,02 0,09 *2 n2 0,11 0,09 0,02 n3 0,01 0,07 0,07
n1 0,12 0,03 0,10 *2 n2 0,03 0,05 0,02 n3 0,10 0,02 0,12
* 1
* 1
Шаг 6. Расчет F-критерия качества интерактивных оценок скалярных произведений, т. е. выводы по выполнению первого шага подгонки евклидовой метрики: требуется ли выполнять вторую подгонку? Из предыдущей таблицы видно, что оцененные и исходные данные, в общем, согласованы, и в то же время ответим на вопрос о достаточности приближения теоретических оценок расстояний реальным. После получения новых матриц , * , X первый цикл подгонки считается выполненным. Его сущность оценивается по критерию F.
2 * 2 F ijs *ijs * 2 ijs F ijs xik x jk ks . ˆijs* xik x jk ks2 ijs k k
(5)
После промежуточных вычислений получаем то, что значение критерия F = 0,0135. Цель данного алгоритма состоит в минимизации значения критерия F, т. е. сумма квадратов разностей должна быть наименьшей. Итерации повторяются до тех пор, пока при переходе к последующей итерации величина F не станет незначительной, например меньше 0,01. В противном случае за исходные принимаются оцененные на предыдущем шаге матрицы 1, *1, X 1 и итерации с последовательным вычислением матриц , * , X, W возобновляются. Выводы Применяя моделирование в указанных условиях движения автомобиля при различных (экспертных) оценках, получено на основании метода Такера графическое представление стимулов в факторном пространстве. Если считать критерий качества F удовлетворительным, то можно ограничиться только выделением двух факторных направлений, т. е. при различных скоростях на величину увода колес автомобиля влияют два основных латентных фактора (высота борта шины и боковая нагрузка), учитывающих совокупное влияние всех стимулов в определенной степени. Таким образом, автоматизацию рассмотренного метода, применительно к движению транспортного средства, можно распространить для матриц индивидуальных различий произвольных размерностей.
ISSN 1990-7796. Вести Автомобильно-дорожного института = Bulletin of the Automobile and Highway Institute, 2017. № 2(21) Сайт http:// vestnik.adidonntu.ru
33 Список литературы 1. Borg, I. Modern Multidimensional Scaling. Theory and Applications / I. Borg, P. J. F. Groenen. ‒ Springer, 2013. ‒ 636 p. 2. Borg, I. Applied Multidimensional Scaling / I. Borg, P. J. F. Groenen, P. Mair. ‒ Springer, 2012. ‒ 122 p. 3. Härdle, W. K. Applied Multivariate Statistical Analysis / W. K. Härdle, L. Simar. ‒ 4th Edition. ‒ Springer, 2015. ‒ 581 p. 4. Королев, М. Е. Использование классической модели многомерного шкалирования Торгерсона для оценки предложений поставщиков / М. Е. Королев, Е. А. Королев, В. И. Павленко // Наукові нотатки. ‒ 2011. ‒№ 32. ‒ С. 291–294. 5. Многомерный статистический анализ в экономике / Л. А. Сошникова [и др.]. ‒ М. : ЮНИТИ-ДАНА, 2012. ‒ 598 с. 6. Чубучный, С. А. Неметрические методы статистики / С. А. Чубучный, М. Е. Королѐв // Актуальные направления научных исследований / Воронежский государственный лесотехнический университет им. Г. Ф. Морозова. ‒ 2015. ‒ Т. 3, № 8-1 (19-1). ‒ С. 405–408. 7. Горкавий, В. К. Математична статистика / В. К. Горкавий, В. В. Ярова. ‒ К. : Професіонал, 2009. ‒384 с. 8. Королев, М. Е. Использование многомерных статистических методов факторного анализа в исследовании автомобильных рынков / М. Е. Королев, Е. А. Королев, Н. Н. Дудникова // Вестник Автомобильно-дорожного института Донецкого национального технического университета. ‒ 2016. ‒ № 1 (18). ‒ С. 37–45. 9. Литвинов, А. С. Управляемость и устойчивость автомобиля / А. С. Литвинов. ‒ М. : Машиностоение, 1971. ‒ 416 с. 10. Бортницкий, П. И. Тягово-скоростные качества автомобилей / П. И. Бортницкий, В. И. Задорожный. ‒ К. : Вища школа, 1978. ‒ 176 с. 11. Дудніков, О. М. Формалізація умов ДТП у вигляді побіжного зіткнення при зміні смуги руху з правої на ліву у багаторядних щільних транспортних потоках / О. М. Дудніков // Автошляховик України. ‒ К., 2013. ‒ № 3. ‒ С. 6–10.
М. Е. Королѐв, Н. Н. Дудникова Автомобильно-дорожный институт ГОУВПО «Донецкий национальный технический университет», г. Горловка Применение метода экспертной оценки при изучении особенностей движения автомобиля Базы знаний интеллектуальных информационных систем, основанных на правилах, во многих реализациях используют данные, источниками которых являются специалисты – эксперты. Совокупность приемов сбора и обработки знаний и данных, которые готовы предоставить эксперты, получила название метода экспертных оценок. В данной работе использован один из указанных методов, а именно, рассмотрена и реализована обобщенная модель поиска индивидуальных различий Такера для нахождения шкал и представления в координатном пространстве как стимулов, так и субъектов, их оценивающих, применительно к движению автомобиля при различных скоростях и условиях движения. Для подтверждения автоматизации теоретических выкладок были использованы исходные матрицы различий размерностью 3 3 и получено графическое представление стимулов в факторном пространстве с возможностью распространения данной модели на матрицы различий произвольной размерности. В соответствии с используемым алгоритмом, если считать критерий качества F удовлетворительным, можно ограничиться только выделением двух факторных направлений, т. е. при различных скоростях на величину увода колес автомобиля влияют два основных латентных фактора (высота борта шины и боковая нагрузка), учитывающих совокупное влияние всех стимулов в определенной степени. МЕТОД ЭКСПЕРТНОЙ ОЦЕНКИ, МОДЕЛЬ ТАКЕРА, АВТОМОБИЛЬ, УВОД КОЛЕСА, ФАКТОРНОЕ ПРОСТРАНСТВО, КРИТЕРИЙ КАЧЕСТВА
ISSN 1990-7796. Вести Автомобильно-дорожного института = Bulletin of the Automobile and Highway Institute, 2017. № 2(21) Сайт http:// vestnik.adidonntu.ru
34 M. E. Korolev, N. N. Dudnikova Automobile and Highway Institute of Donetsk National Technical University, Gorlovka Application of the Method of Expert Evaluation while Studying Automobile Traffic Peculiarities Knowledge bases of intelligence information networks based on rules in many implementations use data which sources are specialists, experts. Set of ways of data and knowledge collection and processing providing by experts is called the method of expert evaluation. In this work one of the given methods is used. Notably the generalized model of the Tucker individual differences search is considered and realized. It is used for scale finding and introduction of stimuli and subjects in coordinate space evaluated them with regard to the automobile traffic at various speed and driving conditions. To confirm automation of theoretical computations differences parent matrix of the dimension 3 3 is used and stimulus graphic expression in factor space with the possibility to expand given model on the differences matrixes of the arbitrary dimension is obtained. According to the used algorithm if we consider performance criterion F to be satisfactory only two factorial directions can be limited, that is at various speeds two latent factors (tire bead height and side load) influence on the wheel slip rate, taking into account aggregate exposure of all stimuli to a certain degree. EXPERT EVALUATION METHOD, TAKER MODEL, AUTOMOBILE, WHEEL SLEEP, FACTOR SPACE, PERFORMANCE CRITERION Сведения об авторах: М. Е. Королѐв SPIN-код: 4980-9607 Телефон: 0505385168 Эл. почта: kustokust@gmail.com Н. Н. Дудникова SPIN-код: 1424-1363 Телефон: 050 589 90 37 Эл. почта: DudnikovaNN@rambler.ru Статья поступила 27.05.2016 © М. Е. Королѐв, Н. Н. Дудникова, 2017 Рецензент: Л. П. Вовк, д-р техн. наук, проф. АДИ ГОУВПО «ДонНТУ»
ISSN 1990-7796. Вести Автомобильно-дорожного института = Bulletin of the Automobile and Highway Institute, 2017. № 2(21) Сайт http:// vestnik.adidonntu.ru
35 УДК 629.113 Д. В. Фесенко, А. И. Петров Автомобильно-дорожный институт ГОУВПО «Донецкий национальный технический университет», г. Горловка УЧЕТ КОЛЕИ В КРИТЕРИИ УСТОЙЧИВОСТИ ПЛОСКОЙ МОДЕЛИ АВТОМОБИЛЯ Составлена нелинейная модель двухосного автомобиля, учитывающая момент сил увода управляемых колес. Определено необходимое условие применимости критерия устойчивости прямолинейного движения, полученного из простейшей модели автомобиля. Найдена уточненная характеристика статической чувствительности к управлению и проведено ее сравнение с характеристикой чувствительности для линеаризованной модели. Показано, что условие безусловной устойчивости, полученное для линейной модели, сохраняется и для нелинейной модели. Ключевые слова: критерий устойчивости, критическая скорость, управляемость автомобиля, характеристика управляемости, устойчивость автомобиля
Постановка проблемы Устойчивость и управляемость автомобиля являются одними из основных эксплуатационных качеств автомобиля. Под устойчивостью понимают способность сохранять заданный режим движения в условиях воздействия на автомобиль возмущающих факторов. В связи с важностью проблемы устойчивого движения ее изучению уделяется большое внимание. Отыскание условий устойчивости автомобиля в общем виде – сложная нелинейная задача. Поэтому для того, чтобы получить достаточно общие результаты, решение этой задачи ищут при некоторых ослабляющих предположениях. Таким образом был получен один из основных выводов в теории устойчивости автомобиля [1]: если aC f bCr 0 , то движение автомобиля устойчиво при всех скоростях; если aC f bCr 0 , то автомобиль устойчив только при скоростях не больших критической скорости:
Vkr
C f Cr a b
2
m aC f bCr
,
(1)
где С f , Cr – коэффициенты увода передней и задней осей; m – масса автомобиля; a, b – расстояния от центра масс до передней и задней осей. Эти выводы справедливы лишь при выполнении некоторых условий, предназначенных для представления автомобиля линейной моделью: 1. Автомобиль движется по прямой или по кривой достаточно большого радиуса, поэтому продольные составляющие скоростей всех точек приближенно равны. 2. Поперечные составляющие скоростей колес на одной оси считаются равными, т. е. рассматривается так называемая «плоская» модель автомобиля. 3. Силы увода представляются линейными функциями углов увода. Такие предположения могут оказаться слишком нереалистичными, потому что значение таких факторов, как перераспределение нагрузки по осям и колесам одной оси, момент сил увода управляемых колес, вид зависимости сил увода от вертикальной нагрузки и угла увода может быть очень значительным, особенно в таких важных случаях, как движение с высокими скоростями и на кривых малых радиусов. По этой причине остается важной задача уточнения общих результатов устойчивости движения. ISSN 1990-7796. Вести Автомобильно-дорожного института = Bulletin of the Automobile and Highway Institute, 2017. № 2(21) Сайт http:// vestnik.adidonntu.ru
36 Анализ последних публикаций Из последних работ, которые велись в этом направлении, можно отметить учет влияния вертикальной нагрузки на силу увода [2] и более полное описание сил в пятне контакта [3]. Применение точных моделей, включающих в себя много факторов, как, например, в [4] и [5], возможно для детального исследования лишь какого-то одного типа автомобиля численными методами. Одним из наиболее полных руководств по моделям автомобилей является [6]. Различные проблемы, связанные с нелинейностью, все еще изучены не достаточно глубоко. Перспективным в этом плане является рассмотрение двумерной модели автомобиля включающей колею вместо традиционной плоской модели. Выделение нерешенных ранее частей общей проблемы Обычно при исследовании устойчивости целью является получение локальных или глобальных условий устойчивости стационарных состояний. Однако при изучении нелинейных моделей, включающих большое количество параметров, нахождение стационарных состояний может оказаться либо трудной задачей, либо привести к настолько громоздким результатам, которые не пригодны для дальнейшего анализа. Одним из способов преодоления этого затруднения может быть не поиск новых условий устойчивости, а определение границ применимости ранее найденных грубых критериев. Цель работы Целью данной работы является нахождение условий, при которых критерий устойчивости, полученный для плоской модели, оказывается неприменимым для полной нелинейной модели, учитывающей колею. Основной материал Уравнения движения автомобиля получают из схемы, показанной на рисунке 1. Уравнения оказываются более удобными, если систему координат iOj зафиксировать на кузове.
Рисунок 1 – Схема для составления уравнений движения в подвижной системе координат Приняты следующие обозначения: u и v – продольная и поперечная составляющие скорости центра масс О; – угол поворота управляемых колес; ISSN 1990-7796. Вести Автомобильно-дорожного института = Bulletin of the Automobile and Highway Institute, 2017. № 2(21) Сайт http:// vestnik.adidonntu.ru
37 J – момент инерции относительно вертикальной оси, проходящей через центр масс; – угловая частота вращения автомобиля; δi – угол увода i-го колеса. Будем считать, что во время движения поддерживается постоянная экипажная скорость u. Используя общие законы динамики, получаем следующую систему уравнений:
m v u Cr 3 4 C f 1 2 , J bC aC lC r 3 4 f 1 2 f 1 2
(2)
где δi – угол увода i-го колеса:
1,2
v a v b ; 3,4 , u l u l
где l – половина длины оси. Из системы (2) видно, что значение имеют не сами углы увода, а лишь их суммы и разность. Раскладывая их в ряд по l, и оставляя только члены старшего порядка, получим:
v a 2 2 , u u l v b v b 3 4 2u 2 2 , 2 u u l v a v a 1 2 2l 2 2l . 2 u u l
1 2 2u
v a
2
2
После подстановки этих выражений в основную систему (2) получим:
v b v a m v u 2Cr u 2C f u . J 2bC v b 2aC v a 2l 2C v a r f f u u2 u Подставляя v 0 , получаем систему уравнений для определения стационарных значений , которая приводится к одному квадратному уравнению: C 1 m 1 f 2l 2 2 l 2 f 1 0 , uCr L 2Cr L u 0
(3)
где L – база автомобиля; 0 – круговая частота вращения кузова, полученная для плоской модели (при l = 0):
0
2C f Cr Lu 2C f Cr L2 mC2u 2
,
ISSN 1990-7796. Вести Автомобильно-дорожного института = Bulletin of the Automobile and Highway Institute, 2017. № 2(21) Сайт http:// vestnik.adidonntu.ru
38 где C2 aC f bCr . Понятие устойчивости относится к стационарным значениям характеристик движения – в данном случае к величинам и v . Пара стационарных значений ω,v называется стационарным состоянием. Если стационарные состояния отсутствуют, то исследование их устойчивости теряет смысл. Выясним в каком случае исчезает стационарное значение угловой скорости. Для этого определим условие, при котором уравнение (3) не имеет решений. Дискриминант этого уравнения 2
C 1 m 1 D l 2 f 4l 2 2 . uCr L 2Cr L u 0 Решением
неравенства
D0
является
u
2C r L . m
Следовательно,
при
2C r L существует два стационарных состояния. При дальнейшем увеличении m скорости стационарные состояния сначала сольются в одно, а затем исчезнут. Величина Vkr , фигурирующая в критерии (1), отделяет устойчивые стационарные состояния от неустойчивых. Справедливость критерия (1) будет нарушена, если стационарные состояния исчезают при скорости меньшей Vkr (рисунок 2). Условием этого является отрицательный дискриминант D при u = Vkr . u
стационарные состояния
нестационарные состояния зона нарушения критерия устойчивости (1)
устойчивые стационарные состояния
неустойчивые стационарные состояния
Рисунок 2 – Нарушение критерия устойчивости Учитывая, что при l 0 Cr и C f , в выражении для Vkr , следует заменить на 2Cr и
2C f – критическая скорость станет равной Vkr
Так как при u Vkr
2C f Cr L2
m aC f bCr
.
1 0 , получим 0
ISSN 1990-7796. Вести Автомобильно-дорожного института = Bulletin of the Automobile and Highway Institute, 2017. № 2(21) Сайт http:// vestnik.adidonntu.ru
39 2 mVkr2 l2 C f D Vkr 2 l 4 1 Vkr Cr L 2Cr L 2 2 Сf L l2 C f l2 C f C1 , 2 l 4 1 l 4 b Vkr Cr L C2 Vkr2 Cr L C2
где C1 C f C r . Отсюда условие нарушения критерия (1) 2
Cf C1 l 4b . C2 Cr L
(4)
Так как C1 0 , то потеря управляемости может наступить только при C2 0 . Теоретически при некоторых значениях параметров неравенство (4) может не выполняться, однако при обычных значениях параметров, встречающихся на практике, неравенство (4) будет выполнено. Проверим полученный результат путем численного интегрирования системы (2). Для этого примем следующие значения параметров: u = 13,1; a = b = 2,5; l = 0,75; m = 2500; J = 1000; Cr = –5000; Cf = –6000; θ = 0,1. Проверим условия нарушения справедливости критерия устойчивости:
C2 aC f bCr 2,5 6000 2,5 5000 2500 0 ; Cf 6000 0,1 3, 24 104 ; l 0,75 5000 2,5 2,5 Cr L C 5000 6000 4b 1 4 2,5 44. C2 2,5 6000 2,5 5000 2
2
Критическая скорость, предсказываемая линейной моделью, равна
Vkr
2C f Cr L2
m aC f bCr
2 5000 6000 2,5 2,5 15,5 м/с. 2500 2,5 6000 2,5 5000 2
Проинтегрируем систему (2) при скорости u = 13,1<Vkr (рисунок 3 и рисунок 4). Видно, что линейная модель в соответствии с критерием устойчивости предсказывает, что автомобиль со временем будет двигаться по окружности с постоянной угловой скоростью, тогда как на самом деле, как видно из рисунка 4, угловая скорость будет неограниченно возрастать и при некотором ее значении автомобиль занесет. Также из рисунка 5 видно, что при невысоких скоростях стационарные угловые частоты примерно равны, а с увеличением скорости угловая частота обращается в бесконечность раньше, чем это следует из линейной модели.
ISSN 1990-7796. Вести Автомобильно-дорожного института = Bulletin of the Automobile and Highway Institute, 2017. № 2(21) Сайт http:// vestnik.adidonntu.ru
40 60
60
59.775
57.704
40
40
y
y 20
1.131
20
10 3
1.131
20 2.517
0
20
x
а) линейная модель
40
60 48.291
10 3
10 0 0.302
10
20
30
x
40
50 47.692
б) нелинейная модель
Рисунок 3 – Траектории движения центра задней оси
Рисунок 4 – Зависимость угловых скоростей от времени для линейной и нелинейной моделей
Рисунок 5 – Изменение угловых скоростей для линейной и нелинейной моделей в зависимости от скорости Выводы и перспективы дальнейших исследований Как и в случае плоской модели, автомобиль оказывается безусловно устойчивым при C2 0 . Если же C2 0 , то потеря управляемости произойдет при скорости ниже предсказыISSN 1990-7796. Вести Автомобильно-дорожного института = Bulletin of the Automobile and Highway Institute, 2017. № 2(21) Сайт http:// vestnik.adidonntu.ru
41 ваемой выражением (1). Результаты данной работы могут быть обобщены, если учесть различие коэффициентов увода на колесах одной оси, а также перераспределение нагрузки на осях и колесах. Список литературы 1. Ellis, J. R. Vehicle Dynamics / J. R. Ellis. ‒ London : Business Books Limited, 1969. 2. Вербицкий, В. Г. Влияние перераспределения нагрузок по осям на критическую скорость прямолинейного движения автомобиля / В. Г. Вербицкий, Е. М. Мисько // Вісник Донецького інституту автомобільного транспорту. ‒ 2009. ‒ № 2. ‒ С. 58–67. 3. Костенко, А. В. К вопросу об исследовании курсовой устойчивости движения легкового автомобиля с учетом пяточного момента шин / А. В. Костенко, А. Н. Ефименко // Вісник СНУ ім. Володимира Даля. ‒2010. ‒ № 6. ‒ С. 67–70. 4. Прогнозирование характеристик шин и курсовой устойчивости движения легкового автомобиля / В. А. Макаров [и др.] // 77-я международная конференция ААИ «Автомобиле- и тракторостроение в России: приоритеты развития и подготовка кадров». ‒ 2012. ‒ С. 58–63. 5. Pacejka, H. B. Tire and Vehicle Dynamics / H. B. Pacejka. ‒ 3rd Edition. ‒ Butterworth-Heinemann is an Imprint of Elsevier, 2012. ‒ 672 p. 6. Andersson, Johan Vehicle Dynamics: Optimization of Electronic Stability Program for Sports Cars [Электронный ресурс] / Johan Andersson. ‒ Режим доступа : http://epubl.ltu.se/1404-5494/2008/010/LTU-HIP-EX-08010-SE.pdf .
Д. В. Фесенко, А. И. Петров Автомобильно-дорожный институт ГОУВПО «Донецкий национальный технический университет», г. Горловка Учет колеи в критерии устойчивости плоской модели автомобиля Задача определения условий устойчивого движения является одной из важнейших прикладных проблем в динамике колесных экипажей. Однако математическая сложность этой задачи не позволяет получить полное решение, пригодное для любых условий. По этой причине широко используются локальные методы исследования устойчивости. Суть их заключается в том, что исходная нелинейная задача рассматривается лишь в некоторой окрестности изучаемого решения, в которой решение близко к решению другой, обычно гораздо более простой задачи. При таком подходе остается неизученным вопрос – в какой именно области справедливы полученные результаты. Данная работа является попыткой придать более корректную форму известному утверждению об устойчивости прямолинейного движения и связанному с ним понятию критической скорости. В линеаризованной модели, в рамках которой и был получен данный критерий, при каждом значении докритической скорости существует одно стационарное состояние. В полной нелинейной модели количество стационарных состояний изменяется. Достаточным условием нарушения критерия устойчивости является отсутствие стационарных состояний при докритических скоростях. Построена модель движения автомобиля, учитывающая момент, создаваемый силами увода управляемых колес. На основании этой модели получено уравнение для нахождения стационарных состояний и определено при каких условиях стационарные состояния исчезают раньше, чем достигается критическая скорость. Установлено достаточное условие нарушения результата относительно критической скорости. Также показано, что, как и для линейной модели, условие C2 0 гарантирует безусловную устойчивость автомобиля, причем как при прямолинейном движении, так и при движении на кривых. МОДЕЛЬ АВТОМОБИЛЯ, КРИТЕРИЙ УСТОЙЧИВОСТИ АВТОМОБИЛЯ, КРИТИЧЕСКАЯ СКОРОСТЬ АВТОМОБИЛЯ, УПРАВЛЯЕМОСТЬ АВТОМОБИЛЯ, УСТОЙЧИВОСТЬ АВТОМОБИЛЯ
ISSN 1990-7796. Вести Автомобильно-дорожного института = Bulletin of the Automobile and Highway Institute, 2017. № 2(21) Сайт http:// vestnik.adidonntu.ru
42 D. V. Fesenko, A. I. Petrov Automobile and Highway Institute of Donetsk National Technical University, Gorlovka Wheel Track Account in the Stability Criterion of the Automobile Two-Dimensional Model The determination task of stable motion conditions is one of the most important applied problems in the dynamics of wheel carriages. However, the mathematical complexity of this task forbids to arrive at complete solution applicable for any conditions. This is the reason why local methods of the stability study are widely used. The matter is that initial nonlinear problem is considered only in some neighbourhood of the problem under study. In this neighbourhood, the solution is close to the solution of the much easier problem. At such approach, the problem remain unexplored – in what field exactly the obtained results are valid. This work is an attempt to shape more correctly the known statement about stability of the linear motion and the concept of critical speed connected with it. In the linear model within the scope of which the given criterion has been obtained at every level of the subcritical speed only one stationary state exists. In complete nonlinear model the number of stationary states varies. Sufficient condition of the stability criterion disruption is the lack of stationary states at subcritical speeds. Automobile traffic model is developed. It takes into account the moment made by skid forces of steering wheels. Based on this model equation for finding automobile stationary states is obtained. It is determined when stationary states vanish before critical speed can be reached. Sufficient condition of the result disruption relative to the critical speed is determined. It is shown that as for linear model condition C2 0 ensures absolute automobile stability both at linear motion and at motion on the curve. AUTOMOBILE MODEL, AUTOMOBILE STABILITY CRITERION, CRITICAL SPEED, AUTOMOBILE STEERABILITY, AUTOMOBILE STABILITY Сведения об авторах: Д. В. Фесенко SPIN-код: 7939-6050 ResearcherID: H-9689-2016 Телефон: 380951660895 Эл. почта: dimaadipmi@gmail.com А. И. Петров Телефон: 380951660895 Эл. почта: dimaadipmi@gmail.com Статья поступила 30.06.2016 © Д. В. Фесенко, А. И. Петров, 2017 Рецензент: А. В. Химченко, канд. техн. наук, доц. АДИ ГОУВПО «ДонНТУ»
ISSN 1990-7796. Вести Автомобильно-дорожного института = Bulletin of the Automobile and Highway Institute, 2017. № 2(21) Сайт http:// vestnik.adidonntu.ru
43
СТРОИТЕЛЬСТВО И ЭКСПЛУАТАЦИЯ ДОРОГ УДК 625.75 А. В. Лисянец, Н. П. Дырда, канд. техн. наук Автомобильно-дорожный институт ГОУВПО «Донецкий национальный технический университет», г. Горловка ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ ПРОЦЕССА РАЗВИТИЯ ДЕФОРМАЦИЙ В ДОРОЖНОЙ ОДЕЖДЕ НЕЖЕСТКОГО ТИПА ПОД ВОЗДЕЙСТВИЕМ ДИНАМИЧЕСКОЙ НАГРУЗКИ Разработана лабораторная установка для измерения величины накопления деформаций в эквивалентных слоях дорожной конструкции с нежестким покрытием. В статье приведено описание принципа работы лабораторной установки, выбор условий проведения эксперимента и выведенные на основании его результатов уравнения регрессии. Для проведения исследований был использован метод планирования эксперимента. Ключевые слова: дорожная одежда, величина накопленной деформации, экспериментальная установка, уравнение регрессии
Анализ предшествующих исследований и постановка проблемы Под воздействием многократно повторяющихся нагрузок даже на ранней стадии эксплуатации верхних слоев покрытия из горячих асфальтобетонов наблюдается интенсивное развитие деформаций, что приводит к снижению ровности покрытия. Следствием является сокращение срока службы дорожной одежды, снижение безопасности движения и возрастание себестоимости автомобильных перевозок. Современные общепринятые принципы конструирования и расчета дорожных одежд не позволяют запроектировать конструкцию, не подвергающуюся накоплению деформаций. За последние годы в направлении исследования развития деформаций и усовершенствования конструкции нежестких дорожных одежд была проведена целая серия научных разработок. Проблеме накопления деформаций в дорожной одежде были посвящены работы [1–9]. В частности, методике определения устойчивости асфальтобетонных покрытий к развитию деформаций под воздействием динамических нагрузок посвящены исследования А. С. Мирончука, выполненная в Ростовском государственном архитектурно-строительном университете [10]. Однако проблема установления закономерностей процессов развития деформаций в дорожных конструкциях остается нерешенной. В сложившихся условиях исследования по регулированию процесса развития деформаций в дорожных одеждах являются актуальными. Цель работы Исследование процесса развития деформаций в эквивалентных слоях дорожной одежды для оптимизации ее прочностных параметров. Основной материал исследования Для реализации методики проведения экспериментальных исследований процесса накопления деформаций асфальтобетонных покрытий и упругого основания нежестких дорожных одежд в лабораторных условиях была создана установка. Конструктивные элементы установки приведены на рисунке 1 (а, б). ISSN 1990-7796. Вести Автомобильно-дорожного института = Bulletin of the Automobile and Highway Institute, 2017. № 2(21) Сайт http:// vestnik.adidonntu.ru
44 а)
б)
Рисунок 1 – Лабораторная установка 1 – корпус, 2 – резиновый диск, 3 – асфальтобетонный образец, 4 – нагрузочный штамп, 5 – гипсовая заливка, 6 – нагрузочное устройство, 7 – счетчик циклов, 8 – термодатчик, 9 – индикатор часового типа, 10 – пластина, 11 – стержень, 12 – рычаг, 13 – пружина, 14 – регулировочный винт, 15 – треугольная призма, 16 – опора ISSN 1990-7796. Вести Автомобильно-дорожного института = Bulletin of the Automobile and Highway Institute, 2017. № 2(21) Сайт http:// vestnik.adidonntu.ru
45 Установка состоит из корпуса 1, в который помещается резиновый диск 2 диаметром 200 мм и высотой 50 мм и цилиндрический образец асфальтобетона 3 таких же размеров. Размеры испытуемого образца и нагрузочного штампа 4 были выбраны по аналогии с исследованиями [10], во время проведения которых было установлено, что в испытуемой модели диаметром 200 мм и высотой 50 мм под нагрузками нагрузочного штампа диаметром 70 мм напряженно-деформационное состояние будет максимально приближенным к реальным условиям эксплуатации покрытия дорожной одежды. Зазор между образцом и стенками корпуса установки заполнен гипсовой заливкой 5. С помощью нагрузочного устройства 6 создается динамическое воздействие с частотой 10 колебаний в минуту. Данная частота обоснована техническими возможностями нагрузочного устройства. Количество нагружений подсчитывается при помощи счетчика циклов 7. Расчетная нагрузка, согласно методике экспериментальных исследований, создавалась на двух уровнях: нижний – 0,5 МПа, верхний – 0,7 МПа. Испытания проводились при температуре 20°С, которая контролировалась термодатчиками 8. Замер линейной деформации асфальтобетонного слоя осуществлялся при помощи индикаторов часового типа 9, установленных на пластине 10. Линейный размер деформаций упругого основания через стержень 11 передавался на рычаг 12 в точке B1 . Пружины 13 и регулировочный винт 14 предотвращают образование зазора между рычагом 12 и стержнем 11. На рычаге закреплена треугольная призма 15, которая опирается на опору 16. Значения деформации измеряются в точке С с помощью двух индикаторов 9. Для более точного результата выбирали среднее значение показаний двух индикаторов. В качестве независимых переменных плана проведения эксперимента были выбраны: величина приложенной нагрузки ( X 1 ) и значение модуля упругости грунтового основания ( X 2 ). Величина основного уровня варьирования нагрузки, согласно нормам проектирования нежестких дорожных одежд, принята 0,6 МПа [11]. Основной уровень варьирования модуля упругости основания выбран 75 МПа, согласно разработкам профессора Н. Н. Иванова [12]. Уровни варьирования факторов приведены в таблице 1. Таблица 1 – Уровни варьирования факторов Факторы
Величина приложенной нагрузки X 1 (P, Мпа)
Модуль упругости основания X 2 (Е, Мпа)
Основной уровень ( X io )
0,6
75
Интервал варьирования ( ΔX i )
0,1
15
Верхний уровень ( xi 1 )
0,7
90
Нижний уровень ( xi 1 )
0,5
60
Результаты проведенного эксперимента – измерения линейных размеров деформаций на поверхности асфальтобетонного слоя ( δ А ) и на границе слоев асфальтобетона и упругого основания ( δ В ), приведены в таблице 2. Однородность ряда построчных дисперсий полученных результатов проверялась по критерию Кохрена.
ISSN 1990-7796. Вести Автомобильно-дорожного института = Bulletin of the Automobile and Highway Institute, 2017. № 2(21) Сайт http:// vestnik.adidonntu.ru
46 Таблица 2 – Результаты проведения эксперимента
X1 +1 +1 –1 –1 +1 –1 0 0 0
X2 +1 –1 +1 –1 0 0 +1 –1 0
δА 3,17 3,74 2,78 3,35 3,52 3,13 2,99 3,65 3,35
δВ 1,85 2,41 1,45 2,01 2,18 1,78 1,67 2,23 2,00
На основании полученных результатов измерений были разработаны 3 статистические модели: линейная, квадратичная и экспоненциальная. При проверке на адекватность по критерию Фишера F было выявлено, что наиболее адекватные результаты дает квадратичная модель. Таким образом, модель исследуемого процесса в общем виде следующая:
y b0 b1x1 b2 x2 b3 x1x2 b4 x12 b5 x22 ,
(1)
где b0 ,..., b5 – коэффициенты уравнения. После расчета коэффициентов уравнения и определения их статистической значимости для определения величины линейной деформации на поверхности асфальтобетонного слоя ( δ А ) получено следующее уравнение регрессии:
δ А 3,30 0,05х1 0,02 х2 0,1х12 0,32 х22 , мм.
(2)
В натуральном масштабе уравнение имеет вид:
δ А 0,43 11,5Р 0,17 Е 10Р2 0,01Е 2 , мм.
(3)
Уравнение регрессии для определения величины линейной деформации на границе слоев асфальтобетона и упругого основания ( В ) в натуральном масштабе имеет вид:
δВ 0,15 6,8Р 0,16Е 8Р2 0,0002 Е 2 , мм.
(4)
Графическое изображение результатов измерений Графические изображения полученных результатов экспериментального исследоваостаточных деформаций в точке А ния представлены на рисунках 2 и 3. δ, мм 4 3,5 3
-1
2,5 0 Е, МПа
2 1 Р, МПа 0
1 -1
Рисунок 2 – Графическое изображение результатов измерений деформаций в точке А ISSN 1990-7796. Вести Автомобильно-дорожного института = Bulletin of the Automobile and Highway Institute, 2017. № 2(21) Сайт http:// vestnik.adidonntu.ru
Графическое изображение результатов измерений остаточных деформаций в точке В
47
δ, мм 2,5 2 1,5 1
-1
0,5 0
0 1 Р, МПа 0
1 Е, МПа
-1
Рисунок 3 – Графическое изображение результатов измерений деформаций в точке В Для проверки адекватности модели определялись расчетные значения отклика. Экспериментальные и вычисленные значения величины линейной деформации в точках А и В занесены в таблицы 3 и 4. Таблица 3 – Сопоставление экспериментальных и вычисленных данных в точке А Номер опыта n 1 2 3 4 5 6 7 8 9
δnэксп
δn расч
3,17 2,78 3,74 3,35 2,99 3,65 3,52 3,13 3,35
3,00 2,60 3,60 3,20 2,90 3,50 3,40 3,00 3,30
δ 0,17 0,18 0,14 0,15 0,09 0,15 0,12 0,13 0,05
2 δ
δ2 0,0289 0,0324 0,0196 0,0225 0,0081 0,0225 0,0144 0,0169 0,0025 0,1678
Таблица 4 – Сопоставление экспериментальных и вычисленных данных в точке В Номер опыта n 1 2 3 4 5 6 7 8 9
δnэксп
δn расч
δ
1,85 1,45 2,41 2,01 1,67 2,23 2,18 1,78 2,00
1,68 1,41 2,24 1,97 1,59 2,31 2,04 1,77 1,95
0,17 0,04 0,17 0,04 0,08 0,08 0,14 0,01 0,05
2 δ
δ2 0,0289 0,0016 0,0289 0,0016 0,0064 0,0064 0,0196 0,0001 0,0025 0,0960
Данные таблиц 3 и 4 использовались для определения дисперсии неадекватности, с помощью которой вычислен критерий Фишера для проверки соответствующих моделей на адекватность. Гипотеза об адекватности модели ни в первом случае, ни во втором – не отвергается. ISSN 1990-7796. Вести Автомобильно-дорожного института = Bulletin of the Automobile and Highway Institute, 2017. № 2(21) Сайт http:// vestnik.adidonntu.ru
48 Выводы В результате проведенных исследований выявлено, что наибольшее накопление деформации наблюдается в конструкции с наименьшим модулем упругости основания 60 МПа при приложении наибольшей нагрузки 0,7 МПа (на поверхности асфальтобетонного слоя – 3,74 мм, на границе слоев асфальтобетона и упругого основания – 2,41 мм), а наименьшее – в конструкции с наибольшим модулем упругости основания 90 МПа при приложении наименьшей нагрузки 0,5 МПа (на поверхности асфальтобетонного слоя – 2,78 мм, на границе слоев – 1,45 мм). Полученные в результате исследования уравнения регрессии дают возможность регулировать величину накопления остаточной деформации путем варьирования параметров нагрузки и модуля упругости грунтового основания и таким образом оптимизировать выбор данного прочностного параметра дорожной конструкции. С помощью разработанной установки в дальнейшем возможно исследование процесса развития деформаций в конструкциях с различными типами асфальтобетонного покрытия дорожной одежды. Наличие термодатчиков дает возможность варьирования температуры окружающей среды для проведения экспериментов как при низких, так и при высоких температурах. Список литературы 1. Матуа, В. П. Прогнозирование и учет накопления остаточных деформаций при проектировании нежестких дорожных одежд / В. П. Матуа, Е. М. Баранова, Д. В. Чирва // Строительство 2005 : материалы юбилейной Международной научно-практической конференции. – Ростов н/Д. : РГСУ, 2006. – С. 20‒21. 2. Углова, Е. В. Теоретические и методологические основы оценки остаточного усталостного ресурса асфальтобетонных покрытий автомобильных дорог : автореф. дис. … д-ра техн. наук : 05.23.11 / Е. В. Углова. – Волгоград, 2009. ‒ 38 с. 3. Мордвин, С. С. Совершенствование метода определения прочности нежестких дорожных одежд динамическим нагружением : автореф. ... канд. техн. наук : 05.23.11 / С. С. Мордвин. – М., 2011. – 23 с. 4. Осиновская, В. А. Влияние вибрации нежестких дорожных одежд на их прочность / В. А. Осиновская. – М. : ФГБОУ ВПО «Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет», 2014. – 15 с. 5. Jin-Chun, Chai Traffic-Load-Induced Permanent Deformation of Road on Soft Subsoil / Chai Jin-Chun, N. Miura // Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering. –2002, November. – 10 p. 6. Чирва, Д. В. Влияние упруго-вязко-пластичных свойств асфальтобетона на накопление остаточных деформаций при пространственном динамическом нагружении дорожных конструкций : автореф. дис. … канд. техн. наук : 05.23.11 / Д. В. Чирва. – Волгоград, 2010. – 23 с. 7. Monismith, C. L. Permanent Deformation (Rutting) Considerations in Asphalt Concrete Pavement Sections / C. L. Monismith, A. A. Tayebali // Conference: Association of Asphalt Paving Technologists Technical Sessions. ‒ Williamsburg, Virginia, USA, 1988. 8. Nonlinear Elastic Viscous with Damage Model to Predict Permanent Deformation of Asphalt Concrete Mixes / Jorge Sousa, Shmuel L. Weissman, Jerome L. Sackman, Carl L. Monismith / Transportation Research Board. – 1993. – p. 80‒93. 9. Матвеев, С. А. Моделирование и расчет армированных многослойных плит на упругом основании : автореф. … канд. техн. наук : 05.23.11 / С. А. Матвеев. – Новосибирск, 2006. – 20 с. 10. Мирончук, А. С. Метод определения устойчивости асфальтобетонных покрытий автомобильных дорог к накоплению остаточных деформаций под воздействием динамических нагрузок : автореф. ... канд. техн. наук : 05.23.11 / С. А. Мирончук. ‒ Воронеж, 2015. – 18 с. 11. Проектирование нежестких дорожных одежд. Отраслевые дорожные нормы : ОДН 218.046-01. – М. : Росавтодор, 2001. – 61 с. 12. Иванов, Н. Н. Требования к уплотнению грунтов и земляных сооружений / Н. Н. Иванов // Механизированное уплотнение грунтов в строительстве. – М. : Госстройиздат, 1962. – С. 31–33.
ISSN 1990-7796. Вести Автомобильно-дорожного института = Bulletin of the Automobile and Highway Institute, 2017. № 2(21) Сайт http:// vestnik.adidonntu.ru
49 А. В. Лисянец, Н. П. Дырда Автомобильно-дорожный институт ГОУВПО «Донецкий национальный технический университет», г. Горловка Исследование закономерностей процесса развития деформаций в дорожной одежде нежесткого типа под воздействием динамической нагрузки Проблеме накопления деформаций в дорожной одежде было посвящено множество исследований. Однако вопрос установления закономерностей процесса развития деформаций в дорожных конструкциях остается открытым. Статья посвящена экспериментальному исследованию влияние модуля упругости грунтового основания дорожной конструкции и величины приложенной нагрузки на процесс развития деформаций в эквивалентных слоях дорожной одежды. Разработана экспериментальная установка для измерения величины накопления деформации на поверхности эквивалентного слоя асфальтобетона и на его границе с упругим основанием под воздействием динамической нагрузки. Приведены внешний вид и схема установки с указанием конструктивных элементов, описан принцип ее работы. Для проведения экспериментальных исследований использован метод планирования эксперимента. Для обработки полученных данных использованы методы математической статистики: дисперсионного и регрессионного анализов с оценкой результатов по критериям Стьюдента (значимость), Кохрена (дисперсионность), Фишера (адекватность). В результате составлены уравнения регрессии, позволяющие регулировать величину накопленной деформации на поверхности эквивалентного слоя асфальтобетона и на его границе с упругим основанием путем варьирования величины нагрузки и модуля упругости грунтового основания и таким образом оптимизировать выбор данного прочностного параметра дорожной конструкции. Представлены графические изображения и анализ результатов измерений. Определены перспективные направления дальнейших исследований. ДОРОЖНАЯ ОДЕЖДА, ВЕЛИЧИНА НАКОПЛЕННОЙ ДЕФОРМАЦИИ, ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА, УРАВНЕНИЕ РЕГРЕССИИ
А. V. Lisianets, N. P. Dyrda Automobile and Highway Institute of Donetsk National Technical University, Gorlovka Study of Deformation Process Regularities in the Nonrigid Road Pavement under the Influence of Dynamic Load Many studies were devoted to the problem of deformation accumulation in the road pavement. However, the question of determination of the deformation process regularities in road structures remains open. The article is devoted to the experimental study of the impact of the road structure earth foundation elastic modulus and the magnitude of the applied load on the deformation development in equivalent layers of the road pavement. The experimental facility to measure the magnitude of the deformation accumulation on the surface of the asphaltic concrete equivalent layer and on its border with the elastic foundation under the influence of dynamic load is developed. The appearance and scheme of the facility with indication of structural elements is given, principle of its operation is described. To carry out experimental studies the method of experimental design is used. To process obtained data the methods of mathematical statistics are used: dispersion and regression analysis with an evaluation of results by criteria of Student (significance), Cochrane (dispersion), Fisher (adequacy). As a result regression equations allowing to regulate the magnitude of accumulated deformation on the surface of the asphaltic concrete equivalent layer and on its border with the elastic foundation by the way of the load magnitude and earth foundation elastic modulus variation are made up and thus optimizing the choice of this strength property of the road structure. Graphic images and the analysis of measurement results are presented. ROAD PAVEMENT, MAGNITUDE OF ACCUMULATED DEFORMATION, EXPERIMENTAL FACILITY, REGRESSION EQUATION Сведения об авторах: А. В. Лисянец SPIN-код: 5360-8121 Телефон: +380 (95) 38-38-172 Эл. почта: annuta-3991@mail.ru Н. П. Дырда Статья поступила 20.04.2017 © А. В. Лисянец, Н. П. Дырда, 2017 Рецензент: Т. В. Скрыпник, канд. техн. наук, доц. АДИ ГОУВПО «ДонНТУ» ISSN 1990-7796. Вести Автомобильно-дорожного института = Bulletin of the Automobile and Highway Institute, 2017. № 2(21) Сайт http:// vestnik.adidonntu.ru
50
ОХРАНА ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ УДК 532.542.4:532.772 А. П. Симоненко, д-р техн. наук, Н. А. Дмитренко, А. Ю. Собко, С. А. Фоменко ГОУВПО «Донецкий национальный университет», г. Донецк СПОСОБЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ ГИДРОДИНАМИЧЕСКИ АКТИВНЫХ ПОЛИМЕРОВ В ОДНОРОДНЫХ РАСТВОРАХ И УСТРОЙСТВА ДЛЯ ИХ РЕАЛИЗАЦИИ В основу предлагаемых способов определения концентраций гидродинамически активных высокомолекулярных полимеров положены особенности течения их растворов в капилляре турбулентного реометра (снижение гидродинамического сопротивления турбулентного трения), а также через короткий капилляр и в канале переменного сечения (увеличение гидравлических потерь по сравнению с течением чистого растворителя). В статье приведены принципиальные схемы устройств для реализации предлагаемых способов на практике. Ключевые слова: гидродинамический способ определения, концентрация раствора, раствор однородный, гидродинамически активный полимер
Состояние вопроса Создание водорастворимых гидродинамически активных композиций на основе высокомолекулярных полимеров (ВП), с линейной структурой макромолекул, например, полиэтиленоксида (ПЭО) и полиакриламида (ПАА), открывает большие перспективы практического применения эффекта Томса для предупреждения и ликвидации последствий техногенных аварий на магистральных трубопроводах систем канализации жилищно-коммунального хозяйства, сброса сильнозагрязненных сточных вод химических предприятий и т. д., а также для повышения эффективности работы централизованных систем и мобильных установок водяного пожаротушения. Особый интерес, с практической точки зрения, представляют ультраслабые быстрорастворимые полимерные покрытия и флоковые покрытия с водорастворимыми полимерными наполнителями, которые наносятся на армирующие вставки проточных генераторов (кассет), и в процессе их размыва водой образуются растворы со сниженным гидродинамическим сопротивлением турбулентного трения (ГСТТ). В таких случаях возникает необходимость контроля концентрации гидродинамически активного полимера в намываемом растворе с целью его оптимального использования [1–3]. Известные на сегодняшний день способы определения концентрации ВП в однородных водных растворах можно разделить на следующие группы: фотометрические, ультразвуковые, электрохимические, вязкостные и др. Перечисленные выше методы эффективно используются для определения концентраций ВП в умеренно- и сильно концентрированных растворах. Многочисленными исследованиями [4–6] установлено, что наличие в турбулентных потоках жидкостей микродобавок растворимых ВП, с линейной структурой макромолекул, приводит к существенному снижению ГСТТ в напорных трубопроводах (эффект Томса). Так, например, введение в перекачиваемую воду 5·10 -5–10-2 вес. % высокомолекулярных ПЭО и ПАА, с молекулярной массой 1,2–6,0 млн, снижает величину их ГСТТ на прямолинейных участках труб в 3–5 раз. Использование этого явления (при величинах эффекта снижения ГСТТ на 10–80 %) открывает перспективы повышения эффективности работы гидравлических систем по одному из альтернативных показателей: уменьшение потребляемой перекачиISSN 1990-7796. Вести Автомобильно-дорожного института = Bulletin of the Automobile and Highway Institute, 2017. № 2(21) Сайт http:// vestnik.adidonntu.ru
51 ваемыми насосами мощности на 10–80 %, увеличение длины прямолинейных участков трубопроводов в 1,1–5,0 раз, уменьшение внутреннего диаметра труб на 2,0–28,0 %, увеличение расхода подаваемой по трубопроводу жидкости в 1,05–2,24 раза [7]. Для эффективного использования эффекта Томса в промышленных масштабах – уменьшения гидравлических потерь, например, в напорных трубопроводах систем водоотведения и канализации, и для повышения эффективности работы пожаротушащего оборудования и гидроструйных машин в последние годы интенсивно проводятся исследования по созданию различных водорастворимых полимерных композиций на основе высокомолекулярных ПЭО и ПАА. Так, например, авторами работ [1–3] за последние два десятилетия выполнены комплексные исследования по усовершенствованию составов, технологий приготовления и использования известных жидких водорастворимых полимерных композиций – тонкодисперсных суспензий и паст, а также разработаны составы и технологии приготовления флоковых покрытий с водорастворимыми полимерными наполнителями, твердых водорастворимых полимерных композиций – ультраслабых легкорастворимых покрытий, полимерных брикетов и проточных генераторов приготовления из них растворов. Приготовление растворов ПЭО и ПАА, требуемых концентраций из жидких водорастворимых полимерных композиций, обеспечивается известными (заданными) объемами их подачи в систему трубопроводов и содержанием полимера в этих композициях. В то же время при приготовлении полимерных растворов в проточных генераторах из флоковых покрытий и твердых водорастворимых полимерных композиций содержание полимера в растворителе определяется его массоотдачей в процессе размыва композиций. В этих случаях возникает необходимость контроля концентрации гидродинамически активного полимера в намываемом растворе. Цель исследования Цель настоящей работы заключается в обосновании применения гидродинамических способов определения содержания ВП в слабоконцентрированных растворах, в основу которых положены особенности течений этих растворов в капилляре турбулентного реометра (снижение ГСТТ), а также через короткий капилляр и в канале переменного сечения (увеличение гидравлических потерь по сравнению с течением чистого растворителя). Методика исследования Определение концентрации ВП в слабоконцентрированных растворах гидродинамическими методами сводится к установлению зависимости величины эффекта снижения ГСТТ (/, %), при постоянном числе Рейнольдса, в капилляре турбулентного реометра или зависимости потерь давления P, н/м2, при течении этих растворов через короткий капилляр или по трубке переменного сечения (при постоянном расходе) от содержания полимера в растворе (C, % вес.). На первом этапе строятся графики зависимостей / = f(C) или P = f(C) – для растворов с известными концентрациями полимера, а на втором – по величинам /, %, и P, н/м2, которые определяются при тех же условиях, для растворов с неизвестным содержанием полимера. По заранее построенным графикам определяется искомая концентрация полимера. Течение в капилляре турбулентного реометра Из основных закономерностей явления снижения ГСТТ добавками ВП известно, что зависимость величины эффекта /, % от концентрации полимера в растворе имеет экстремальный характер. При этом максимальный эффект достигается при некоторой оптимальной концентрации полимера в растворе Cопт.. При C < Cопт. вязкость полимерного раствора практически не отличается от вязкости растворителя, а при C > Cопт. величина эффекта снижения ISSN 1990-7796. Вести Автомобильно-дорожного института = Bulletin of the Automobile and Highway Institute, 2017. № 2(21) Сайт http:// vestnik.adidonntu.ru
52 ГСТТ уменьшается за счет увеличения вязкости раствора [8, 9]. Особо следует отметить, что при заданной величине перепада давления P (т. е. при фиксированном значении динамической скорости V w , где w – касательное напряжение трения на стенке, – плотность раствора), величина эффекта снижения /, % зависит не только от концентрации полимера, но и от его средней молекулярной массы, и при концентрациях близких к Cопт. может достигать 80 %. В связи с вышеизложенным, способ определения концентрации гидродинамически активных полимеров, в основу которого положено измерение величины эффекта снижения ГСТТ в капилляре турбулентного реометра, целесообразно использовать для растворов, концентрация полимеров в которых меньше Cопт.. Гидродинамическая эффективность однородных водных растворов полимеров определяли в капилляре турбулентного реометра, принципиальная схема и принцип работы которого приведены в [10]. Течение через короткий капилляр В этом способе используется течение растворов гидродинамически активного полимера в условиях растягивающегося потока. Для создания зоны с продольным градиентом скорости можно использовать сходящееся течение, которое реализуется при истечении жидкости из цилиндрического сосуда в короткий капилляр. Для реализации этого способа в рамках настоящей работы была изготовлена установка, принципиальная схема основного измерительного узла который приведен на рисунке 1. Принцип работы установки заключается в следующем. Исследуемый раствор по патрубку 1 подается через расходомер 2 в напорную рабочую камеру 3. После этого раствор через короткий капилляр 4 поступает в приемную камеру 5. Давление в рабочих камерах 3 и 5 контролируется образцовыми манометрами М1 и М2. Отработанный раствор отводится через сливной патрубок 6.
Рисунок 1 – Принципиальная схема рабочего узла установки для реализации течения через короткий капилляр 1 – патрубок подачи исследуемого раствора в напорную рабочую камеру; 2 – индукционный расходомер; 3 – напорная рабочая камера; 4 – короткий капилляр; 5 – приемная рабочая камера; 6 – патрубок отвода отработанного раствора, М1 и М2 – образцовые манометры Особенностью для течений с растяжением является тот факт, что в водных растворах высокомолекулярных полимеров наблюдается аномально высокая «кажущаяся» вязкость, начиная с некоторого значения скорости. Величина этой скорости зависит от концентрации и является характерной величиной. Концентрация полимера в растворе, как и в предыдущем способе, определяется путем сравнения полученных значений величины P для растворов с ISSN 1990-7796. Вести Автомобильно-дорожного института = Bulletin of the Automobile and Highway Institute, 2017. № 2(21) Сайт http:// vestnik.adidonntu.ru
53 неизвестной концентрацией полимера с графиком зависимости P = f(C), который построен для растворов с известным содержанием ВП. Результаты экспериментальных исследований водных растворов высокомолекулярного ПЭО, со средней молекулярной массой 4·106, при течении через короткий капилляр диаметром и длиной равными 1,0 и 1,2 мм, показали, что увеличение концентрации полимера от 0 до 0,04 % вес. приводит к увеличению потерь давления почти в 3 раза. Течение в канале переменного сечения Еще один гидродинамический способ решения поставленной задачи основан на свойстве полимерных добавок существенно увеличивать гидравлические потери при течении их растворов в трубках с переменным сечением. В отличие от цилиндрических, трубки переменного сечения более чувствительны к наличию полимерных добавок в растворе, а зависимость их сопротивления от концентрации полимера в растворе не имеет экстремумов, что обеспечивает однозначное определение концентрации и более высокую точность измерения. Блоксхема установки приведена на рисунке 2. Здесь же приведены общий вид и геометрические размеры канала переменного сечения, который использовался в процессе исследований.
Рисунок 2 а, б – Принципиальная схема экспериментальной установки с каналом переменного сечения а) 1 – бак для исследуемой жидкости, 2 – подводящая трубка, 3 – канал переменного сечения, 4 – дифманометр, 5 – приемная емкость для отработанного раствора, 6 – частотомер электронносчетный ЧЗ-49, 7 – источник постоянного тока б) Общий вид и геометрические размеры канала переменного сечения Истечение исследуемых полимерных растворов происходит из емкости 1 по подводящей трубке 2 в канал переменного сечения 3. Перепад давления, возникающий при течении растворов по каналу, измеряется при помощи дифференциального манометра 4 посредством электронносчетного частотомера 6 и источника постоянного тока 7. Расход исследуемых ISSN 1990-7796. Вести Автомобильно-дорожного института = Bulletin of the Automobile and Highway Institute, 2017. № 2(21) Сайт http:// vestnik.adidonntu.ru
54 полимерных растворов через канал определяли объемным способом. Отработанный раствор поступал в приемную емкость 5. На рисунке 3 представлен график зависимости потерь давления P в трубке переменного сечения при течении в ней (с фиксированным расходом) водных растворов полиэтиленоксида (партия ПЭО Н-89) различных концентраций со средней молекулярной массой 4·106. При этом диаметр вставки с меньшим сечением был равен d = 1,5 мм, а с максимальным – 2,12 мм. Из рисунка видно, что величина потерь давления P для раствора, содержащего 0,06 вес. % ПЭО, возрастает почти в 260 раз по сравнению с потерями для чистой воды [11].
Рисунок 3 – Зависимость перепада давления P от концентрации ПЭО в растворе при течении в трубке переменного сечения, dг = 1,5 мм, q = 1,210-7 м3/с Повысить чувствительность потерь давления от изменения концентрации ПЭО в растворе можно путем уменьшения диаметра вставки с меньшим сечением. Так, например, для d = 0,5 мм, изменение концентрации ПЭО в растворе на несколько сотых процента вызывает увеличение потерь давления P на порядок. Величина относительной погрешности, при определении концентрации ВП в растворах предлагаемыми гидродинамическими методами, не превышает 0,025. Заключение Используя особенности течения слабоконцентрированных растворов ВП, с линейной структурой макромолекул, – уменьшение величины ГСТТ в капилляре турбулентного реометра, а также увеличение гидравлических потерь при течении через короткий капилляр и в трубке переменного сечения, можно создать доступные в реализации способы определения содержания этих полимеров в растворах. Список литературы 1. Симоненко, О. П. Перспективи застосування флокового покриття з водорозчинними полімерними наповнювачами в енергозбереженні й екології / О. П. Симоненко // Вісник Національного університету «Львівська політехніка», «Хімія, технологія речовин та їх застосування». ‒ Львів : НУ «Львівська політехніка», 2012. ‒ № 726. ‒ С. 252–257. 2. Симоненко, А. П. Перспективы практического применения эффекта Томса в гидравлических системах при чрезвычайных ситуациях / А. П. Симоненко // Екологічна безпека : зб. наук. пр. СНУЯЕ та П. ‒ Севастополь : СНУЯЕ та П, 2012. ‒ № 4 (44). ‒ С. 232–241. ISSN 1990-7796. Вести Автомобильно-дорожного института = Bulletin of the Automobile and Highway Institute, 2017. № 2(21) Сайт http:// vestnik.adidonntu.ru
55 3. Симоненко, А. П. Повышение эффективности работы противопожарной техники путем применения гидродинамически активных полимерных композиций / А. П. Симоненко // Проблемы пожарной безопасности : сб. науч. тр. Нац. ун-та гражданской защиты Украины. ‒ Х. : НУГЗУ, 2012. ‒ № 32. ‒ С. 195–206. 4. Liberanore, M. W. Shear-Induced Structure Formation in Solutions of Drag Reducing Polymers / M. W. Liberanore, E. J. Pollauf, A. J. J. McHungh // Journal of Non-Newtonian Fluid Mechanics. ‒ 2003. ‒ Vol. 113, №. 2–3. ‒ P. 193–208. 5. Корнилов, В. И. Проблемы снижения турбулентного трения активными и пассивными методами (обзор) / В. И. Корнилов // Теплофизика и аэромеханика. ‒ 2005. ‒ Т. 12, № 2. ‒ С. 183–208. 6. Козлов, Л. П. Гідродинамічний ефект Томса і його можливі технічні застосування / Л. П. Козлов // Вісник АН УРСР. ‒ 1987. ‒ № 1. ‒ С. 23–33. 7. Пилипенко, В. Н. Влияние добавок на пристенные турбулентные течения / В. Н. Пилипенко // Итоги науки и техники. Механика жидкости и газа / ВИНИТИ. ‒ 1980. ‒ Т. 15. ‒ С. 156–257. 8. О снижении гидродинамического сопротивления добавками полимеров / Л. И. Седов [и др.] // Механика турбулентных потоков. ‒ М. : Наука, 1980. ‒ С. 7–28. 9. Анисимов, И. А. Зависимость деструкции водного раствора полиэтиленоксида от работы сил трения / И. А. Анисимов, Б. П. Миронов // Турбулентные сдвиговые течения неньютоновских жидкостей. ‒ Новосибирск, 1981. ‒ С. 14–38. 10. Симоненко, А. П. Снижение гидродинамического сопротивления и конформационное состояние макромолекул в водных растворах микробного экзополисахарида / А. П. Симоненко, А. А. Пивкина // Вісник ДонНУ. Сер. А : Природничі науки. ‒ 2004. ‒ Вип. 1. ‒ С. 231–236. 11. Асланов, П. В. Исследование течения растворов высокомолекулярных полимеров / П. В. Асланов, Н. А. Дмитренко // Вісник Донецького університету. Сер. А : Природничі науки. ‒ 2006. ‒ № 2. ‒ С. 133–136.
А. П. Симоненко, Н. А. Дмитренко, А. Ю. Собко, С. А. Фоменко ГОУВПО «Донецкий национальный университет», г. Донецк Способы определения концентрации гидродинамически активных полимеров в однородных растворах и устройства для их реализации Рассматриваются задачи определения концентрации гидродинамически активных полимеров в однородных слабоконцентрированных водных растворах, которые характеризуются сниженным гидродинамическим сопротивлением турбулентного трения по сравнению с растворителем. Преимущественно, предлагаемые авторами способы относятся к растворам высокомолекулярных полимеров с линейной структурой макромолекул – полиэтиленоксида, полиакриламида, натриевой соли карбоксиметилцеллюлозы, гуаровой смолы и др. В основу предлагаемых гидродинамических способов определения концентрации положены особенности течений растворов этих полимеров в капилляре турбулентного реометра (снижение гидродинамического сопротивления турбулентного трения), через короткий капилляр и в канале переменного сечения (увеличение гидравлических потерь по сравнению с течением чистого растворителя). Приведены принципиальные схемы устройств для реализации предлагаемых способов на практике: установки для реализации течения через короткий капилляр и экспериментальной установки с каналом переменного сечения. Используя особенности течения слабоконцентрированных растворов ВП, с линейной структурой макромолекул, – уменьшение величины ГСТТ в капилляре турбулентного реометра, а также увеличение гидравлических потерь при течении через короткий капилляр и в трубке переменного сечения, можно создать доступные в реализации способы определения содержания этих полимеров в растворах. ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЙ СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ, КОНЦЕНТРАЦИЯ РАСТВОРА, РАСТВОР ОДНОРОДНЫЙ, ГИДРОДИНАМИЧЕСКИ АКТИВНЫЙ ПОЛИМЕР
ISSN 1990-7796. Вести Автомобильно-дорожного института = Bulletin of the Automobile and Highway Institute, 2017. № 2(21) Сайт http:// vestnik.adidonntu.ru
56 A. P. Simonenko, N. А. Dmitrenko, А. Yu. Sobko, S. А. Fomenko Donetsk National Technical University, Donetsk Determining Methods of the Hydrodynamically Active Polymers Concentration in Uniform Solutions and Devices for Their Realization The tasks of the concentration determining of hydrodynamically active polymers in uniform weak water solutions characterized by lowered hydrodynamic resistance of the turbulent friction as compared with the solvent are considered. Mainly methods suggested by authors are referred to solutions of high-molecular polymers with macromolecule linear structure - polyethylene oxide, polyacrylamide, sodium salt carboxylmethylcellulose, guar gum and others. The proposed hydrodynamic methods of concentration determining are based on peculiarities of these polymers solution flow in the turbulent rheometer capillary (hydrodynamic resistance of the turbulent friction lowering) through short capillary and in the channel of variable cross-section (hydraulic losses increasing as compared with the flow of the pure solvent). Schematic circuits of devices for realization of proposed methods in practice are given: devices for realization of the flow through short capillary and experimental facility with the channel of variable cross-section. Using flow peculiarities of weak water polymers solutions with macromolecule linear structure – hydrodynamic resistance of the turbulent friction value reduction in the turbulent rheometer capillary and hydraulic losses increasing at the flowing through short capillary and in the tube of variable cross-section - available in realization determining methods of these polymers concentration in solutions can be created. HYDRODINAMIC DETERMINING METHOD, SOLUTION CONCENTRATION, UNIFORM SOLUTION, HYDRODYNAMICALLY ACTIVE POLYMER Сведения об авторах: А. П. Симоненко SPIN-код: 9231-8452 Телефон: +380 (50) 667-34-61 Эл. почта: sap2012@rambler.ru Н. А. Дмитренко SPIN-код: 7670-5770 Телефон: +380 (93) 796-79-69 +380 (71) 796-79-69 Эл. почта: zan.nikita@gmail.com
А. Ю. Собко Телефон: Эл. почта:
+380 (50) 507-54-38 sobko63@gmail.com
С. А. Фоменко Телефон: +380 (95) 568-16-02 +380 (93) 226-56-06 Эл. почта: fomenko70@gmail.com
Статья поступила 20.02.2016 © А. П. Симоненко, Н. А. Дмитренко, А. Ю. Собко, С. А. Фоменко, 2017 Рецензент: С. П. Высоцкий, д-р техн. наук, проф. АДИ ГОУВПО «ДонНТУ»
ISSN 1990-7796. Вести Автомобильно-дорожного института = Bulletin of the Automobile and Highway Institute, 2017. № 2(21) Сайт http:// vestnik.adidonntu.ru
57 УДК 628.3 В. В. Дремов1, д-р техн. наук, Ф. В. Недопекин2, д-р техн. наук, Н. И. Куликов3, д-р техн. наук, И. А. Артемова4 1 – Донбасская академия строительства и архитектуры, г. Макеевка, 2, 4 – Донецкий национальный университет, г. Донецк, 3 – Сочинский государственный университет, г. Сочи УВЕЛИЧЕНИЕ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ КАМЕР С ВОЛОСЯНЫМИ ЕРШАМИ И АЭРАЦИОННЫМИ ТРУБАМИ ДЛЯ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД Исследуются процессы комплексной очистки сточных вод, которые осуществляются гирляндами волосяных ершей и аэрацией, с учетом их гидродинамического сопротивления жидкому потоку и с определением времени загрязнения ершей. Разработана упрощенная физико-математическая модель, которая рассматривает жидкость, как элементарные жидкие кубики. В ходе исследования выявлено, что на скорость убывания примеси влияет количество волос в единице объема и плотность пузырьков воздуха. Ключевые слова: камера очистки, волосяные ерши, аэрация, жидкий поток, степень очистки
Введение Существование воды в абсолютно чистом виде немыслимо из-за ее высокой растворяющей способности. Природные и сточные воды представляют собой сложную динамическую систему, содержащую газы, минеральные и органические вещества в истинно растворенном или нерастворимом состояниях [1]. В данной работе для очистки сточных вод рассматриваются очистные устройства, представляющие собой канал прямоугольного сечения, в котором на определенном расстоянии устанавливаются рамки с ершами, а по дну канала проложены трубы с отверстиями [2], через которые пропускается воздух. Цель работы Построение физико-математической модели явления процеживания жидкого потока сквозь рамки с волосяными ершами с учетом гидродинамического сопротивления и загрязнения ершей; исследование влияния аэрации на процесс очистки; расчет рационального расположения рамок с ершами. Очистка сточных вод ершами Процессы, протекающие в биореакторах очень сложны. Чтобы применить методы математического анализа, разработана следующая упрощенная физическая модель: вся жидкость, находящаяся в канале, разбивается на элементарные жидкие кубики, которые при движении по коридору биореактора реагируют с волосами ершей и пузырьками воздуха, что приводит к удалению примесей [3]. Размер жидкого кубика определяется исходя из того, что в данный момент с одним волосом ерша реагирует один жидкий кубик [4]. Поэтому объем элементарного жидкого кубика равен всему объему устройства, деленному на число волос в устройстве: a3
HBL , N 01
где N01 – общее число волос во всем объеме биореактора; ISSN 1990-7796. Вести Автомобильно-дорожного института = Bulletin of the Automobile and Highway Institute, 2017. № 2(21) Сайт http:// vestnik.adidonntu.ru
(1)
58 Н – высота коридора биореактора, м; В – ширина коридора, м; L – длина коридора, м. Формула (1) получена в предположении, что распределение волос в биореакторе равномерное. Длина ребра жидкого кубика будет равна
a(
HBL 13 ) . N 01
(2)
Введем понятие средней плотности волос в устройстве
k1
N 01 , м3 , HBL
(3)
тогда формула (2) с учетом (3) примет вид
1 1 a ( )3. k1
(4)
Траектория движения жидкого кубика определяется размерами камеры очистки и поперечной V⊥ и продольной V‖ составляющими скорости движения жидкого потока. Среднее значение длины l траектории жидкого кубика в очистной камере является универсальным и определяется формулой:
l L(1
V ). V‖
(5)
Из описания устройства ершей следует, что диаметр волоса много меньше его длины и поэтому не учитывается влияние торцов на эффект очистки. Т. к. волосы располагаются в ерше веерообразно по окружности, то введем среднюю эффективную площадь жидкости, прочерченной волосом в жидком кубике, при однократном его проходе через волос [5]
Sср 2absin ,
(6)
где a – длина ребра жидкого кубика, м; b – длина волоса ерша; α – угол между волосом и ребром кубика, изменяющийся от 0 до
2
.
Среднее значение синуса будет равно
sin
2
2
2
sin d .
(7)
0
Учитывая (7) в (6), получим
Sср
4ab
.
(8)
Объем жидкости, прореагировавшей с волосами при однократном проходе жидкого кубика, будет равен
Vср Sср x
4ab
x,
ISSN 1990-7796. Вести Автомобильно-дорожного института = Bulletin of the Automobile and Highway Institute, 2017. № 2(21) Сайт http:// vestnik.adidonntu.ru
(9)
59 где σx – толщина эффективного пограничного слоя жидкости, успевшей прореагировать с волосом ерша, м. При этом происходит выделение примеси, содержащейся в жидкости. Ее масса, при однократном пересечении жидким кубиком первого волоса, равна
m0 0Vср 0
4ab
x,
(10)
где ρ0 – первоначальная плотность примесей в жидкости, кг/м 3. Абсолютное изменение плотности примесей в жидком кубике при этом составит
0
m0 4b x . a3 a2 0
(11)
Относительное изменение плотности примеси при одном пересечении волоса 0
E0
0
4b x . a2
(12)
Предполагая, что толщина σx эффективного слоя жидкости, реагирующего с волосом, не зависит от номера пересечения жидкого кубика волосом, можно показать, что 0
n
n
(13)
E0 E1 ... En .
(14)
0
1
1
...
или
Выражая относительное изменение плотности примеси в каждом пересечении через относительное изменение плотности к первоначальной, найдем, что
n (1 E0 )n , 0
(15)
где n – число пересечений жидкого кубика волосами ершей. Чтобы вычислить показатель степени n подсчитаем число волос, которые попадают внутрь объема жидкой трубки, длина траектории которой равна l. Умножив (5) на площадь поперечного сечения a2, получим 1
n Lk1 3 (1
V ). V‖
(16)
Учитывая (16) в (15), найдем Lk n (1 E0 ) 0
1
1
3 (1V
V‖
)
.
(17)
Анализируя эту формулу, можно отметить, что изменение плотности примесей в биореакторе уменьшается по степенному закону, в котором основанием служит число меньше единицы, а в показатель входит безразмерная величина, зависящая от плотности волос в камере реактора, его длины и скоростей движения жидкости.
ISSN 1990-7796. Вести Автомобильно-дорожного института = Bulletin of the Automobile and Highway Institute, 2017. № 2(21) Сайт http:// vestnik.adidonntu.ru
60 Очистка аэрацией Кроме того, в рассматриваемом случае жидкость насыщается кислородом для поддержания жизни колоний бактерий на волосах ерша и аэрации. При прохождении воздушного пузыря через элементарный жидкий кубик на толщине погранслоя вокруг пузыря, происходит окисление примесей в жидкости, что способствует выделению их в осадок. Масса выделившейся примеси при однократном пересечении пузырьком воздуха жидкого кубика равна [6]
m0 2a z 0 ,
(18)
где δ2 – диаметр воздушного пузыря, м; δz – толщина эффективного погранслоя вокруг пузыря, м. Абсолютное изменение плотности примесей в жидком кубике при одном пересечении составит
0
m0 2 z 0 . a3 a2
(19)
Относительное изменение плотности примеси в жидком кубике при однократном пересечении пузыря E02
0
0
2 z a2
(20)
.
Проведя расчеты, аналогичные тем, что проделаны для случая с ершами по формулам (11)–(15), получим
m (1 E02 )m , 0
(21)
где m – число пересечений жидкого кубика воздушными пузырями. Проводя дальнейшую аналогию подобно формуле (16) для волосяных ершей, вычислим показатель степени mL
k2 2
k1 3
(1
V ), V‖
(22)
где k2 – средняя плотность пузырей в единице объема. k2
N 02 . HBL
С учетом формулы (22) выражение (21) примет вид
m (1 E02 ) 0
L
k2 2
k1
3
(1
V ) V‖
.
(23)
Совместное влияние процеживания и аэрации В современных биореакторах процессы процеживания и аэрации идут одновременно, поэтому формулы (17) и (23) нужно объединить в одну. Рассмотрим процессы, идущие не одновременно, а последовательно. При таком проходе все главные факторы учитываются, но влияние одного явления на другое не учитывается [7]. После процеживания сквозь волосяные ерши жидкость с плотностью примеси n поступает на аэрацию. Учитывая n и m, запишем окончательную формулу: ISSN 1990-7796. Вести Автомобильно-дорожного института = Bulletin of the Automobile and Highway Institute, 2017. № 2(21) Сайт http:// vestnik.adidonntu.ru
61 1
m 0 (1 E0 )
Lk1 3 (1
V ) V‖
L
(1 E02 )
k2 2
k1 3
(1
V ) V‖
.
(24)
Формула представляет собой произведение двух показательных функций, в которых основаниями являются числа меньше единицы, а показатели степени больше единицы. Анализируя данное выражение, можно сказать, что на скорость убывания примеси сильно влияет количество волос в единице объема и плотность пузырьков воздуха. Численные примеры расчетов реальных устройств По формулам (17) и (23) выполнены численные расчеты зависимости относительной плотности примесей в потоке в зависимости от средней плотности волос и плотности пузырей, они изображены на рисунках 1 и 2, соответственно. Рассмотрим очистное сооружение в виде канала длиной L = 10; 15; 20 м прямоугольного сечения шириной B = 3 м, высотой Н = 2 м, числом волос N01 = 106, отношением скоростей Рисунок 1 – Зависимость относительной концентрации продольного и поперечного течепримесей от плотности волос: ния V⊥/V‖ = 0,1, относительным 1 – L = 10 м; 2 – L = 15 м; 3 – L = 20 м. изменением плотности примеси в жидком кубике при однократном пересечении E 01 = E02 = 0,01, начальной плотности примесей 0 = 5 кг/м3. Из рисунка 1 видно, что степень очистки зависит от объема камеры при заданной плотности волос. При средней плотности заполнения объема волосами k1 = 2·103 м-3 количество извлеченной примеси будет больше в очистном сооружении длиной 20 м, чем в остальных. Для достижения аналогичных результатов в конструкциях меньшей длины необходимо увеличить плотность волос. Например, при плотности волос 2000 м-3 в камере длиной 10 м степень очистки будет около 0,25, в 15-метровой – 0,13, а в 20 м – около 0,06. Рисунок 2 – Зависимость относительной концентрации Зависимость на рисунке 2 примесей от плотности пузырей: аналогична предыдущему слу1 – L = 10 м; 2 – L = 15 м; 3 – L = 20 м. чаю. При средней плотности пуISSN 1990-7796. Вести Автомобильно-дорожного института = Bulletin of the Automobile and Highway Institute, 2017. № 2(21) Сайт http:// vestnik.adidonntu.ru
62 зырей 10000 м-3 в канале длиной 10 м будет достигнута степень очистки равная 0,34, в 15-метровом канале – 0,2, а при 20 м – 0,1. Учет гидродинамического сопротивления При прохождении жидкости через рамки с ершами происходит торможение жидкости вследствие трения о ерши, при этом скорости V⊥ и V‖ уменьшаются и процесс очистки замедляется. За счет аэрационных труб, проложенных по дну канала, возникает барботажный эффект, который сохраняет поперечную составляющую скорости. А чтобы компенсировать уменьшение продольной скорости, нужно делать камеру с наклоном. Для расчета гидродинамического сопротивления, оказываемого ершами, рассмотрим следующую физическую модель взаимодействия жидкости с гирляндами ершей: весь жидкий поток разобьем на прямоугольные параллелепипеды по высоте равные длине гирлянды и на примере взаимодействия одного такого параллелепипеда с гирляндой ершей посчитаем величину потерь поступательного движения потока. Лобовое сопротивление гирлянды с ершами определим по формуле [8]
Rx Cx
v2 2
S,
(25)
где – плотность жидкости, кг/м3; v – скорость течения жидкости, м/с; S – площадь вертикального поперечного сечения гирлянды с ершами, м 2; Cx – коэффициент сопротивления, зависящий от числа Рейнольдса, определяемого по формуле
Re
vd ,
(26)
где d – диаметр гирлянды с ершами, м; υ – кинематическая вязкость среды, м2/с. Перепад высот камеры на входе и выходе определим из разности потенциальной энергии на входе и выходе и величине потерь энергии на трение жидкого потока о волосы ершей:
a bgh Cx 2
v2 2
a 2b,
(27)
где a = 2b – представляет собой сторону прямоугольного параллелепипеда, пересекающего гирлянду с ершами, м; b – длина гирлянды, м; g – ускорение свободного падения, м/с2; h – перепад высот, м. Из формулы (27) получим для высоты перепада, компенсирующей гидродинамические потери, выражение
h Cx
v2 . 2g
(28)
Значения высоты перепада и углов наклона камеры для различных значений скоростей потока при расстоянии между рамками l = 0,08 м приведены в таблице 1. Величина Н обозначает высоту наклона дна камеры реактора при L = 10 м.
ISSN 1990-7796. Вести Автомобильно-дорожного института = Bulletin of the Automobile and Highway Institute, 2017. № 2(21) Сайт http:// vestnik.adidonntu.ru
63 Таблица 1 – Значение высоты перепада и углов наклона камеры № п/п 1 2 3 4 5 6 7
v, м/с
Re
Cx
h, м
a, °
h/l
H, м
8·10-3 5·10-2 8·10-2 1,2·10-1 1,5·10-1 2·10-1 5·10-1
320 2000 3200 4800 6000 8000 20000
1,5 1 1 1 1 1,2 1,3
5·10-6 1,27·10-4 3,26·10-4 0,13·10-3 1,1·10-3 0,24·10-2 0,17·10-1
0,003 0,09 0,23 0,52 0,8 0,72 11,5
0,00006 0,0016 0,004 0,009 0,014 0,03 0,2
0,0006 0,016 0,04 0,09 0,14 0,3 2
При малых скоростях течения жидкого потока ерши оказывают небольшое сопротивление и его можно не учитывать, но при скоростях больших 0,2 м/с сопротивлением пренебречь нельзя [2]. Учет загрязнения ершей При прохождении волоса ерша через жидкий кубик часть твердых примесей, находящихся в нем, оседает на волос. Предположим, что обтекание жидкостью волоса ламинарное, тогда с волосом будет реагировать тонкий слой жидкости с эффективной толщиной Δa0. Будем считать, что вся твердая примесь, находящаяся в слое, налипает на волос. Ее масса в тонком слое равна
m0 a0 S0 0 .
(29)
Здесь средняя площадь S0, прорезаемая волосом в жидком кубике, определяется по формуле
S0
4ab0
.
(30)
m0
,
(31)
Объем осевшей примеси равен V0
Т
где T – плотность примеси в твердом состоянии, кг/м 3. При пересечении волосом n-го воздушного кубика, выделившаяся масса будет равна
M nm0 ,
(32)
а ее объем Vn
M
T
na0 S0 0
T
.
(33)
Выразим объем чистого волоса через геометрические размеры в виде объема цилиндра
V0
02 4
b0 ,
где β0 – диаметр чистого волоса, м; b0 – длина чистого волоса, м. Тогда объем загрязненного волоса будет равен ISSN 1990-7796. Вести Автомобильно-дорожного института = Bulletin of the Automobile and Highway Institute, 2017. № 2(21) Сайт http:// vestnik.adidonntu.ru
(34)
64
Vn
n2 4
bn ,
(35)
где
n 0 2n ,
(36)
bn b0 n ,
(37)
где Δβ0 – толщина слоя примеси, м. Предположим, что толщина слоя примеси, осевшей на волос, везде одинакова. Тогда полный объем грязного волоса определяется по формуле (35). Учтем (36) и (37) в (35), получим
4
( 0 2 n )2 (b0 n ) Vn .
(38)
Выполнив математические преобразования и учитывая (33) и (34), получим n3 n2 ( 0
b0 nS ) n 0 ( 0 2b0 ) 0 0 a0 . 2 4 2T
(39)
Найдем время полного загрязнения гирлянды волосяных ершей. Для этого предположим, что толщина налипшей примеси равна предельно возможной толщине Δβ0 = Δβпред. Тогда левая часть уравнения (40) будет известна:
G n3 n2 ( 0
b0 ) n 0 ( 0 2b0 ). 2 4
(40)
Вводя новые обозначения в (40), получим
G n,
(41)
где
S0 0 a0 . 2T
(42)
Выразим n-число жидких кубиков, пересекших данный волос, через время загрязнения tзаг и время пересечения одного кубика волосом ерша t1куб.
n
tзаг , t1куб
(43)
где
t1куб
a . vср
(44)
Здесь vср – средняя скорость движения жидкого потока, м/с. vср v‖2 v2 .
(45)
Преобразуем выражение (43), учитывая (44) и (45), получим
n
tзаг 2 v‖ v2 . n
ISSN 1990-7796. Вести Автомобильно-дорожного института = Bulletin of the Automobile and Highway Institute, 2017. № 2(21) Сайт http:// vestnik.adidonntu.ru
(46)
65 Из формул (46) и (41) получим
tзаг
G
a
.
v‖2 v2
(47)
Приведем численный расчет времени полного загрязнения волос ершей при следующих параметрах потока и ершей: Δa0 = 10-5 м, 0 = 10 кг/м3, T = 103 кг/м3, Δβпред = 10-3 м, Δβ0 = 2,5·10-4 м, b0 = 8·10-2 мм, a = 1,3·10-2 м при k1 = 0,5·106 м3, V‖ = V⊥ = 6·10-3 м/с. Результаты приведены на рисунке 3. Из графика (рисунок 3) видно, что если расстояние между ершами составляет порядка 0,03 м, то процесс зарастания займет около 1,5 месяца. Рациональное расположение рамок с волосяными ершами в камере для очистки сточных вод Когда плотность волос в устройстве одинакова по всему объему, на первые рамки с ершами оседает больше примеси, чем на остальные. Чтобы обеспечить равномерную нагрузку по всему Рисунок 3 – Зависимость срока службы фильтра объему камеры предположим, что от толщины слоя примеси плотность волос зависит от длины канала x. Если на координате x плотность волос равна r1(x), то на всем участке пути от 0 до x число волос будет равно интегралу от r1(x).Тогда формула (17) примет вид V
x
(1 ) r ( x ) dx V x (1 E0 ) , 0 ‖
1
0
(48)
x – степень относительного загрязнения на координате x; 0 r1(x) – безразмерная плотность волос на координате x. Выделим в формуле (48) величины, независящие от x, и обозначим их в виде где
G (1 E0 )
(1
V ) V‖
,
(49)
тогда выражение (48) примет вид x
r ( x ) dx x G . 0 1
0
(50)
Так как равномерная нагрузка представляется линейной зависимостью, то
x 1 x. 0 ISSN 1990-7796. Вести Автомобильно-дорожного института = Bulletin of the Automobile and Highway Institute, 2017. № 2(21) Сайт http:// vestnik.adidonntu.ru
(51)
66 Учитывая (51), в (50) x
r1 ( x ) dx
1 x G0
(52)
.
Прологарифмировав и продифференцировав, получим
1 ( ) ln G r1 ( x ). 1 x
(53)
Выразим r1(x) из (53)
r1 ( x )
. (1 x ) ln G
(54)
Выполнены (54) численные расчеты зависимости увеличения плотности волос по длине. Рассмотрим очистное сооружение в виде канала прямоугольного сечения шириной B = 3 м, высотой Н = 2 м, с начальной плотностью примесей ρ0 = 5 кг/м3, отношением скоростей продольного и поперечного течения жидкости V⊥/V‖ = 0,1. Рисунок 4 показывает как должна увеличиваться плотность ершей при увеличении длины. Так, для канала, протяженность которого в два раза превышает высоту, плотность ершей остается практически неизменной по всему объему. В иных случаях она существенно увеличивается в конце очистного сооружения. Пример расчета очистных камер с учетом вышеприведенных процессов Для расчета параметров очистных сооружений возьмем жидкость с начальной концентрацией примеси 0 = 10 кг/м3 и пропустим ее через очистное сооружение длиной L = 5 м и высотой H = 2 м и объемным расходом сточных вод Q = 172,8 м3/ч. Также учтем, что длина волоса Рисунок 4 – Зависимость увеличения плотности ерша b = 8·10-2 м, продольная скорость волос по длине канала: течения V‖ = 8·10-3 м/с, а поперечная – 1– β = 0,9; 2 – β = 0,7; 3 – β = 0,5 V⊥ = 8·10-4 м/с, толщина эффективного погранслоя жидкости, прореагировавшей с волосом ерша Δa0 = 10-5 м, диаметр воздушного пузыря δ2 = 10-3 м, толщина эффективного погранслоя вокруг пузыря δz = 2,5·10-6 м, плотность воздушных пузырей k2 = 103, площадь поперечного сечения гирлянды с ершами S = 0,16 м2, плотность примеси в твердом состоянии Т = 10 кг/м3. Найдем ширину канала B, используя формулу (2), из расчета, что длина ребра жидкого кубика будет равна a = 1,3·10-2 м и общее число волос во всем объеме биоректора N01 = 107:
(1,3 102 )3 107 B 2,2 м. 10 Тогда средняя плотность волос k1 по формуле (3) ISSN 1990-7796. Вести Автомобильно-дорожного института = Bulletin of the Automobile and Highway Institute, 2017. № 2(21) Сайт http:// vestnik.adidonntu.ru
(55)
67
k1
107 4,5 105 м3. 22
(56)
Найдем уклон камеры h по формуле (28). Для этого подсчитаем число Рейнольдса
Re
0,16 8 103 1275. 1,004 106
(57)
Из рисунка в [8] следует, что для данного числа Рейнольдса коэффициент сопротивления Cx = 1.
h 1
(8 103 )2 3,2 106 м. 2 9,8
(58)
При данных параметрах сопротивление ершей ничтожно мало и его можно не учитывать. Рассчитаем время загрязнения ершей tзаг по формуле (47). Предположим, что предельно возможная толщина налипшей примеси Δβпред = 3·10-2 м, а диаметр чистого волоса Δβ0 = 2,5·10-4 м.
G 0,033 0,032 0,04025 0,03 1,002 105 6,35 105 м3 ,
tзаг
0,416 106 2,107 1011 м3 , 2 3 2 10
6,35 105 1,3 102 4,9 106 c. 11 2 2 2,107 10 0,008 0,0008
(59) (60) (61)
Время загрязнения при таких условиях займет около 1,5 месяца. Выводы 1. Установлены и рассмотрены главные факторы, влияющие на процесс очистки жидкой среды волосяными ершами и аэрацией: геометрические размеры очистного сооружения, плотность заполнения объема волосяными ершами и скорость течения жидкости. 2. Получено, что при скоростях течения жидкости меньших 0,2 м/с сопротивление ершей не оказывает существенного влияния на процесс очистки. 3. Вычислены для заданной степени очистки необходимый угол наклона камеры для преодоления гидродинамического сопротивления, а также время загрязнения ершей. Список литературы 1. Куликов, Н. И. Теоретические основы очистки воды : учеб. пособие / Н. И. Куликов, А. Я. Найманов, Н. П. Омельченко. ‒ Макеевка,1999. ‒ 8 с. 2. Недопекин, Ф. В. Расчет гидродинамического сопротивления волосяных ершей жидкому потоку / Ф. В. Недопекин, В. В. Дремов, Н. И. Куликов // Вісник Донецького національного університету. Серія А. Природничі науки. – 2013. ‒ № 2. – С. 161‒163. 3. Дремов, В. В. Математическая модель процесса очистки воздушного потока волосяными ершами / В. В. Дремов, Ф. В. Недопекин, Н. И. Куликов // Математическое моделирование. ‒ 2007. ‒ № 1. – С. 68‒70. 4. Недопекин, Ф. В. Расчет действия аэрации на процесс очистки сточных вод / Ф. В. Недопекин, В. В. Дремов, Н. И. Куликов // Вісник Донецького національного університету. Серія А. Природничі науки. – 2008. ‒ № 2. – С. 161‒163. 5. Математическая модель процесса очистки воздушного потока комбинированным методом / В. В. Дремов, Ф. В. Недопекин, Т. И. Чубарь, В. А. Сорока // Вісник Донецького національного університету. Серія А. Природничі науки. – 2011. ‒ № 1 – С. 156‒159. ISSN 1990-7796. Вести Автомобильно-дорожного института = Bulletin of the Automobile and Highway Institute, 2017. № 2(21) Сайт http:// vestnik.adidonntu.ru
68 6. Недопекин, Ф. В. Экологическая проблема очистки сточных вод аэрацией / Ф. В. Недопекин, В. В. Дремов, Н. И. Куликов // Вісник Донецького національного університету. Серія А. Природничі науки. – 2008. ‒ № 2 – С. 471‒473. 7. Математическая модель явления очистки сточных вод ершами и аэрацией / В. В. Дремов, Ф. В. Недопекин, Н. И. Куликов, Т. И. Чубарь // Вісник Донецького національного університету. Серія А. Природничі науки. – 2009. ‒ № 2 – С. 335‒337. 8. Шлихтинг, Г. Теория пограничного слоя / Г. Шлихтинг. – М. : Наука, 1974. ‒ 712 с.
В. В. Дремов1, Ф. В. Недопекин2, Н. И. Куликов3, И. А. Артемова4 1 – Донбасская академия строительства и архитектуры, г. Макеевка, 2, 4 – Донецкий национальный университет, г. Донецк, 3 – Сочинский государственный университет, г. Сочи Увеличение производительности камер с волосяными ершами и аэрационными трубами для очистки сточных вод Исследуются процессы комплексной очистки сточных вод, которые осуществляются гирляндами волосяных ершей и аэрацией. Очистная камера представляет собой прямоугольный канал, поперек которого устанавливаются рамки из металлического уголка с вертикально расположенными гирляндами из ершей, а по дну канала проложены аэрационные трубы. Ерши представляют собой скрученные капроновые шнуры, в которые продеты капроновые волокна. При обтекании жидким потоком волос ерша происходит выделение органических и неорганических примесей, находящихся в жидкости. По дну канала проложены воздушные трубы с отверстиями. Под давлением воздух закачивается в трубы и выходит через отверстия в виде пузырьков, которые, всплывая, перемешивают жидкость вследствие барботажного эффекта и обеспечивают дополнительную составляющую скорости. Также при взаимодействии воздушного пузыря и жидкости на толщине погранслоя происходит окисление примесей, что способствует выделению их в осадок. Для упрощения явления взаимодействия жидкости с волосами ершей весь поток жидкости разбивается на элементарные жидкие кубики. Рассматривается невязкая, несжимаемая жидкость. Предполагается, что в данный момент времени с данным волосом ерша и пузырьком воздуха взаимодействует только один элементарный жидкий кубик. Таким образом, определяется размер жидкого кубика. После первого взаимодействия предполагается, что на протяжении времени движения жидкого кубика происходит выравнивание концентрации примесей в объеме этого кубика до тех пор, пока он не подойдет ко второму волосу или воздушному пузырю. В ходе исследования выявлено, что на скорость убывания примеси в жидкости влияет количество волос в единице объема и плотность пузырьков воздуха. При прохождении ершей замедляется течение жидкости, что нужно принимать во внимание. Гидродинамическое сопротивление сильно зависит от скорости течения жидкости: при малых скоростях течения жидкого потока ерши оказывают небольшое сопротивление и его можно не учитывать, но при скоростях больших 0,2 м/с сопротивление нужно учитывать. Учет залипания ершей показал, что если расстояние между ершами составляет порядка 0,03 м, то процесс зарастания займет около 1,5 месяца. Все вышеперечисленные факторы учитываются при расчете реальных устройств. Приведен численный пример расчета конкретного очистного сооружения. КАМЕРА ОЧИСТКИ, ВОЛОСЯНЫЕ ЕРШИ, АЭРАЦИЯ, ЖИДКИЙ ПОТОК, СТЕПЕНЬ ОЧИСТКИ
V. V. Dremov1, F. V. Nedopekin2, N. I. Kulikov3, I. А. Artemova4 1 – Donbas National Academy of Civil Engineering and Architecture, Makeevka, 2, 4 – Donetsk National University, Donetsk, 3 – Sochi State University, Sochi Productivity Increase of Chambers with Hair Brushes and Aeration Pipes for Sewage Purification Processes of the sewage-integrated treatment carried out by chains of hairbrushes and aeration are studied. The treatment chamber is a rectangular canal across which frames from metal angles with vertically arranged chains of hairbrushes are installed. On the canal bottom, aeration pipes are laid. Brushes are twisted nylon cords through which capron fibers are run. At the brush hair flowing with liquid stream, organic and inorganic impurities being in liquid are released. On the canal bottom, air pipes with openings are laid. Air is pumped in the pipes under pressure and escapes through openings in the form of beads, which emerge and mix liquid because of bubble effect and provide additional component of speed. In addition, at the air bubble and liquid interaction on the interface thickness there is impurity oxidation. It causes their deposition. All fluid flow is divided into elementary liquid cubes to simplify liquid interaction with brush hair. Inviscid incompressible liquid is considered. It is suggested that at given time only one elementary liquid cube interacts with given brush hair. So liquid cube size is determined. After first interaction, it is supposed that during liquid cube ISSN 1990-7796. Вести Автомобильно-дорожного института = Bulletin of the Automobile and Highway Institute, 2017. № 2(21) Сайт http:// vestnik.adidonntu.ru
69 movement there is an alignment of the impurities concentration in the volume of this cube until it reaches the second hair or air bubble. In the course of study, it is revealed that hair number in the unit of volume and density of air bubbles influence on the speed of the impurity decrease in the liquid. At the brushes passing fluid flow is slowing down, it should be taken into account. Hydrodynamic resistance heavily depends on the fluid flow speed: at low fluid flow speed brushes resist insignificantly and it can be ignored, but at the speed more than 0,2 m/s the resistance should be considered. Accounting of the brushes sticking has shown that if the distance between brushes is about 0,03 m, then the process of overgrowing will take about 1,5 of a month. All above-mentioned factors are taken into account at real devices calculations. Все вышеперечисленные факторы учитываются при расчете реальных устройств. Numerical calculation example of concrete treatment plant is given. PURIFICATION CHAMBER, HAIR BRUSHES, AERATION, FLUID FLOW, PURIFICATION RATE Сведения об авторах: В. В. Дремов Телефон: 099 787 3467 Эл. почта: vdremov@gmail.com Ф. В. Недопекин Телефон: 050 745 3875 Эл. почта: f.nedopekin@gmail.com
Н. И. Куликов Эл. почта: unpc23@mail.ru И. А. Артемова Телефон: 095 511 0556 Эл. почта: artyomova_i@mail.ru
Статья поступила 24.11.2016 © В. В. Дремов, Ф. В. Недопекин, Н. И. Куликов, И. А. Артемова, 2017 Рецензент: С. П. Высоцкий, д-р техн. наук, проф. АДИ ГОУВПО «ДонНТУ»
ISSN 1990-7796. Вести Автомобильно-дорожного института = Bulletin of the Automobile and Highway Institute, 2017. № 2(21) Сайт http:// vestnik.adidonntu.ru
70
ЭКОНОМИКА И УПРАВЛЕНИЕ УДК 331.102.344.003.12 Е. А. Шабельникова, канд. экон. наук, А. В. Беляева ГОУВПО ЛНР «Донбасский государственный технический университет», г. Алчевск МЕТОДИКИ ОЦЕНКИ СТОИМОСТИ КОРПОРАТИВНОГО ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОГО КАПИТАЛА Проанализированы некоторые из существующих методических подходов к оценке интеллектуального капитала предприятия, а также рассматриваются проблемы оценки стоимости корпоративного интеллектуального капитала, предложено усовершенствование методики сбалансированных показателей посредством дополнения существующей группы «финансы» индикатором риска. Ключевые слова: методика, оценка, стоимость, корпоративный интеллектуальный капитал, сбалансированные показатели, риск, финансовые показатели, ресурсы, предприятие, модели измерения интеллектуального капитала, методы ROA, MCM, DICM и SC
Постановка проблемы В условиях быстро меняющейся хозяйственной среды, ограниченных ресурсов и стремительного развития высоких технологий степень влияния процесса оценки корпоративного интеллектуального капитала на результативность функционирования экономического субъекта начинает превышать ту, что обычно обеспечивается физическим и финансовым капиталом. Интеллектуальный капитал, включающий научно-производственные, информационно-технологические, маркетинговые и другие уникальные активы, становится не только необходимым ресурсом для реализации нововведений, но и действенным организационноуправленческим инструментом повышения рыночной стоимости и конкурентоспособности корпораций [1]. В связи с этим достаточно актуальным становится вопрос о сущности корпоративного интеллектуального капитала, а также анализа методик его оценки, поскольку эффективное использование такого капитала позволяет значительно повысить качество информации, новых управленческих технологий и производственных инноваций, является обязательной составляющей экономической политики современной корпорации. Анализ последних достижений и публикаций Отдельные вопросы по методике оценки корпоративного интеллектуального капитала нашли отражение в трудах отечественных ученых: О. Б. Бутника-Северского, Ф. Ф. Бутинца, В. М. Гейца, Г. Г. Кирейцева, П. П. Крайнева, Н. М. Малюги, В. В. Сопка, А. А. Чухна, И. И. Яремка, А. М. Козырева, М. Ю. Медведева; ученых зарубежных стран: Д. Андриссена, Е. Брукинга, Ю. Даума, Л. Едвинсона (L. Edvinsson), Б. Льва, К. Е. Свейби. Несмотря на значительное количество монографий и статей относительно проблемы интеллектуального капитала, многие аспекты его воспроизводства требуют углубления, в силу преобладания работ юридической или морально-психологической направленности, и предложения упрощенных решений. Наличие противоречивых мнений, отсутствие единого подхода к определению стоимости интеллектуального капитала корпораций – все это дает основание для проведения дальнейших исследований.
ISSN 1990-7796. Вести Автомобильно-дорожного института = Bulletin of the Automobile and Highway Institute, 2017. № 2(21) Сайт http:// vestnik.adidonntu.ru
71 Целью статьи является анализ существующих методик оценки корпоративного интеллектуального капитала предприятия, возможность их усовершенствования в контексте обеспечения стабильного и динамичного развития корпорации. Основной материал исследования с полным обоснованием полученных научных результатов Современное предприятие – это производитель не столько товаров и услуг, сколько знаний и наработанного профессионального опыта, а также установление постоянных партнерских связей [5]. Сегодняшний взгляд на конкурентоспособность основывается на понимании того, что успех предприятия зависит не только от ресурсов (денег, зданий, оборудования, людей и технологий), но и от того, как предприятие использует свои знания для того, чтобы превратить эти ресурсы в организационные возможности. На многих предприятиях все большая часть полученного эффекта становится результатом применения специальных знаний, широкого обучения персонала и взаимодействия с партнерами и контрагентами [6]. Всеобщее признание роли интеллектуального капитала вносит значительные коррективы в нынешние методы оценки его стоимости. Обычно экономической оценке подлежат те компоненты корпоративного интеллектуального капитала, которые обеспечивают бизнесструктуре определенные потенциальные преимущества перед ее конкурентами. Настоящая стоимость данных ценностей определяется не затратами на их образование, а доходами, которые в будущем они смогут генерировать. Поэтому определение стоимости интеллектуального капитала связано с его использованием. Интеллектуальный капитал означает строгий учет при анализе стоимостных показателей его составляющих, т. е. интеллектуальный капитал создает реальную возможность оценивать результаты любого вида коллективной деятельности, сравнивать динамику стоимостных показателей любого типа предприятий. Интеллектуальный капитал – это активы, представляющие собой мысленные знания, неотделимые от сотрудников, и знания, воплощенные в результатах мыслительной деятельности [3]. При этом не имеет значения, приобретен объект интеллектуальной собственности или создан в компании, поскольку основным признаком является то, что он является результатом мыслительной деятельности. Некоторые активы, включаемые в интеллектуальный капитал, являются измеряемыми и признаются как объект бухгалтерского учета, но основная часть интеллектуального капитала не имеет прямой денежной оценки и не признается в бухгалтерском учете, что обусловливает сложность оценки интеллектуального капитала и неоднозначность подхода к его оценке. Среди ряда существующих проблем, при оценке интеллектуального капитала, с которыми сталкиваются корпорации, можно выделить следующие: методологические проблемы определения нормативов творческого труда и их надежности; ограниченные возможности строго формального и адекватного описания и измерения интеллектуальных ресурсов; высокая степень неопределенности результатов научных исследований. Все вышеизложенное затрудняет процесс оценки интеллектуального капитала. На сегодняшний день выделяют 42 основных метода измерения нематериальных активов, но ни один из них в полном объеме не может удовлетворить все цели оценки интеллектуального капитала [6]. То есть, использование определенного метода зависит от конкретной цели, задачи, ситуации и пользователей конечной информации. Все существующие модели измерения интеллектуального капитала рассматривают в разрезе следующих групп: Методы прямого измерения интеллектуального капитала (Direct Intellectual Capital Methods – DICМ) [6] заключаются в идентификации и оценке в стоимостном выражении отдельных элементов интеллектуального капитала с последующим определением интегральной ISSN 1990-7796. Вести Автомобильно-дорожного института = Bulletin of the Automobile and Highway Institute, 2017. № 2(21) Сайт http:// vestnik.adidonntu.ru
72 оценки интеллектуального капитала корпорации. Они позволяют рассчитывать будущую стоимость интеллектуального капитала. Однако результат, полученный таким образом, на практике характеризуется высокой вариативностью в связи с большим количеством вероятностных и субъективных предположений в процессе ее расчета. В рамках метода рыночной капитализации (Market Capitalization Methods – MCM) [6] определяется разница между рыночной капитализацией корпорации и собственным капиталом ее акционеров. Полученный результат рассматривается как стоимость интеллектуального капитала. Однако, при всем удобстве данной методики, результат ее применения отражает не реальную стоимость интеллектуальных активов, а только ту сумму, которую готовы доплатить за них потенциальные потребители [3]. К данной группе методов относится общепризнанный измеритель – q-индекс Тобина. Данный показатель отражает все составляющие стоимости экономического субъекта, которые не нашли своего отражения в балансовых отчетах. Наряду с такими разнообразными факторами, как прогнозные будущие доходы, ожидания брокеров, мнения экспертов и дефекты рынка, в нем учтены нематериальные активы, формирующие интеллектуальный капитал компании. Методы отдачи на активы (Return on Assets Methods – ROA) [6] основываются на расчете дополнительного дохода от интеллектуального капитала, соответствуют проценту превышения рентабельности активов данной компании над средним значением аналогичного показателя по отрасли. Основным недостатком данных методик является оценка только интегрального результата без возможности обнаружения воздействия на него отдельных элементов интеллектуальных ценностей. Точные измерительные системы (Proper Measurement Systems – MS) [6] берут все, что представляет ценность в самой компании или в ее окружении, и разбивают на атрибуты, которые можно измерить. Эти атрибуты объединяются в измерительную систему, обычно представляющую собой иерархию совместных измерений стоимости, и для получения надежных расчетов стоимости используются реальные данные. Эти расчеты можно объединить с финансовыми данными для определения эффективности расходования средств и т. п. показателей. Методы ROA и MCM опираются на давно устоявшиеся правила бухгалтерского учета и их проще объяснить профессионалам бухгалтерского дела. Они пытаются дать реальную оценку и могут показаться полезными в ситуациях слияния и поглощения, поскольку с их помощью можно проводить сравнения компаний в рамках одной отрасли. Однако для целей подробной проверки они дают слишком мало детализированной информации в контексте адекватного сравнительного анализа. Кроме недостаточной для помощи руководителям детализации, методы ROA очень чувствительны к изменениям ставки процента. Большинство из них бесполезно в некоммерческих организациях, бизнес-подразделениях и государственных учреждениях. Это особенно справедливо в отношении методов MCM. Использование измерительной системы (MS) – это подход, целью которого являются полнота и надежность при рассмотрении всех аспектов стоимости. Другие методы (MCM и ROA) имеют элемент строгости, выраженный в том, что они опираются на финансовые цифры, которые, если и не идеальны, то могут быть аудированы. DICM, и в меньшей степени методы SC, обладают потенциалом создания более полного представления о благополучии организации, чем финансовые показатели, и могут с легкостью применяться на любых уровнях организации. Это объясняется тем, что они непосредственно предназначены для помощи руководителям, а DICM изначально понимался как холистический подход. Методы DICM и SC более подробны и могут с легкостью применяться на любом уровне организации. Они оценивают интеллектуальные ресурсы снизу-вверх и, следовательно, могут быть более быстрыми и точными в отношении ресурсов, чем показатели ROA и MCM. Так как они не требуют финансовой оценки, они весьма полезны для некоммерческих ISSN 1990-7796. Вести Автомобильно-дорожного института = Bulletin of the Automobile and Highway Institute, 2017. № 2(21) Сайт http:// vestnik.adidonntu.ru
73 организаций, бизнес-подразделений, государственных учреждений, а также для экологических и социальных целей. Их недостатки заключаются в том, что эти индикаторы контекстно-зависимы и значение определений ресурсов может быть разным для каждой организации и каждой цели, что сильно осложняет сравнение. Хотя основной проблемой, вероятно, является то, что они не могут быть легко соотнесены с финансовыми результатами [3]. Методы подсчета баллов (Scorecard Methods – SC) [6] идентифицируют различные компоненты интеллектуального капитала и соответствующие их индикаторы в виде подсчета баллов. Методы этой группы не предусматривают получения стоимостной оценки интеллектуального капитала, а ориентированы на формирование диагностической информационной системы о его наличии и составе. Существенным недостатком подсчета баллов является то, что такие индикаторы не являются универсальными, а потому могут рассчитываться для каждой отдельной корпорации отдельно, что делает невозможным сравнение предпринимательских структур между собой. Одной из основных методик данной группы является система сбалансированных показателей, которая включает в себя четыре составляющих элемента: финансы, клиенты, внутренние бизнес-процессы, обучение и развитие персонала. Отметим, что последние три группы индикаторов, по сути, касаются уже привычных традиционных компонент интеллектуального капитала. В этой системе финансам уделяется значительное внимание. В ее рамках с финансовыми показателями должны находиться в причинно-следственной связи все остальные нефинансовые показатели. Поэтому по мнению ее авторов (Р. Каплана и Д. Нортона, [7]) дополнения традиционных финансовых показателей системой оценок перспектив компании делает разработанную ими систему действительно сбалансированной. Однако существенным недостатком данной методики является то, что несмотря на заявленный учет связей между показателями, она не способна продемонстрировать влияние каждого из представленных в ней блоков на создание стоимости компании [4]. Временно свободные финансовые ресурсы порождают проблему выбора способа распоряжения ими, для современного субъекта хозяйствования. Реализация свободных денежных средств с позиции их разумного использования, как правило, осуществляется в форме инвестиций. Механизм инвестирования основан на выборе оптимального направления вложения финансовых ресурсов, основными из которых выступают: источник дохода; уровень доходности; «горизонт инвестирования»; риск, который инвестор готов принять на себя. Именно поэтому цена капитала (в том числе интеллектуального) должна определяться степенью риска, поскольку требуемая инвесторами доходность всегда зависит от величины риска. В качестве усовершенствования данной методики, на наш взгляд, целесообразным является дополнение группы «финансы» индикатором – оценка риска, которое будет способствовать повышению достоверности определения стоимости интеллектуального капитала корпорации, а также обоснованности решений, касающихся отбора и структуры финансирования инвестиционных проектов. Оценка риска позволит спрогнозировать возможность получения дополнительного предпринимательского дохода или определенной величины ущерба от возникшей рисковой ситуации и несвоевременного принятия мер по предотвращению риска. Вышеописанные методы не являются в полной мере исчерпывающими. Эти методы, как и многие другие, используемые для оценки интеллектуального капитала, работают в основном на внутреннюю отчетность и позволяют оптимизировать внутренние бизнеспроцессы, нацеленные на интеграцию компонентов интеллектуального капитала и на повышение стоимости компании. Также данные методы в значительной мере отвечают закономерностям и тенденциям постиндустриального этапа развития экономики, основным концепциям теории организации, теориям эффективных рынков и корпоративных финансов. Выводы и перспективы дальнейших исследований Сложность определения оценки стоимости корпоративного интеллектуального капитала рассматривают как важный индикатор его особенностей, которые должны быть учтены ISSN 1990-7796. Вести Автомобильно-дорожного института = Bulletin of the Automobile and Highway Institute, 2017. № 2(21) Сайт http:// vestnik.adidonntu.ru
74 при разработке комплексного подхода к управлению этими неосязаемыми ценностями, способными не только обеспечивать возможность изготовления качественной продукции, но и адаптировать предпринимательскую структуру к изменениям внутренней и внешней среды благодаря усовершенствованию техники, технологий, управления, освоению новых видов деятельности, рынков сбыта, более быстрому наращиванию капитала. Метод сбалансированных показателей не предусматривает универсальности, однако ориентирован на адаптацию показателей оценки для каждого конкретного случая. Это комплексный подход финансовой и нефинансовой оценки активов, который дает возможность долгосрочного планирования создания стоимости и развития организации в целом. Использование системы сбалансированных показателей, дополненных рисковой составляющей, положительно повлияет на увеличение темпа роста объема продаж, снижение затрат, повышение рентабельности инвестированного капитала, улучшение структуры капитала компании в целом. В заключение отметим, что методы оценки интеллектуального капитала должны интегрировать все нефинансовые составляющие в одно управляемое целое, оперативно отражать движение нефинансовых составляющих, создавать «живой» интеллектуальный капитал, раскрывать информацию согласно принципам разумности и целесообразности. Кроме того, информация об интеллектуальном капитале, полученная на основе современных оценок, должна быть понята и легко интерпретируема. Тогда пользователи информации об интеллектуальном капитале будут выбирать для сотрудничества ту корпорацию, которая им наиболее открыта и понятна. Список литературы 1. Брукинг, Э. Интеллектуальный капитал / Э. Брукинг. – СПб. : Питер, 2011. – 288 с. 2. Волков, Д. Л. Оценивание интеллектуального капитала российских компаний / Д. Л. Волков, Т. А. Гагарина // Научные доклады. – 2014. – № 22 (R). – 30 с. 3. Дайнеко, В. Г. Интеллектуальный капитал: проблемы накопления и регулирования в экономике, основанной на знаниях / В. Г. Дайнеко // Вестник ВГУ. – 2014. – № 1. – С. 193–203. 4. Дресвянников, В. А. Интеллектуальная деятельность как основа формирования интеллектуального капитала промышленного предприятия : моногр. / В. А. Дресвянников. – Пенза : ИИЦ ПГУ, 2011. – 164 с. 5. Лукичева, Л. И. Управление интеллектуальным капиталом. Серия: Высшая школа менеджмента / Л. И. Лукичева. ‒ М. : Омега-Л, 2013. – 560 с. 6. Олейко, В. М. Методи та моделі вартісної оцінки інтелектуального капіталу суб’єктів господарювання : автореф. дис. … канд. екон. наук : 08.03.02 / В. М. Олейко. – К., 2012. – 22 с. 7. Шмулев, Г. А. Методы оценки интеллектуального капитала / Г. А. Шмулев. ‒ Брянский государственный технический университет, 2013. – С. 34–41. Е. А. Шабельникова, А. В. Беляева ГОУВПО ЛНР «Донбасский государственный технический университет», г. Алчевск Методики оценки стоимости корпоративного интеллектуального капитала Проведен анализ существующих методик оценки стоимости корпоративного интеллектуального капитала, т. к. эффективное использование такого капитала позволяет значительно повысить качество информации, новых управленческих технологий и производственных инноваций, являясь обязательной составляющей экономической политики современной корпорации. Выявлены проблемы, существующие при оценке интеллектуального капитала, с которыми сталкиваются корпорации. Проанализированы следующие методики оценки стоимости корпоративного интеллектуального капитала: методы прямого измерения интеллектуального капитала, методы рыночной капитализации, методы отдачи на активы, точные измерительные системы, методы подсчета баллов. Одной из основных методик последней группы является система сбалансированных показателей, которая включает в себя четыре составляющих элемента: финансы, клиенты, внутренние бизнес-процессы, обучение и развитие персонала. Группа «финансы» была дополнена таким индикатором, как оценка риска, которая будет способствовать повышению достоверности определения стоимости интеллектуального капитала корпорации, а также обоснованности решений, касающихся отбора и структуры финансирования инвестиционных проектов. ISSN 1990-7796. Вести Автомобильно-дорожного института = Bulletin of the Automobile and Highway Institute, 2017. № 2(21) Сайт http:// vestnik.adidonntu.ru
75 Несмотря на значительное количество монографий и статей относительно вопросов оценки интеллектуального капитала, многие аспекты его воспроизводства требуют дополнительных исследований в силу преобладания работ юридической или морально-психологической направленности, предложения упрощенных решений, наличия противоречивых мнений. Отсутствие единого подхода к определению стоимости интеллектуального капитала корпораций дает основание для проведения дальнейших исследований. Рассматриваемые методики оценки стоимости корпоративного интеллектуального капитала являются наиболее совершенными и точными, следовательно, могут использоваться на практике корпорациями в процессе своей деятельности. Следует отметить, что в некоторых публикациях рассматриваются прикладные аспекты использования и оценки интеллектуального капитала предприятия и хозяйственных систем, однако сделано это в достаточно ограниченных рамках. А между тем неоднозначное толкование структуры данного понятия и подходов к его оценке усложняет управление, приводит к выбору стратегий, неадекватных существующим условиям. Решение этих проблем даст возможность формировать интеллектуальный капитал корпорации как фактор его динамичного развития, оптимизировать менеджмент, снизить степень риска, повысить обоснованность и оперативность управленческих решений, направленных на обеспечение конкурентоспособности. МЕТОДИКА, ОЦЕНКА, СТОИМОСТЬ, КОРПОРАТИВНЫЙ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫЙ КАПИТАЛ, СБАЛАНСИРОВАННЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ, РИСК, ФИНАНСОВЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ, РЕСУРСЫ, ПРЕДПРИЯТИЕ, МОДЕЛИ ИЗМЕРЕНИЯ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОГО КАПИТАЛА, МЕТОДЫ ROA, MCM, DICM И SC Е. А. Shabelnikova, А. V. Belyaeva Donbas State Technical University, Alchevsk Cost Estimation Procedure of Corporate Intellectual Capital The analysis of existing cost estimation procedures of the corporate intellectual capital is carried out. An effective application of this capital allows to increase significantly quality of information, new management technologies and productive innovations being the compulsory component of the modern corporation economic policy. Problems at the estimation of intellectual capital faced by corporations are identified. The following cost estimation procedures of corporate intellectual capital are analyzed: direct measurement of the intellectual capital, market capitalization, return on assets, accurate measuring systems, and score calculation. One of the main procedures of the last group is the system of balanced indicators including four constituent elements: finances, clients, internal business processes, personnel training and development. Such indicator as risk estimate added the group «finances». It will promote an increase of the rating reliability of the corporation intellectual capital and solution validity concerning the selection and structure of investment projects financing. In spite of many monographs and articles about questions of the intellectual capital estimation, many aspects of its reproduction demand additional researches due to the predominance of works in law and moral and psychological orientation, prepositions of simplistic solutions, availability of conflicting opinions. Lack of unified approach to the cost determination of the corporation of the intellectual capital to carry out further researches. Considering cost estimation procedures of the corporate intellectual capital are absolute and accurate and consequently they can be used in practice by corporations in their work. It should be noted that in some publications applied aspects of application and estimation of the intellectual capital are considered, but in a rather limited way. Meanwhile diverse interpretation of the given notion structure and approaches to its estimation complicates management, leads to the selection of strategies inadequate to existing conditions. Solving of these problems will give the possibility to form corporation intellectual capital as a factor of its dynamic development, to optimize management, to reduce degree of risk, to increase validity and efficiency of managerial decisions aimed at competitiveness providing. PROCEDURE, ESTIMATION, COST, CORPORATE INTELLECTUAL CAPITAL, BALANCED INDICATORS, RISK, FINANCIAL INDICATORS, RESOURCES, ENTERPRISE, MEASUREMENT MODEL OF INTELLECTUAL CAPITAL, METHODS OF ROA, MCM, DICM AND SC Сведения об авторах: Е. А. Шабельникова SPIN-код: 6904-3978 Телефон: +38 (050)101-96-16 Эл. почта: Evgesha94204@mail.ru А. В. Беляева Телефон: 066-33-83-504 Эл. почта: anastasiy.belyaeva93@mail.ru
Статья поступила 08.02.2017 © Е. А. Шабельникова, А. В. Беляева, 2017 Рецензент: Н. А. Селезнева, канд. экон. наук, доц. АДИ ГОУВПО «ДонНТУ»
ISSN 1990-7796. Вести Автомобильно-дорожного института = Bulletin of the Automobile and Highway Institute, 2017. № 2(21) Сайт http:// vestnik.adidonntu.ru
76 658.7:005.932 Е. А. Гасило, канд. экон. наук, Е. А. Гуськова ГО ВПО «Донецкий национальный университет экономики и торговли имени Михаила Туган-Барановского» г. Донецк ВЫБОР ЭФФЕКТИВНОЙ ЛОГИСТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ НА ПРИМЕРЕ ТОРГОВОГО ПРЕДПРИЯТИЯ ООО «АКТИВДОН» Рассмотрены функции, виды логистической системы распределения; представлена методика выбора и проведена оценка систем распределения торгового предприятия на основе расчета годовых эксплуатационных затрат. Рассмотрены альтернативные логистические стратегии распределения, произведена оценка и выбор стратегии распределения и стратегии закупок. Ключевые слова: логистика, система распределения, эксплуатационные расходы, канал распределения, одноуровневый канал, логистические стратегии распределения, стратегия закупок
Введение Основой экономического устройства и функционирования финансово-хозяйственных субъектов является рынок. Современные условия характеризуются большим количеством проблем, жесткими рамками, нестабильностью и высокой конкурентной борьбой. Сегодня рынок сформировался так, что производство и место сбыта находятся на больших расстояниях. За эффективность и оптимальность движения товаров, при таких условиях, отвечают логистические системы распределения. Логистическая система распределения – это совокупность элементов, которые участвуют в движении материального потока, системно с логистическими информационными, финансовыми и сервисными потоками, обеспечивающими выполнение основной цели – доставка товаров в необходимом количестве и соответствующего качества в установленное время от производителя к потребителю. Теоретические и практические аспекты, охватывающие вопросы функционирования логистических систем распределения, затрагивали в своих трудах следующие ученые: Т. В. Алесинская [1], А. М. Гаджинский [2], В. П. Мельников [3], А. В. Кирмаров [4], С. Б. Вдовина и А. Н. Зайцев [5]. Необходимо отметить, что функции логистических систем распределения предполагают: 1. Удовлетворение потребностей покупателей на основе координации с маркетингом. 2. Формирование и выбор каналов распределения, соответствующих специфике и уровню логистической системы предприятия. 3. Поиск, установление и консолидацию хозяйственных связей с участниками системы распределения. 4. Организацию процессов складирования и обработки товаров. 5. Выполнение операций транспортировки материального потока. 6. Соответствие установленным стандартам качества потоков. Традиционно выделяют три вида логистических систем распределения: прямые, эшелонированные и гибкие. Прямые логистические системы предполагают, что движение материального потока проходит напрямую, без участия логистических посредников (транспортные компании, складские хозяйства и др. организации). Прямым логистическим системам распределения характерен нулевой или одноуровневый каналы распределения. ISSN 1990-7796. Вести Автомобильно-дорожного института = Bulletin of the Automobile and Highway Institute, 2017. № 2(21) Сайт http:// vestnik.adidonntu.ru
77 Эшелонированные логистические системы предполагают, что движение материального потока проходит с участием одного или нескольких логистических посредников (двухуровневый и трехуровневый каналы распределения). Гибкие логистические системы предполагают, что в зависимости от ситуации на рынке, характеристики товара, специфики предприятия логистические системы могут содержать в себе свойства прямых и эшелонированных систем распределения. Целью исследования является обоснование выбора эффективной логистической системы распределения на примере торгового предприятия ООО «Активдон». Основные результаты исследования Очень важно правильно выбрать систему распределения, которая будет соответствовать всем нормам и обеспечит максимальную эффективность функционирования предприятия. Существующая методика выбора логистической системы распределения предполагает осуществление следующих этапов: I. Исследование рынка функционирования предприятия. II. Прогнозирование объема материалопотока и составление схемы его движения и распределения. III. Определение уровня контроля каналов распределения. IV. Установление оптимальной длины канала распределения. Чем короче канал распределения, тем больше он требует инвестиций, следовательно предприятие нуждается в большем штате управленческого персонала. V. Оценка эффективности логистической системы распределения на основе критерия минимума приведенных годовых затрат. На примере оптово-розничной базы ООО «Активдон» были проанализированы логистические системы распределения. Торговое предприятие ООО «Активдон» на протяжении последних 5 лет использовало три системы распределения: 1. С основания предприятия и до 2010 г. ООО «Активдон» использовало прямую логистическую систему распределения (S1). Только одноуровневый канал распределения. 2. В период 2010–2014 гг., с расширением ассортимента, предприятие перешло на эшелонированную систему распределения (S2). Использовались двух и трехуровневые каналы. 3. С 2014 года и до настоящего момента оптово-розничная база использует гибкую систему распределения (S3), которая задействует все каналы распределения, в зависимости от вида продукции. Оценка эффективности используемых логистических систем распределения проводилась путем расчета годовых эксплуатационных расходов по формуле 1. Стоит отметить, что эффективность логистической системы распределения характеризуется минимальным количеством затрат, которые необходимы на ее использование. К З = Э+Т+ , С
(1)
где: З – годовые затраты на логистическую систему распределения; Э – годовые эксплуатационные расходы; Т – годовые транспортные расходы; К – капитальные затраты на строительство распределительных центров; С – срок окупаемости логистической системы распределения. Показатели для расчета и оценки логистической системы распределения представлены в таблице 1. Согласно этому рассчитаем годовые эксплуатационные затраты ООО «Активдон» для каждой из использованных систем распределения. ISSN 1990-7796. Вести Автомобильно-дорожного института = Bulletin of the Automobile and Highway Institute, 2017. № 2(21) Сайт http:// vestnik.adidonntu.ru
78 1. Система 1 (S1): S1 = 39500+53100+ (544200/3,3) = 257509,1 рос. руб. 2. Система 2 (S2): S2 = 74200 + 62800 + (327500/3,1) = 242645,2 рос. руб. 3. Система 3 (S3): S3 = 36400+38000+(487100/3,5) = 213571,4 рос. руб. В соответствии с полученными данными, минимальные приведенные затраты предполагает гибкая система распределения – под номером 3 (213571,4 рос. руб.), это свидетельствует об эффективности действующей системы распределения. Таблица 1 – Показатели затрат систем распределения ООО «Активдон»
Системы распределения
Годовые эксплуатационные расходы, рос. руб.
Годовые транспортные расходы, рос. руб.
Обозначение S1 (до 2010 года) S2 (2010–2014 гг.) S3 (с 2014 года)
Э 39500 74200 36400
Т 53100 62800 38000
Капитальные Срок затраты на окупаемости строительство системы распределительраспределеных центров, ния, года рос. руб. К С 544200 3,3 327500 3,1 487100 3,5
Годовые затраты, рос. руб. З 257510 242640,5 213570,1
Резервы экономии затрат на распределение готовой продукции выявляются также в процессе формирования канала распределения [5]. Процесс гибкой логистической системы распределения ООО «Активдон» отображен через использование каналов распределения касательно каждой товарной группы в таблице 2. Таблица 2 – Использование каналов распределения касательно каждой товарной группы ООО «Активдон» Товары и товарные группы Крупы Макаронные изделия Хлеб и хлебобулочные изделия Алкогольная продукция Элитная алкогольная продукция Мясные изделия Соки и газированные напитки Безалкогольные напитки Кондитерские изделия Кофе Чай
Одноуровневый + + + -
2015 год Двухуровневый + +
Трехуровневый -
+
-
-
+
+
+
+
+
+
+ + +
+ + -
+ +
Анализируя использование каналов распределения в гибкой системе, можно сказать, что в большей степени предприятие использует одноуровневый канал распределения, что позволяет избежать дополнительных затрат. Так как эффективность логистических систем распределения зависит не только от минимума издержек, но и от ее развития, которое носит стратегический характер. Выделяют ISSN 1990-7796. Вести Автомобильно-дорожного института = Bulletin of the Automobile and Highway Institute, 2017. № 2(21) Сайт http:// vestnik.adidonntu.ru
79 три основные стратегии распределения материального потока, характеристика которых представлена в таблице 3. Так как предприятие ООО «Активдон» не реализует товары эксклюзивного спроса, стратегия эксклюзивного распределения не подходит и выбор осуществляется между стратегией интенсивного и избирательного (селективного) распределения. Таблица 3 – Характеристика стратегий распределения товаров Стратегия распределения
Характеристики
Согласно этой стратегии предприятия стремятся к расширению торговых точек, в основном характерны для товаров повседневного спроса и товаров импульсных покупок Избирательное Предприятие стремится к широкому охвату, но сотрудничает только с (селективное) ограниченным количеством посредников. Характерно для продаж товараспределение ров повышенной ценности. Стратегия обуславливает сотрудничество с эксклюзивными дилерами и требует соблюдения следующих правил: Жесткий контроль над посредниками со стороны производителя Эксклюзивное Высокий уровень сервиса распределение Ориентация на создание и сохранение безупречного имиджа торговой марки Характерно для товаров класса премиум, сверхсложной техники и предметов роскоши Интенсивное распределение
Оценка альтернативных логистических стратегий распределения предприятия ООО «Активдон», осуществляемая экспертным путем, представлена в таблице 4. Таблица 4 – Оценка логистических альтернативных стратегий распределения оптоворозничной базы «Активдон»
Показатели
Предложение клиенту нужного товара Обеспечение высокого качества товара и услуги Получение заказчиком требуемого количества товара или услуги Минимизация времени (быстрая поставка товара или доставка его ко времени, установленному заказчиком) Оптимизация маршрута доставки товара в указанное заказчиком место Выбор наиболее выгодного места предоставления услуги или «выдачи» клиенту товара Минимизация затрат Итого:
Стратегия интенсивного распределения
Стратегия избирательного (селективного) распределения Взвешенная Балл оценка 3 0,75
Вес
Балл
0,25
3
Взвешенная оценка 0,75
0,1
3
0,3
2
0,2
0,05
2
0,1
3
0,15
0,2
2
0,4
3
0,6
0,05
2
0,1
2
0,1
0,05
2
0,1
2
0,1
0,3 1,0
1 15
0,3 2,05
3 18
0,9 2,8
ISSN 1990-7796. Вести Автомобильно-дорожного института = Bulletin of the Automobile and Highway Institute, 2017. № 2(21) Сайт http:// vestnik.adidonntu.ru
80 На основе полученных оценок можно рекомендовать предприятию использовать стратегию избирательного (селективного) распределения, которая получила большую оценку – 18 баллов, а взвешенная оценка составляет 2,8 балла. Также, учитывая неэффективность системы поставок, был выделен ряд существующих стратегий, основанных на поставках продукции. Характеристика данных стратегий представлена в таблице 5. Таблица 5 – Характеристика логистических стратегий в сфере закупки Стратегия Стратегия с установленной периодичностью до постоянного уровня (стратегия TS). Стратегия «максимум – минимум» (стратегия S – s). Стратегия с установленной периодичностью и фиксированным заказом (стратегия TQ)
Характеристика В этом случае заказ повторяется через равные промежутки времени. При снижении остатка до уровня точки заказа ранее назначенного срока выдается внеочередной заказ. Эта стратегия ориентирована на ситуацию, когда затраты на учет запасов и издержки на оформление заказа настолько значительны, что становятся соизмеримы с потерями от дефицита запасов. Предполагает регулярную с постоянным интервалом проверку запасов. Если на момент проверки их уровень достиг точки заказа или опустился ниже ее, выдается очередной заказ в размере оптимальной партии
Опираясь на характеристику стратегий, в качестве еще одной логистической стратегии рекомендована стратегия S – s. График поставок при рекомендованной стратегии будет выглядеть следующим образом (рисунок 1).
S
s
Т1
Т2
Т3
*S – максимально желаемый уровень запаса s – минимальный уровень запаса Т1, Т2, Т3 – поставки Рисунок 1 – График поставок согласно стратегии S – s ISSN 1990-7796. Вести Автомобильно-дорожного института = Bulletin of the Automobile and Highway Institute, 2017. № 2(21) Сайт http:// vestnik.adidonntu.ru
81 Следовательно, логистическая стратегия S – s обеспечит предприятию ООО «Активдон» заказ товаров не через каждый заданный интервал, а только при условии, что запасы на складе в этот момент оказались равными или меньше минимального уровня. В случае выдачи заказа его размер рассчитывается так, чтобы поставка пополнила запасы до максимального желаемого уровня. Также существенную роль в эффективности логистических систем распределения играют отделы логистики и специалисты предприятия этой области, которые должны соблюдать следующий перечень правил: 1. Понимание необходимости постоянного мониторинга и проведения оценки функционирования логистической системы распределения. 2. Оптимальное использование транспортных и складских мощностей путем взаимного расчета объема материалопотока. 3. Процесс формирования логистической цепи должен быть максимально координирован с точками сбыта. 4. Следует использовать минимальное количество учетно-договорных единиц товара и тары, транспорта, независимо от их вместимости, что способствует ускорению их оборота. 5. Месторасположение центрального склада должно находиться вблизи конечной точки сбыта для оптимизации и сохранения издержек доставки. 6. Контроль всех этапов распределительного процесса. Заключение Использование логистических систем распределения направлено на удовлетворение потребностей потребителя и позволяет предприятию результативно функционировать в современной экономической среде. Для эффективности необходимо правильно, согласно специфике предприятия, выбирать логистическую систему распределения, проводить анализ и оценку ее эксплуатирования, формировать каналы распределения с учетом видов и свойств материального потока, определять стратегию, характерную предприятию, и следовать правилам повышения эффективности логистических систем распределения. Список литературы 1. Алесинская, Т. В. Основы логистики. Функциональные области логистического управления. Ч. 3 / Т. В. Алесинская. – Таганрог : ТТИ ЮФУ, 2011. – 116 с. 2. Гаджинский, А. М. Логистика : учеб. / А. М. Гаджинский. – 20-е изд. – М. : Издательско-торговая корпорация «Дашков и К», 2012. – 484 с. 3. Мельников, В. П. Логистика / В. П. Мельников, А. Г. Схирладзе, А. К. Антонюк. – М. : Юрайт, 2014. – 288 с. 4. Кирмаров, А. В. Трансформация логистических распределительных систем в мировой экономике / А. В. Кирмаров, Т. Д. Синагатуллин // РИСК: ресурсы, информация, снабжение, конкуренция. ‒ 2008. ‒ № 4. 5. Вдовина, С. Б. Логистика : учеб. пособие / С. Б. Вдовина, А. Н. Зайцев. – Н. Новгород : Нижегородский государственный технический университет им. Р. Е. Алексеева, 2009. – 164 с. 6. Christopher, M. Logistics & Supply Chain Management: Creating Value-Adding Networks / M. Christopher. ‒ Prentice Hall, 2010. 7. Mallik, Susan. Customer Service in Supply Chain Management. In Hossein Bidgoil : the Handbook of Technology Management: Supply Chain Management, Marketing and Advertising, and Global Management / Susan Mallik. ‒ Vol. 2. ‒ 1st Edition. ‒ Hoboken, New Jersey : John Wiley & Sons. – 2010. ‒ p. 104. 8. Trends and Strategies in Logistics and Supply Chain Management: Embracing Global Logistics Complexity to Drive Market Advantage / R. B. Handfield, F. Straube, H. C.Pfohl, A. Wieland. ‒BVL, 2013. Е. А. Гасило, Е. А. Гуськова ГО ВПО «Донецкий национальный университет экономики и торговли имени Михаила Туган-Барановского» г. Донецк Выбор эффективной логистической системы распределения на примере торгового предприятия ООО «Активдон» В современных условиях логистические системы распределения приобретают все большее значение в деятельности торговых предприятий и затрагивают основные составляющие процесса товародвижения. Исходя ISSN 1990-7796. Вести Автомобильно-дорожного института = Bulletin of the Automobile and Highway Institute, 2017. № 2(21) Сайт http:// vestnik.adidonntu.ru
82 из этого, имеет большое значение правильность выбора эффективно действующей системы распределения, которая способна обеспечивать высокий уровень результативности использования логистических функций на предприятии и получение максимальной выгоды с учетом минимально-возможных логистических затрат. Целью исследования является обоснование выбора эффективной логистической системы распределения на примере торгового предприятия ООО «Активдон». Необходимо отметить, что функции логистических систем распределения предполагают: удовлетворение потребностей покупателей на основе координации с маркетингом; формирование и выбор каналов распределения соответствующих специфике и уровню логистической системы предприятия; поиск, установление и консолидацию хозяйственных связей с участниками системы распределения; организацию процессов складирования и обработки товаров; выполнение операций транспортировки материальных потоков; соответствие установленным стандартам качества потоков. На основе исследования сделаны выводы, которые свидетельствуют о том, что использование логистических систем распределения направлено на удовлетворение потребностей потребителя и позволяет предприятию результативно функционировать в современной экономической среде. Для эффективности необходимо правильно, согласно специфике предприятия, выбирать логистическую систему распределения, проводить анализ и оценку ее эксплуатирования, формировать каналы распределения с учетом видов и свойств материального потока, определять стратегию характерную для предприятия и следовать правилам повышения эффективности логистических систем распределения. ЛОГИСТИКА, СИСТЕМА РАСПРЕДЕЛЕНИЯ, ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ РАСХОДЫ, КАНАЛ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ, ОДНОУРОВНЕВЫЙ КАНАЛ, ЛОГИСТИЧЕСКИЕ СТРАТЕГИИ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ, СТРАТЕГИЯ ЗАКУПОК
Е. А. Gasilo, Е. А. Guskova Donetsk National University of Economics and Trade Named After Mikhail Tugan-Baranovsky, Donetsk Choice of the Effective Logistic Distribution System Taking LLC «Activdon» as an Example In modern conditions, logistic distribution systems become increasingly important in the activities of the mercantile business and affect the main components of the commodity circulation process. Based on this the right choice of the effective distribution system is very important. It should be able to provide the high level of logistic functions effectiveness at the enterprise and to gain maximum taking into account minimally possible logistic costs. The aim of the study is to justify a choice of the effective logistic distribution system taking LLC «Activdon» as an example. It should be noted that functions of logistic distribution systems assume: satisfaction of customer needs based on the coordination with marketing; formation and choice of distribution channels appropriate to the specific character and level of business logistic system; search, establishing and consolidation of economic relations with distribution system participants; organization of warehousing and goods handling; transportation of material flows; compliance with established quality standards of flows. Based on the study it is concluded that application of logistic distribution systems is aimed at satisfying of customer needs and allow business to operate effectively in modern economic environment. For effectiveness it is necessary to make the right choice of logistic distribution system according to the company specifics, to carry out analysis and evaluation of its operation, to form distribution channels taking into account types and characteristics of the material flow, to determine strategy typical for company and to follow the rules of the effectiveness improvement of logistic distribution systems. LOGISTICS, DISTRIBUTION SYSTEM, OPERATIONAL COSTS, DISTRIBUTION CHANNEL, SINGLE-LEVEL CHANNEL, LOGISTIC DISTRIBUTION STRATEGIES, PROCUREMENT STRATEGY Сведения об авторах: Е. А. Гасило SPIN-код: 4672-7808 Телефон: +38 0504775842 Эл. почта: geo200876@mail.ru Е. А. Гуськова SPIN-код: 2371-7343 Телефон: +38 0995066903 Эл. почта: katerina.guskova@list.ru Статья поступила 16.02.2017 © Е. А. Гасило, Е. А. Гуськова, 2017 Рецензент: Е. П. Мельникова, д-р техн. наук, проф. АДИ ГОУВПО «ДонНТУ» ISSN 1990-7796. Вести Автомобильно-дорожного института = Bulletin of the Automobile and Highway Institute, 2017. № 2(21) Сайт http:// vestnik.adidonntu.ru
83 АВТОРЫ ЖУРНАЛА Артемова И. А. Беляева А. В. Гасило Е. А. Гуськова Е. А. Дремов В. В. Дмитренко Н. А. Дудникова Н. Н. Дырда Н. П. Карпинец А. П. Королѐв М. Е. Куликов Н. И. Легкий С. А. Лисянец А. В. Недопекин Ф. В. Петров А. И. Симоненко А. П. Собко А. Ю. Фоменко С. А. Фесенко Д. В. Шабельникова Е. А.
Донецкий национальный университет, г. Донецк ГОУВПО ЛНР «Донбасский государственный технический университет», г. Алчевск ГО ВПО «Донецкий национальный университет экономики и торговли имени Михаила Туган-Барановского» г. Донецк ГО ВПО «Донецкий национальный университет экономики и торговли имени Михаила Туган-Барановского» г. Донецк Донбасская академия строительства и архитектуры, г. Макеевка ГОУВПО «Донецкий национальный университет», г. Донецк Автомобильно-дорожный институт ГОУВПО «ДонНТУ», г. Горловка Автомобильно-дорожный институт ГОУВПО «ДонНТУ», г. Горловка Автомобильно-дорожный институт ГОУВПО «ДонНТУ», г. Горловка Автомобильно-дорожный институт ГОУВПО «ДонНТУ», г. Горловка Сочинский государственный университет, г. Сочи Автомобильно-дорожный институт ГОУВПО «ДонНТУ», г. Горловка Автомобильно-дорожный институт ГОУВПО «ДонНТУ», г. Горловка Донецкий национальный университет, г. Донецк Автомобильно-дорожный институт ГОУВПО «ДонНТУ», г. Горловка ГОУВПО «Донецкий национальный университет», г. Донецк ГОУВПО «Донецкий национальный университет», г. Донецк ГОУВПО «Донецкий национальный университет», г. Донецк Автомобильно-дорожный институт ГОУВПО «ДонНТУ», г. Горловка ГОУВПО ЛНР «Донбасский государственный технический университет», г. Алчевск
ISSN 1990-7796. Вести Автомобильно-дорожного института = Bulletin of the Automobile and Highway Institute, 2017. № 2(21) Сайт http:// vestnik.adidonntu.ru
84 Редакционная коллегия международного научно-технического журнала
«Вести Автомобильно-дорожного института = Bulletin of the Automobile and Highway Institute» приглашает к сотрудничеству ученых, научных cотрудников, аспирантов, докторантов, преподавателей учебных заведений и специалистов производства. К опубликованию принимаются научные статьи, посвященные широкому спектру теоретических и практических проблем автомобильного транспорта; транспорта промышленных предприятий; строительства и эксплуатации автомобильных дорог; охраны окружающей среды; экономики и управления. Основные параметры издания: периодичность – 4 раза в год; языки издания – русский, английский, украинский; Требования к рукописям научных статей Текст статьи должен содержать следующие элементы: постановка проблемы в общем виде и ее связь с важными научными и практическими заданиями; анализ последних дострижений и публикаций, в которых начато решение поставленой проблемы, выделение нерешенных ранее частей общей проблемы, которым посвящена статья; формулирование цели статьи; изложение основного материала исследования с полным обоснованием полученных научных результатов; выводы и перспективы дальнейших исследований в данном направлении. В редакционную коллегию подаются: статья; реферат на русском языке (объем – 2000 знаков) с ключевыми словами; экспертное заключение; сопроводительное письмо (с указанием того, что статья ранее не была опубликована); сведения об авторах, где указываются: фамилия, имя и отчество, ученое звание, ученая степень, должность, место работы, контактные телефоны, е-mail. Оформление рукописи статьи Материалы подаются на листах формата А4. Поля зеркальные: внутри и снаружи – 20 мм, верхнее и нижнее – 25 мм. Шрифт: Times New Roman, 12 пт. Междустрочный интервал – одинарный. Объем статьи – 5–10 страниц. Номера ссылок на литературные источники указываются в квадратных скобках в порядке упоминания. Формулы печатаются в редакторе формул MS Equation – 3.0 или более поздней версии. Номера выставляются в круглых скобках с выравниванием по правому краю. Нумерация формул – в пределах статьи. Стиль: переменная печатается курсивом; вектор-матрица – полужирным; шрифт Times New Roman; греческие символы – обычным шрифтом. Размеры: основные символы – 12 пт; крупный индекс – 7 пт; мелкий индекс – 5 пт; крупный символ – ISSN 1990-7796. Вести Автомобильно-дорожного института = Bulletin of the Automobile and Highway Institute, 2017. № 2(21) Сайт http:// vestnik.adidonntu.ru
85 18 пт; мелкий символ – 12 пт. Запрещается выполнять формулы с помощью MathCAD или других аналогичных программ. Рисунки располагаются после упоминания в тексте. Растровые иллюстрации, штриховые графические объекты, графики, диаграммы подаются в форматах *.wmf, *.jpg, *.tif. Эти иллюстрации дополнительно сохраняются в виде отдельных файлов. При использовании форматов *.jpg, *.tif разрешительная способность должна составлять 300–600 dpi. Не допускается создавать рисунки в MS Word. Запрещается внедрять графические материалы в виде объектов, связанных с другими программами, например с КОМПАС, MS Excel и т.п. Таблицы выполняются в MS Word и должны помещаться не более чем на одной странице без переноса. Заголовки таблиц включают номер в пределах статьи и название. Таблицы располагаются после ссылки в тексте. Список литературы. В списке литературы должно быть не менее 3-х литературных источников, опубликованных за последние 5 лет, а также не менее 3-х – из зарубежных (англоязычных и др.) источников. Библиографический список составляется в порядке упоминания документов в тексте и выполняется в соответствии с ГОСТ 7.1–2003. Ссылки выполняются в соответствии с ГОСТ 7.0.5–2008. Рукопись должна содержать: УДК; Ф.И.О. авторов, которые печатаются в одном абзаце, через запятую, без переносов, с указанием ученой степени; информацию об авторах: организация, город, страна, коды наукометрических баз данных (РИНЦ SPIN-код; SCOPUS, ORCID), адрес электронной почты; название статьи; аннотацию – не более 5 строк. Шрифт: Times New Roman, 10 пт, курсив; текст статьи; список литературы. Гонорар авторам за публикацию статей не выплачивается. Плата с авторов за опубликование рукописей не взимается. Адрес редакционной коллегии: Автомобильно-дорожный институт ГОУВПО «Донецкий национальный технический университет», ул. Кирова, 51, г. Горловка, ДНР, 84646. Контактные телефоны: (06242) 4-40-61, (0624) 55-82-08, 050-755-26-95 Е-mail: vestnik-adi@adidonntu.ru Сайт: http: //www.vestnik.adidonntu.ru
ISSN 1990-7796. Вести Автомобильно-дорожного института = Bulletin of the Automobile and Highway Institute, 2017. № 2(21) Сайт http:// vestnik.adidonntu.ru