close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

131.Вестник Брянского государственного технического университета №2 2007

код для вставкиСкачать
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
ВЕСТНИК
БРЯНСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО
ТЕХНИЧЕСКОГО УНИВЕРСИТЕТА
Научно-технический журнал
Издается с февраля 2004 г.
Периодичность – 4 номера в год
Учредитель – Государственное
образовательное учреждение
высшего профессионального
образования «Брянский
государственный технический
университет»
Редакционная коллегия:
Главный редактор
А.В.Лагерев
Зам. гл. редактора
С.П.Сазонов
Отв. секретарь
В.А.Татаринцев
Члены редколлегии
В.И.Аверченков
В.Т.Буглаев
О.А.Горленко
Д.В.Ерохин
Б.Г.Кеглин
В.В.Кобищанов
Т.И.Королева
В.И.Попков
А.Ф.Степанищев
А.Г.Суслов
Свидетельство о регистрации
Федеральной службы по надзору
за соблюдением законодательства
в сфере массовых коммуникаций
и охране культурного наследия
ПИ № ФС77-21709 от 17. 08. 05
Адрес редакции:
241035, г. Брянск, бульвар
50-летия Октября, 7
e-mail: vestnik@tu-bryansk.ru
Подписной индекс каталога
«Пресса России» - 18945
Брянский государственный
технический университет, 2007
№2 (14) 2007
СОДЕРЖАНИЕ НОМЕРА
Технология, инструменты и оборудование машиностроительных производств
Бишутин С.Г., Тюльпинова Н.В. Прогнозирование тепловыделения в контактной зоне заготовки и шлифовального круга с учетом его изнашивания ………………………………………………...
Горленко А.О., Матлахов В.П. Обеспечение износостойкости поверхностей трения путем управляемого технологического воздействия…………..
Ерохин В.В. Обеспечение параметров качества
станочных приспособлений………………………..
Шатов А.Я., Бойков Д.А., Ступак А.А. Линейная усадка стальных отливок, ее связь с диаграммой состояния Fe-Fe 3 C……………………………..
Шец С.П. Повышение герметизирующей способности манжет комбинированием с магнитожидкостным уплотнением…………………………………
Давыдов С.В., Кешенкова В.Г. Современные
конструкционные материалы для лопаточного аппарата турбомашин……………………………….
4
10
16
20
27
32
Транспортное машиностроение
Михальченко Г.С., Юршин А.С. Оценка износа
колес грузового тепловоза с радиальной установкой колесных пар……………………………………
39
Энергетическое машиностроение
Пахомов Ю.А., Рогалев В.В. Специальности
«Двигатели внутреннего сгорания» Брянского государственного технического университета – 50
лет……………………………………………………
44
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2007. № 2 (14)
Буглаев В.Т., Карташов А.Л., Перевезенцев В.Т. Повышение надежности и экономичности паровых турбин с использованием сотовых уплотнений………………...
48
Казаков В.С., Клименко Т.В. Диагностика виброакустических характеристик проектируемых энергетических установок…………………………………………………
54
Математическое моделирование и информационные технологии
Гулаков К.В., Гулаков В.К. Пути повышения производительности OLTP системы
на базе MICROSOFT SERVER 2000……………………………………………………..
62
Экономика, организация и управление производством
Коченкова Н.И. Проблема внедрения идеологии Lean production на российских
предприятиях…………………………………………………………………………….
70
Корсакова И.М., Говоров И.В. Экономические аспекты модернизации оборудования………………………………………………………………………………….………
74
Золин И.Е. Рынок труда в условиях глобализации мировой экономики: проблемы
теории и практики…………………………………………………………………………
81
Образование
Афонина Е.В. Особенности преподавания графо-геометрических дисциплин в техническом вузе……………………………………………………………………………...
88
Матюшина И.В. Комбинаторные свойства элементов конструкции «глагол в неличной форме + характеризатор»………………………………………………………..
92
Воронцова Ю.А. Методика проведения педагогического эксперимента и расчет
результатов опытно-экспериментальной работы……………………………………….
101
Сальникова Е.С. Оценка снизу приближения log 2 квадратичными иррациональностями…………………………………………………………………………………….
109
Естественные науки
Тотай А.В., Филин С.С., Зяблова Е.С. Глобальная экологическая проблема цивилизации……………………………………………………………………………………..
115
Кульченков Е.А., Сидоров А.А. Расчет распределения электронной плотности и
потенциала по данным упругого рассеяния рентгеновских лучей в кристаллах со
структурой
алмаза…………………………………………………………………….
118
Сведения об авторах…………………………………………………………………….
124
Abstracts …………………………………………………………………………………..
126
2
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2007. № 2 (14)
CONTENTS
Technology, tools and equipment of mechanical engineering factories
Bishutin S.G., Tulpinova N.V. Forecasting of heat separation in contact zone of stock and abrasive disk with taking in account its wear process…………………………………
Gorlenko A.O., Matlakhov V.P. Maintenance of wear resistance of surfaces of friction by controlled technological action…………………………………………………………
Erohin V. V. Maintenance of parameters of quality surfaces of adaptations for machine
tool………………………………………………………………………………………….
Shatov A.J., Boikov D.A., Stupak A.A. Linear shrinkage steel casting, its communication with
the diagram of a condition………………………………………………………..
Shec S.P. Increasing of cuff proofing capacity by combining with magnetic fluid seal…...
Davidov S. V., Keshenkova V.G. Modern structural materials for turbo blade row……...
Transport mechanical engineering
Mikhalchenko G.S., Yurshin A.S. Estimation of wearing the wheels of freis locomotive with
radial steering design of bogies………………………………………………………..
Energetic mechanical engineering
Pakhomov Y.A., Rogalev V.V. 50 years anniversary of the Internal combustion engines speciality in Bryansk state technical university…………………………………………….
Buglaev V.T., Kartashov A.L., Perevezentsev V.T. Increase of reliability and profitability of
steam turbines with use cellular condensation…………………………………...
Kazakov V.S., Klimenko T.V. Diagnostic vibroacoustic performances of designed engine installations……………………………………………………………………………
Information technologies
Gulakov K.V., Gulakov V. K. Techniques of improving performance of OLTP-systems based on
Microsoft SQL Server 2000………………………………………………………
Economics, organizing fnd running the enterprise
Kochenkova N.I. The problem of introduction of ideology Lean on the Russian manufactures…………………………………………………………………………………………
Korsakova I.M., Govorov I.V. Economic aspects of modernization of the equipment….
Zolin I. E. Labour Market under Globalization of the World Economy: Problems of Theory and
Practice. ……………………………………………………………………………
Education
Afonina E.V. Some aspects of teaching of graphic-geometrical disciplines at modern technical
university…………………………………………………………………………
Matyuishina I.V. Syntagmatic properties of the elements in phrases «Verb + prep Noun» (model V nf + Ch)……………………………………………………………………
Vorontsova J.A. Plan of carrying out the pedagogical experiment and calculating the research
work results…………………………………………………………………………
Salnikova E.S. A lower bound for approximation of number log 2 by square-law irrationalities………………………………………………………………………………
Natural sciences
Totai A.V., Filin S.S., Zyablova E.S. Global environmental problem of civilization…….
Kulchehkov E.A., Sidorov A.A. Calculation of electron density and potential distribution on experimental data of elastic scattering of X-rays in crystals with diamond structure………………………………………………………………………………………….
Abstracts …………………………………………………………………………………..
3
4
10
16
20
27
32
39
44
48
54
62
70
74
81
88
92
101
109
115
118
126
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2007. № 2(14)
ТЕХНОЛОГИЯ, ИНСТРУМЕНТЫ И ОБОРУДОВАНИЕ
МАШИНОСТРОИТЕЛЬНЫХ ПРОИЗВОДСТВ
УДК 621.923
С.Г. Бишутин, Н.В. Тюльпинова
ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ТЕПЛОВЫДЕЛЕНИЯ В КОНТАКТНОЙ ЗОНЕ
ЗАГОТОВКИ И ШЛИФОВАЛЬНОГО КРУГА С УЧЕТОМ ЕГО ИЗНАШИВАНИЯ
Представлена оригинальная методика прогнозирования тепловыделения при шлифовании конструкционных материалов с учетом изменения состояния рабочей поверхности абразивного инструмента в процессе его эксплуатации.
Качество поверхностных слоев деталей, подвергаемых шлифованию, в значительной
степени определяется температурным фактором абразивной обработки.
Рассматриваемому вопросу посвящено большое количество исследований российских и зарубежных ученых, анализ которых выявил следующие недостатки:
− известные математические модели тепловыделения при абразивной обработке не
позволяют учитывать изменения числа и интенсивности температурных импульсов от
вершин зерен шлифовального круга в процессе его эксплуатации;
− не учитывается влияние изменения формы рабочей поверхности абразивного инструмента вследствие изнашивания на распределение температур в поверхностном слое
заготовки;
− остается невыясненным влияние на тепловыделение динамики съема металла при
многократном взаимодействии абразивного инструмента с рассматриваемым участком
обрабатываемой поверхности заготовки;
− применение в моделях прогнозирования тепловыделения силы резания, расчет
точного значения которой в течение всего периода стойкости инструмента представляет
известные трудности, приводит к значительному снижению эффективности таких моделей.
В этой связи приведенные ниже результаты исследований являются актуальными и
представляют интерес как с научной, так и с практической точки зрения.
В основу построения температурного поля поверхностного слоя заготовки может
быть положена зависимость [4]
( z −ρ )2 + 2za z
( z −ρ )2
−

τ  −
q a ρ  e 4a ( t −t′ ) e 4a ( t −t′ ) 
(1)
dt′ ,
T=
−
t − t′ 
2λ π z ∫0  t − t′


где q – мощность (интенсивность) теплового источника; λ, а – соответственно теплопроводность и температуропроводность обрабатываемого материала; ρ – радиус вершины
зерна; az – глубина внедрения зерна в металл; τ – время действия теплового источника; z
– координата точки, в которой нужно определить температуру; t – время;
t' – переменная интегрирования.
Время действия теплового источника определяется следующим образом:
 a 
ρ arccos1 − z 
ρ

,
τ=
2
(Vк ± Vз ) + Vs2
где Vк – скорость вращения круга; Vз – скорость вращения заготовки; Vs – скорость продольной подачи; знак «+» принимается при встречном шлифовании, когда векторы скоро-
4
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2007. № 2(14)
стей заготовки и шлифовального круга направлены в противоположные стороны, знак «–»
– при попутном шлифовании, когда направления этих векторов совпадают.
Для успешного применения зависимости (1) необходимо решить две задачи: вопервых, определить интенсивность тепловых источников от вершин зерен круга q; вовторых, определить количество тепловых импульсов (зерен круга) i, действующих в пределах контактной зоны абразивного инструмента и заготовки за время их контакта.
При решении первой задачи следует принять во внимание, что источником теплоты
при шлифовании является пластическая деформация обрабатываемого материала и трение
вершин зерен о заготовку. Поэтому интенсивность теплового источника (абразивного зерна) можно определить путем анализа работы деформирования и трения в срезаемом слое.
Интенсивность q теплового источника имеет вид
q = q деф + q тр ,
где qдеф – интенсивность теплового источника от деформации; qтр – интенсивность теплового источника от трения.
Для определения qдеф выделим элементарный объем поверхностного слоя. Вершина
абразивного зерна при перемещении вызывает его упругую и пластическую деформацию
и появление на его гранях напряжений (рис. 1). Работа этих напряжений Адеф определяется
следующим образом [2]:
εi
A деф = ∫ σ i dε i ,
0
где σi, εi – обобщенные напряжение и деформация рассматриваемого объема.
Для упрочняющихся металлов удобна линейно-степенная аппроксимация диаграммы σi – εi, которая в упругой зоне является линейной, т.е. σi=Еεi (где Е – модуль упругости), а в пластичной зоне – степенной, т.е. σi=kεin, где k и n – некоторые константы. Учитывая это, уравнение для Адеф можно преобразовать к виду
ε2
ε n +1 − ε Tn +1
,
A деф = E T + k i
2
n +1
где εТ – обобщенная деформация металла, соответствующая напряжению σi=σТ (σТ – предел текучести материала поверхностного слоя).
В большинстве случаев εT << εi, поэтому
ε n +1
σε
A деф = k i = i i .
n +1 n +1
Теперь, располагая величиной Адеф,
можно определить интенсивность теплового
источника от деформации:
σε
q деф = i i Vк ,
n +1
где Vк – скорость вращения круга.
Для определения qтр воспользуемся зависимостью [3]
q тр = 0,5 μ t s Vк ,
где μ – коэффициент трения вершины зерна о
σ
металл; τ s = i .
3
Таким образом, интенсивность теплоРис. 1. Схема взаимодействия вершины абразивного зер- вого источника (абразивного зерна)
на (1) с металлом (2): 3,4 – элементарный объем поверхσε
ностного слоя соответственно до и после взаимодейq = i i Vк + 0,5 μ τ s Vк .
n +1
ствия с вершиной зерна
5
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2007. № 2(14)
По этой формуле можно определить q, если известны обобщенные напряжение σi и
деформация εi. Они находятся решением задачи о напряженно-деформированном состоянии обрабатываемого материала и в значительной степени зависят от износа шлифовального круга, поскольку он приводит к изменению формы вершин активных зерен [1].
При решении второй задачи (о количестве тепловых импульсов i) необходимо определить число n тепловых импульсов, действующих на единице длины обрабатываемой поверхности. С учетом распределения по высоте вершин зерен величина n определяется по
формуле
LVк Fc (z )
,
n≈
Vз d 2
где L – длина дуги контакта круга и заготовки (определяется по известным формулам
Е.Н. Маслова); Vз – скорость вращения заготовки; d – средний размер абразивного зерна;
Fс(z) – функция распределения по высоте z вершин зерен (значения функции Fс(z) находятся в пределах от 0 до 1, т.е., задавшись величиной z, можно определить долю вершин
зерен рабочей поверхности инструмента, находящихся в поверхностном слое шлифовального круга толщиной z) [1].
Следует отметить, что в процессе шлифования значения функции Fс(z) будут претерпевать изменения, обусловленные уменьшением сформированной в ходе правки шлифовального круга разновысотности вершин зерен вследствие их истирания. Это приведет
к тому, что на наружной поверхности шлифовального круга по мере его износа будет концентрироваться значительное число вершин зерен. Иными словами, число наиболее выступающих вершин зерен, формирующих тепловые импульсы, будет минимальным после
правки и затем будет увеличиваться пропорционально линейному износу uл шлифовального круга.
Теперь, располагая величинами n и L, можно построить идеализированную масштабную схему-модель взаимодействия зерен круга с деталью для определения искомого
количества тепловых импульсов i для конкретных условий шлифования.
На обрабатываемой поверхности детали условно выделяем участок площади контакта шириной 1 мм и длиной L. На этом участке должно разместиться n рисок от вершин
зерен. В то же время участок поверхности шириной 1/n при прохождении пути, равного
длине L дуги контакта, должен испытать действие i тепловых импульсов. Условно располагаем риски в шахматном порядке правильными горизонтальными рядами, сдвинутыми
на определенный шаг по длине дуги контакта. Реально риски могут быть сдвинуты по ширине и длине относительно друг друга в каждый момент времени на произвольные расстояния, но за некоторый период времени можно ожидать их среднего расположения и
перекрытия по длине и ширине рассматриваемого участка. Если представить прохождение
участка поверхности шириной 1/n через зону контакта, то на своем пути до выхода из зоны контакта этот участок i раз может испытать тепловое воздействие зерен, риски от которых перекрываются.
Итак, когда рассматриваемый участок поверхности находится в контакте, он испытывает воздействие i импульсов. Температуру от каждого импульса считаем по формуле
(1), а охлаждение в промежутках между импульсами рассматриваем как адиабатическое
(только за счет теплопроводности). За время охлаждения температура снижается значительно, но не до исходной величины, поэтому при расчете температуры от второго температурного импульса добавляем к ней «остаток» температуры от первого импульса, при
расчете температуры от третьего импульса – «остаток» от второго и т.д., т.е. происходит
постепенное накопление тепла от каждого импульса.
Далее, когда рассматриваемый участок поверхности заготовки выходит из контакта,
тепло отводится от него окружающей средой: смазочно-охлаждающим технологическим
средством (СОТС) и воздухом.
6
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2007. № 2(14)
За один рабочий ход рассматриваемый участок поверхности заготовки испытывает
N контактов с кругом. В промежутках между этими контактами осуществляется охлаждение СОТС и воздухом. При использовании жидкой СОТС поверхность значительно охлаждается (температура в конце указанного промежутка времени составляет всего лишь несколько процентов от начальной). Однако температура не снижается до исходной, поэтому при расчетах следующего цикла нагрева учитываем «остаток» от предыдущего цикла,
т.е. добавляем температуру, до которой успевает охладиться поверхность в промежутке
между контактами. Таким образом, после каждого контакта накапливается тепло.
При многопроходном шлифовании рассматриваемый участок поверхности, испытав
N контактов с кругом за один рабочий ход, выходит из последнего контакта и охлаждается воздухом в течение определенного промежутка времени (до тех пор, пока не вступит в
контакт с кругом на следующем рабочем ходе). В течение этого промежутка времени температура снижается до определенной величины, поэтому при расчетах следующего цикла
нагрева учитываем эту величину. Таким образом, после каждого рабочего хода также
происходит постепенное накопление тепла.
Решение задачи об изменении температуры в процессе охлаждения выглядит следующим образом [5, 6]:
T(z, t ) − Tc
α
z
= exp u 2 ⋅ erfc u , где u =
+
at .
T0 − Tc
2 at λ
Для вычисления целесообразно воспользоваться разложением (при расчетах можно
ограничиться одним первым членом) [5, 6]
1 1
1
3

exp u 2 ⋅ erfc u ≈
 − 3 + 5 − ...  .
4u
π  u 2u

Здесь z – расстояние от поверхности заготовки до точки, в которой нужно определить температуру; Tc – температура охлаждающей среды; Т0 – начальное значение температуры; α – коэффициент теплоотдачи (при охлаждении жидкой СОТС выражается через
критерий Нуссельта [5], при охлаждении воздухом определяется по известной формуле
Ньюкомба).
Некоторые результаты расчетов, выполненных по предложенной методике с помощью DIGITAL Visual Fortran и Mathcad 2001i Professional, представлены на рис. 2. Показана динамика изменения температуры поверхности заготовки из стали 30ХГСА в ходе 25
контактов рассматриваемого участка поверхности заготовки с электрокорундовым шлифовальным кругом.
Представленные графики температур относятся к шлифованию указанной стали на
чистовых режимах с охлаждением эмульсией. При обработке «острым» кругом, т.е. при
uл=0 мкм (рис. 2а), каждая точка поверхности заготовки нагревается до 420…450°С в основном от трех температурных импульсов, создаваемых вершинами абразивных зерен при
двадцать пятом (последнем) контакте (температурные импульсы на рисунке показаны резкими скачками температуры). Далее вследствие износа круга число и мощность температурных импульсов возрастают, приводя к повышению температуры на 20…40% (рис. 2б,
в). При значительном линейном износе шлифовального круга (uл=20 мкм) (рис. 2г) температура в каждой точке поверхности при каждом контакте формируется под действием семи тепловых импульсов и достигает 850…900°С, что может привести к значительным
структурно-фазовым изменениям (прижогам) в поверхностном слое заготовки. Таким образом, износ рабочей поверхности абразивного инструмента в значительной степени определяет тепловыделение в контактной зоне.
7
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2007. № 2(14)
a)
15 контакт
62,5
136
50
37,5
25
12,5
0
б)
25 контакт
470
Температура Т, ºС
170
Температура Т, ºС
Температура Т, ºС
1 контакт
75
102
68
34
4
4
8,3 .10 1,245·104,15 .10
Время t, с
4,15 .10
8,3 .10
Время t, с
4
0
1 контакт
4
376
282
188
94
1,245·10-
464
44
22
4
в)
4
Температура Т, ºС
180
Температура Т, ºС
88
Температура Т, ºС
580
66
135
90
45
1,245·10-
4,15 .10
8,3 .10
Время t, с
4
0
3
1 контакт
4
232
116
1,245·10-
0
3
15 контакт
576
8,3 .10
4,15 .10
Время t, с
4
0
114
57
1,245·10-
0
3
1 контакт
4
0
15 контакт
344
748
0
4,15 .10
4
8,3 .10
Время t, с
4
1,245·103
Температура Т, ºС
208
52
258
172
86
0
4,15 .10
4
8,3 .10
Время t, с
3
4,15 .10
8,3 .10 1,245·103
Время t, с
4
4
25 контакт
935
104
1,245·10-
144
430
156
4
288
4,15 .10
8,3 .10 1,245·10-3
Время t, с
4
4
432
260
Температура Т, ºС
Температура Т, ºС
г)
4
Температура Т, ºС
228
Температура Т, ºС
120
Температура Т, ºС
720
30
4,15 .10
8,3 .10
Время t, с
25 контакт
285
60
1,245·10-
348
150
90
4
25 контакт
110
4,15 .10
8,3 .10
Время t, с
4
15 контакт
225
0
4,15 .10
8,3 .10
Время t, с
0
4
1,245·103
561
374
187
0
4,15 .10
4
8,3 .10
Время t, с
4
1,245·103
Рис. 2. Влияние линейного износа uл шлифовального круга 1 – 300×40×127 24А40СМ26К5 на температуру в
8
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
171
10
8.3
Вестник Брянского государственного технического университета. 2007. № 2(14)
контактной зоне с заготовкой из стали 30ХГСА:a – uл = 0 мкм; б – uл = 5 мкм; в – uл = 10 мкм; г – uл = 20 мкм
Проведенные исследования позволяют:
− прогнозировать тепловыделение при шлифовании с учетом всех основных факторов этого процесса в течение всего периода стойкости абразивного инструмента;
− достоверно определять момент восстановления режущей способности шлифовального круга с целью обеспечения требуемого качества обрабатываемых деталей для
подавляющего большинства конструкционных материалов;
− проводить многокритериальную оптимизацию технологических операций шлифования с учетом изменения тепловыделения в контактной зоне заготовки и абразивного
инструмента вследствие его изнашивания.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Бишутин, С.Г. Обеспечение требуемой совокупности параметров качества поверхностных слоев деталей
при шлифовании / С.Г. Бишутин. – М.: Машиностроение-1, 2004. – 144 с.
Катаев, Ю.П. Пластичность и резание металлов / Ю.П. Катаев, А.Ф. Павлов, В.М. Белоног. – М.: Машиностроение, 1994. – 144 с.
Корчак, С.Н. Производительность процесса шлифования стальных деталей / С.Н. Корчак. – М.: Машиностроение, 1974. – 280 с.
Редько, С.Г. Процессы теплообразования при шлифовании металлов / С.Г. Редько. – Саратов: Изд-во
СГУ, 1962. – 231 с.
Сипайлов, В.А. Тепловые процессы при шлифовании и управление качеством поверхности / В.А. Сипайлов. – М.: Машиностроение, 1978. – 167 с.
Якимов, А.В. Оптимизация процесса шлифования / А.В. Якимов. – М.: Машиностроение, 1975. – 176 с.
Материал поступил в редколлегию 26.02.2007.
9
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2007. № 2(14)
УДК 539.375
А.О. Горленко, В.П. Матлахов
ОБЕСПЕЧЕНИЕ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ ПОВЕРХНОСТЕЙ ТРЕНИЯ
ПУТЕМ УПРАВЛЯЕМОГО ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ
Рассмотрена модель контактного взаимодействия и изнашивания цилиндрических поверхностей с
учетом шероховатости, волнистости, макроотклонений и физико-механических свойств поверхностного
слоя. В соответствии с кинетической моделью изнашивания выбраны параметры качества поверхностного
слоя, управляемые с помощью различных технологических методов. Рассмотрены возможности технологических методов управления этими параметрами.
Работоспособность деталей машин во многих случаях зависит от закономерностей
контактного взаимодействия и изнашивания их элементов. Однако из-за математических
трудностей возникает разрыв между теорией и практическим применением этих решений
для конкретных задач. Предлагаемые конечные выражения довольно громоздки и не
вполне пригодны для инженерных расчетов. Выходом может стать применение моделей
контактного взаимодействия и изнашивания, решаемых с помощью ЭВМ. В данной статье
предлагается подход, позволяющий моделировать контактирование и изнашивание цилиндрических поверхностей с учетом шероховатости, волнистости, макроотклонений и
физико-механических свойств поверхностного слоя.
При моделировании геометрического контакта рассматривается участок цилиндрической поверхности, расположенный вдоль образующей в сечении цилиндра плоскостью,
проходящий через ее центр. Данная элементарная площадка является лишь частью общей
геометрической площади контакта цилиндрических поверхностей. Ширина рассматриваемого участка определяется длиной большей полуоси эллиптического параболоида при
моделировании волнистости [1, 2].
Допуская, что на всей поверхности трения контактное взаимодействие происходит
аналогично рассматриваемому участку, можно ввести масштабный коэффициент, определяющий его размеры:
(1)
Κ = 200 А π l p Sm w tm w ,
°
где А – геометрическая площадь контакта; l – длина образующей контактирующих цилиндров; Sm w , tm w – параметры волнистости; р – коэффициент, учитывающий соотношение длин полуосей эллиптических параболоидов.
На участках номинальной площади контакта моделируется волнистая поверхность,
модель которой представляет собой набор деформируемых под нагрузкой эллиптических
параболоидов 2-го порядка, вершины которых имеют определенный закон распределения
(рис. 1, 2).
Площадь сечения i-го параболоида на уровне x w определяется выражением [1]
Ρiw = pπ p w (h iw − х w ) / h iw ,
2
(2)
где р w =Sm w tm w /200.
Закон и параметры распределения высот выступов параболоидов находятся с помощью приближенных методов на ЭВМ исходя из условия равенства относительных опорных площадей профиля реальной поверхности и модели[2, 3].
15
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2007. № 2(14)
Рис. 1. Расчетная схема моделирования контакта цилиндрических
поверхностей: 1,2 – соответственно поверхности вала и втулки; l –
ширина втулки; у w – сближение контактирующих поверхностей;
х w – уровень сечения модели поверхностей
Рис. 2. Форма выступов модели волнистой поверхности:
1,2 – контактирующие поверхности трения; р w , р′ w – соответственно длины поперечных полуосей эллипсов на уровне средней плоскости и сечения х w ; h iw – высота i-го выступа модели волнистой поверхности; Wmax – максимальная высота профиля волнистости
Определив конфигурацию волнистой поверхности, можно найти контурную площадь контакта. Положение вершин выступов модели будет определяться шагом между
вершинами параболоидов, равным среднему шагу по вершинам локальных выступов волнистости Lw (рис. 1). Положение вершин параболоидов при моделировании волнистой
поверхности определяется с помощью выражений

Lw i ∈ [0; d ];

(3)
 Lw 1 = Lw / 2;
Lw = Lw
(i −1) + Lw.
 i
Площадь сечения i-го параболоида для участков контурной площади контакта, ограниченной выражениями (3), с учетом упругих деформаций выступов
2
Ρic = рπр w (h iw − x w − у уп.w )/ h iw ,
(4)
где величина упругих деформаций [1]
15
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2007. № 2(14)
у уп.w = (1 − µ 2 )сkσ т Piw / (πΕriw ) .
(5)
Ν ic = сkσ т Pic (1 + f 2 ) 0,5 ,
(6)
Реакция каждого выступа
где f – коэффициент трения.
Задается некоторая величина сближения у w , обусловленная уровнем сечения
х w ∈[W max /2;W max ] (рис. 1), и проверяется выполнение неравенства
(K o ΣΝ ic − Ν ) / Ν ≤ ε,
(7)
где N – внешняя приложенная нагрузка.
При этом рассматриваются только выступы, вступившие в контакт на данном
уровне сближения поверхностей (h iw >x w +у уп.w ).
Выполнение неравенства (7) свидетельствует о том, что найдена величина сближения, при которой сформировавшаяся контурная площадь контакта способна выдержать
внешнюю приложенную нагрузку.
Методика моделирования шероховатой поверхности на участках контурной площади контакта аналогична приведенной методике моделирования волнистости. В выражениях (1–7) необходимо заменить величины К о , Sm w , tm w , P iw , p w , h iw, x w, W max , h w , Lw,
на величины К оr , Sm, tm, P irj , p r , h ijr , x r , R max , h r , S соответственно.
Положение вершин выступов модели будет определяться шагом между вершинами
параболоидов, равным среднему шагу по вершинам локальных выступов шероховатости.
Так как фактическая площадь контакта моделируется на участках контурной, т.е.
на сечениях параболоидов, вступивших в контакт при моделировании волнистой поверхности (для которых h iw >х w +у уп.w ), положение ij-й вершины параболоида шероховатой поверхности (рис. 3) рассчитывается по следующим выражениям:
 L irj ∈ [L ira ; L irb ];

(8)
L ir1 = L ira + S / 2;
L =S
ir ( j−1) + S,
 irj
0,5
где L ira = Lw i − ∆L ; L irb = Lw i + ∆L; ∆L = p w [2(h iw − x w ) / Wmax ] .
Рис. 3. Зона моделирования шероховатой поверхности на выступах волн:
СС′ - зона моделирования фактической площади контакта
Площадь сечения ij-го параболоида для участков фактической площади контакта,
ограниченной выражениями (8), с учетом упругих деформаций выступов
15
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2007. № 2(14)
Ρijr = pπp 2r (h ijr − x r − у уп.r )/ h ijr ,
где величина упругих деформаций [1]
у уп.r = (1 − µ 2 )ckσ т Ρirj / (πΕrirj ).
Реакция каждого выступа
(
)
0,5
Ν ijr = ckσ т Ρijr 1 + f 2 .
Для параболоидов волнистой поверхности, вступивших в контакт [h iw >x w +у уп.w) ;
величина х w определена при выполнении неравенства (7)], рассчитывается положение
вершин по формулам (8) и распределение высот выступов с подстановкой соответствующих параметров шероховатости.
Задается некоторая величина сближения у r , обусловленная уровнем сечения
х r ∈[R max /2; R max ], и проверяется выполнение неравенства
(K or ΣΝ ijr − Ν )/ Ν ≤ ε.
(9)
При этом рассматриваются выступы, вступившие в контакт, для которых
h ijr >x r +у уп.r .
Выполнение неравенства (9) свидетельствует о том, что найдена величина сближения, при которой образовавшаяся фактическая площадь контакта способна выдержать
внешнюю приложенную нагрузку.
Определенные таким образом контурная и фактическая площади контакта, сближение сопряженных поверхностей позволяют путем статистических испытаний модели на
ЭВМ рассчитывать распределение давлений вдоль поверхности контакта и прогнозировать износостойкость сопряженных поверхностей трения.
Ожидаемая скорость изнашивания сопряженных цилиндров рассчитывается в соответствии с кинетической моделью изнашивания[2]:
(10)
J t = K J C mx C Fn ,
где J t – скорость изнашивания; K J – коэффициент изнашивания; С Х – параметр, характеризующий качество поверхностного слоя; С F – параметр, характеризующий процесс трения; m, n – коэффициенты, определяемые экспериментально.
Параметр С Х характеризует влияние микрогеометрии и физико-механических
свойств поверхностного слоя [1]:
1
(Ra Wz H max ) 6
,
(11)
CХ =
3
2
1
tm 2 Sm 2 k 3 λ ′
где Ra, tm, Sm, Wz, H max – параметры шероховатости, волнистости и макроотклонений; k –
коэффициент упрочнения поверхностного слоя; λ′ – коэффициент, учитывающий влияние
остаточных напряжений.
Параметр С F определяется исходя из следующего. Триботехническая система, обменивающаяся с окружающей средой теплом (в результате действия силы трения) и массой (вследствие наличия диспергированных в процессе износа частиц), находится в состоянии равновесия при минимуме рассеяния энергии, стабилизации процессов тепловыделения, изнашивания, формировании равновесного состояния поверхностного слоя и,
следовательно, минимальном износе трущихся поверхностей.
fqυ
,
CF =
[Q уд ]
где f – коэффициент трения; q – давление в зоне контакта; υ – скорость относительного
скольжения сопряженных цилиндрических поверхностей; [Q уд ] – допустимая удельная
мощность трения.
15
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2007. № 2(14)
Параметр С F является безразмерной величиной, показывающей, насколько реальная удельная мощность трения (fqυ) отличается от допустимой по справочным данным
([Q уд ]). Его значение должно стремиться к минимальному (насколько позволяют добиться
этого возможности технологических методов отделочно-упрочняющей обработки).
Для цилиндрических пар трения необходимо обеспечивать минимальный суммарный износ в направлении сближения сопрягаемых поверхностей. Управляемыми с помощью технологических методов параметрами качества поверхностного слоя являются коэффициент упрочнения поверхностного слоя k=HV / HV исх и параметр С Х [см. выражение
11], характеризующий в основном влияние качества поверхностного слоя на процесс изнашивания, значения которых вытекают из предлагаемой модели изнашивания (10):
 Jt 
k=
n 
 K J СF 
−3
2m
(RaWzH max ) 4
1
9
3
tm 4 Sm 4 λ
1
3
;
2
 Jt  m
CX = 
.
n 
K
С
J
F


Зная требуемую износостойкость соединения типа «вал-втулка» и используя данную модель контактного взаимодействия и изнашивания, легко найти значения параметров k и С Х , необходимые для обеспечения нужной износостойкости. При этом не требуется проведения дорогостоящих и долговременных натурных испытаний. В зависимости от
требуемых значений коэффициента упрочнения поверхностного слоя k и параметра С Х
выбираются технологические методы и режимы упрочняющей и механической обработки.
Каждый из технологических методов обработки имеет свои особенности и области
применения и характеризуется определенными факторами, обусловливающими процесс
формирования параметров качества обрабатываемых поверхностей деталей. Каждому из
них присущи свои количественные и качественные характеристики: определенные высотные и шаговые параметры неровностей; степень и глубина упрочнения; величина, знак и
глубина залегания остаточных напряжений. Все эти параметры были учтены при разработке представленной в данной статье модели.
Так, наружное чистовое точение целесообразно применять для нетермообработанных и закаленных мало- и среднеуглеродистых конструкционных сталей с параметрами
микрогеометрии поверхности (после обработки): Ra = 0,8 … 2,5 мкм, Rp = 2,0 … 8,0 мкм,
Sm = 0,08 … 0,16 мм, Wz = 1,6 … 4,0 мкм, H max = 10 … 100 мкм. При этом глубина наклепанного слоя h н составляет 0,05 … 0,20 мм. Наружное чистовое точение может обеспечить диапазон изменения параметра С Х в пределах 0,6 … 1,2, а коэффициента упрочнения
поверхностного слоя k - 1,1 … 1,3.
Алмазное выглаживание предпочтительно для закаленных средне- и высокоуглеродистых, а также легированных конструкционных, инструментальных и других сталей с
параметрами
после
обработки:
Ra = 0,05 … 2,0 мкм,
Rp = 0,063 … 6,0 мкм,
Sm = 0,025 … 1,25 мм, Wz =0,4 …10,0 мкм, H max = 6 … 80 мкм. Возможности алмазного
выглаживания несколько шире, что связано с обеспечением более высокого качества поверхностного слоя и диапазонов изменения: параметра С Х - 0,25 … 0,6; коэффициента упрочнения k - 1,2 … 1,7; глубины упрочненного слоя h н - 0,05 … 0,1 мм.
Электромеханическую обработку целесообразно использовать для упрочнения нетермообработанных средне- и высокоуглеродистых, легированных сталей, а также высокопрочных чугунов при высокой степени упрочнения поверхностного слоя обработанных
деталей и глубине упрочнения h н = 0,1 … 2,0 мм. При этом осуществляется плавный переход твердости упрочненного слоя от поверхности к неупрочненной сердцевине материала детали, что предотвращает его отслаивание при динамических нагрузках. Микрогеометрические
параметры
обработанных
деталей:
Ra = 0,2 … 1,6 мкм,
15
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2007. № 2(14)
Rp = 0,2 … 3,2 мкм, Sm = 0,025 … 1,25 мм, Wz = 0,4 … 8,0 мкм, H max = 6 … 40 мкм. Электромеханическая обработка благодаря широкому диапазону изменения режимов и возможности получения высокой твердости упрочненного слоя позволяет получать поверхности с изменением значений параметра С X и коэффициента упрочнения в пределах
С X = 0,12 … 0,65, k = 1,4 … 3,5.
Нанесение нитрид-титановых покрытий целесообразно применять для упрочнения
средне- и высокоуглеродистых, легированных конструкционных и инструментальных
сталей. Из-за маленькой толщины покрытий (h н = 5 … 10 мкм) микрогеометрические параметры сильно зависят от предварительной подготовки поверхности под покрытие. После наиболее распространенной операции шлифования получаются следующие микрогеометрические параметры: Ra = 0,32 … 1,25 мкм, Rp = 0,5 … 4 мкм, Sm = 0,05 … 1,6 мм,
Wz = 0,5 … 4,0 мкм, H max = 10 … 40 мкм. Нанесение нитрид-титановых покрытий позволяет обеспечить диапазон изменения параметра С Х в пределах . 0,2 … 0,675, а коэффициента упрочнения поверхностного слоя .k - 2,5 … 5.
Очевидно, что из приведенных технологических методов наиболее широкими возможностями по обеспечению износостойкости цилиндрических поверхностей пар трения
обладают электромеханическая обработка и нанесение нитрид-титановых покрытий. Это
связано с большими диапазонами регулирования режимов и степени влияния на формирование параметров качества и эксплуатационных свойств поверхностного слоя деталей.
Рассмотренный подход позволяет путем проведения статистических испытаний
предлагаемой модели на ЭВМ осуществлять научно обоснованный выбор технологических методов и режимов обработки с учетом их возможностей. Проведенная экспериментальная проверка этой модели на адекватность подтвердила правомерность данного подхода к решению задачи обеспечения требуемой износостойкости цилиндрических поверхностей трения.
CПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Суслов, А.Г. Качество поверхностного слоя деталей машин/ А.Г. Суслов - М.: Машиностроение, 2000. –
320 с.
2. Горленко, А.О. Технологическое повышение долговечности деталей с криволинейными поверхностями/
А.О. Горленко // Справочник. Инженерный журнал. – 2003. – № 4. – С. 60-62.
3. Горленко, А.О. Контактное взаимодействие цилиндрических поверхностей при трении скольжения / А.О.
Горленко, В.П. Матлахов // Механика и физика процессов на поверхности и в контакте твердых тел и деталей машин: межвуз. сб. науч. тр. / под ред. Н.Б. Демкина. - Тверь: ТГТУ, 2006. - С.14-20.
Материал поступил в редколлегию 19.02.07.
15
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ISBN 5-89838-272-0
Вестник Брянского государственного технического университета. 2007. № 2(14)
УДК 621.9.06; 621.7.07
В.В. Ерохин
ОБЕСПЕЧЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ КАЧЕСТВА СТАНОЧНЫХ
ПРИСПОСОБЛЕНИЙ 1
Излагаются основные положения по обеспечению параметров качества функциональных поверхностей деталей станочных приспособлений в зависимости от совокупности их эксплуатационных свойств и
требуемой точности установки заготовки в приспособлении.
Параметрами качества станочного приспособления являются его точность и надежность. Точность станочного приспособления (СП) определяет выполнение заданных параметров точности размеров, отклонений формы и расположения, волнистости и шероховатости обрабатываемых поверхностей заготовки. Точность и надежность СП обусловливается значениями параметров качества, назначенных на детали СП в зависимости от требуемых показателей эксплуатационных свойств СП.
В таблице представлена зависимость составляющих погрешности установки заготовки, составляющих погрешности формы и расположения обрабатываемых поверхностей
заготовки, амплитуды и частоты колебаний приспособления и его деталей от эксплуатационных свойств приспособления. Знаки «+» и «–» обозначают, что при увеличении значений входных параметров (свойств) соответственно увеличиваются или уменьшаются
значения выходных параметров. Знак «*» обозначает лимитирующее влияние входного
параметра на выходной.
Таблица
Эксплуатационные свойства, определяющие параметры точности станочных
приспособлений
Эксплуатационное свойство ε б ε зо ε зи ε и ε ус ε вбр ЕТ пр.нт ЕТ пр.д А пр.w
А пр.ш
Прочность 1
–
Контактная прочность 2
–
Усталостная прочность 3
–
Жесткость 4
–* –
–
–
–*
Контактная жесткость 5
–* –
–*
–*
–*
Износостойкость 6
–*
–* –*
–*
–*
–
–*
Коэффициент трения 7
+ +
–*
–
–
Виброустойчивость 8
–*
–*
–*
–*
Зажимная способность 9
+ +* +
–
–
–
Постоянство размеров 10
–* –
– –* –* –
–
Примечание. ε б – составляющая погрешности базирования заготовки, зависящая от
эксплуатационных свойств приспособления; ε зо – основная случайная составляющая погрешности закрепления; ε зи – закономерно изменяющаяся систематическая составляющая
погрешности закрепления, связанная с изменением формы поверхности контакта установочного элемента при его износе; ε и – составляющая погрешности положения заготовки,
вызванная износом установочных элементов; ε ус – составляющая погрешности положения
заготовки, обусловленная неточностью изготовления приспособления; ε вбр – погрешность,
вызванная вибрационным перемещением обрабатываемой заготовки относительно режущего инструмента; ЕТ пр.нт , ЕТ пр.д – составляющие погрешности формы и расположения
Работа выполнялась в соответствии с грантом Президента РФ (МК-9356.2006.8) для государственной поддержки молодых российских ученых с финансированием Министерства образования и науки РФ
1
16
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ISBN 5-89838-272-0
Вестник Брянского государственного технического университета. 2007. № 2(14)
обрабатываемой поверхности заготовки, обусловленные соответственно неточностью изготовления приспособления и его деформациями, в направлении измерения параметров
макроотклонений; А пр.w , А пр.ш – максимальные амплитуды периодических колебаний приспособления в направлении, нормальном к обрабатываемой поверхности заготовки, соответственно формирующих волнистость и шероховатость обрабатываемой поверхности.
Влияние проектных параметров СП на его точность при обеспечении эксплуатационных свойств приспособления на этапе его конструирования.
1. На ε б влияют параметры: ЕТ пр *↓ 6 , Wz↓ 6 , Wp*↓ 6 , Sw↑ 6 , Ra↓ 6 , Rz↓ 6 , Rmax↓ 6 ,
Rp*↓ 6 , tp*↑ 6 , Sm*↑ 6 , S↑ 6 , σ в ↑ 6 , σ т *↑ 6,10 , Е↑ 6,10 , µ↑ 6,10 , НВ↑ 6 , D кр *↑ 10 , ρ д ↑ 6,10 , σ ост *↑ 6,10 ,
H µ0 *↑ 6 .
2. На ε зо влияют параметры: ЕТ пр *↓ 5 ↑ 9 , Wz↓ 5 ↑ 9 , Wp*↓ 5 ↑ 9 , Sw↓ 5,9 , Ra↑ 5,9 , Rz↑ 5,9 ,
Rmax↑ 5,9 , Rp*↑ 5,9 , tp*↓ 5,9 , Sm↓ 5,9 , S↓ 5,9 , σ в ↓ 9 , σ т ↑ 5,10 ↓ 9 , Е*↑ 4,5,10 ↓ 9 , µ*↑ 4,5,10 ↓ 9 , НВ↑ 5 ↓ 9 ,
D кр ↑ 4,5,10 ↓ 9 , ρ д ↑ 4,5,10 ↓ 9 ,σ ост *↑ 5,10 ↓ 9 , h σ0 ↓ 9 , H µ0 *↑ 5 ↓ 9 .
3. На ε зи влияют параметры: ЕТ пр *↓ 5,6 ↑ 7,9 , Wz*↓ 5,6 ↑ 7,9 , Wp*↓ 5,6 ↑ 7,9 , Sw*↓ 5,7,9 ↑ 6 ,
Ra*↑ 5,7,9 ↓ 6 , Rz*↑ 5,7,9 ↓ 6 , Rmax*↑ 5,7,9 ↓ 6 , Rp*↑ 5,7,9 ↓ 6 , tp*↓ 5,7,9 ↑ 6 , Sm*↓ 5,7,9 ↑ 6 , S*↓ 5,7,9 ↑ 6 ,
σ в *↓ 9 ↑ 6,7 ,
σ т *↑ 5,6,7 ↓ 9 ,
Е*↑ 4,5,6,7 ↓ 9 ,
µ*↑ 4,5,6,7 ↓ 9 ,
НВ*↑ 5,6,7 ↓ 9 ,
D кр *↑ 4,5 ↓ 9 ,
ρ д *↑ 4,5,6,7 ↓ 9 ,σ ост *↑ 5,6 ↓ 7,9 , h σ0 *↓ 9 , H µ0 *↑ 5,6,7 ↓ 9 .
4. На ε и влияют параметры: ЕТ пр *↓ 6,8 ↑ 7,9 , Wz↓ 2,6,8 ↑ 7,9 , Wp*↓ 2,6,8 ↑ 7,9 , Sw↑ 2,6 ↓ 7,8,9 ,
Ra*↓ 2,3,6 ↑ 7,8,9 , Rz*↓ 2,3,6 ↑ 7,8,9 , Rmax*↓ 2,3,6 ↑ 7,8,9 , Rp*↓ 2,3,6 ↑ 7,8,9 , tp*↑ 2,3,6 ↓ 7,8,9 , Sm*↑ 2,3,6 ↓ 7,8,9 ,
S↑ 2,3,6 ↓ 7,8,9 , σ в *↑ 1,2,3,6,7 ↓ 9 , σ т *↑ 1,2,3,6,7,10 ↓ 8,9 , Е*↑ 1,2,3,6,7,8,10 ↓ 9 , µ*↑ 1,2,3,6,7,8,10 ↓ 9 , НВ*↑ 1,3,6,7,8 ↓ 9 ,
D кр *↓ 1,9 ↑ 2,3,8,10 , ρ д *↑ 1,2,3,6,7,8,10 ↓ 9 , σ ост *↑ 1,2,3,6 ↓ 7,9,10 , h σ0 ↑ 1,2,3 ↓ 9 , H µ0 *↑ 1,2,3,6,7,8 ↓ 9 , h н ↑ 1,2,3 .
5. На ε ус влияют параметры: σ т *↑ 10 , Е↑ 10 , µ↑ 10 , D кр *↑ 10 , ρ д ↑ 10 , σ ост *↓ 10 .
6. На ε вбр влияют параметры: ЕТ пр *↓ 5,7,8,9 , Wz↓ 5,7,8,9 , Wp*↓ 5,7,8,9 , Sw↓ 5,8 ↑ 7,9 ,
Ra*↑ 5,8 ↓ 7,9 , Rz↑ 5,8 ↓ 7,9 , Rmax↑ 5,8 ↓ 7,9 , Rp*↑ 5,8 ↓ 7,9 , tp*↓ 5,8 ↑ 7,9 , Sm*↓ 5,8 ↑ 7,9 , S↓ 5,8 ↑ 7,9 , σ в *↓ 7 ↑ 9 ,
σ т *↑ 5,9,10 ↓ 7,8 ,
Е*↑ 4,5,8,9,10 ↓ 7 ,
µ*↑ 4,5,8,9,10 ↓ 7 ,
НВ↑ 5,8,9 ↓ 7 ,
D кр *↑ 4,5,8,9,10 ,
ρ д *↑ 4,5,8,9,10 ↓ 7 ,σ ост *↑ 5,7,9,10 , h σ0 ↑ 9 , H µ0 *↑ 5,8,9 ↓ 7 .
7. На ЕТ пр.нт влияют параметры: ЕТ пр *↓ 6 , Wz↓ 6 , Wp*↓ 6 , Sw↑ 6 , Ra↓ 6 , Rz↓ 6 , Rmax↓ 6 ,
Rp*↓ 6 , tp*↑ 6 , Sm*↑ 6 , S↑ 6 , σ в ↑ 6 , σ т ↑ 6 , Е↑ 6 , µ↑ 6 , НВ↑ 6 , ρ д ↑ 6 , σ ост *↑ 6 , H µ0 *↑ 6 .
8. На ЕТ пр.д влияют параметры: ЕТ пр *↓ 5,6 , Wz↓ 5,6 , Wp*↓ 5,6 , Sw↓ 5 ↑ 6 , Ra↑ 5 ↓ 6 , Rz↑ 5 ↓ 6 ,
Rmax↑ 5 ↓ 6 , Rp*↑ 5 ↓ 6 , tp*↓ 5 ↑ 6 , Sm*↓ 5 ↑ 6 , S↓ 5 ↑ 6 , σ в ↑ 6 , σ т ↑ 5,6 , Е↑ 5,6 , µ↑ 5,6 , НВ↑ 5,6 , D кр ↑ 5 ,
ρ д ↑ 5,6 , σ ост *↑ 5,6 , H µ0 *↑ 5,6 .
9. На А пр.w влияют параметры: ЕТ пр *↓ 6,7,8,9 , Wz↓ 6,7,8,9 , Wp*↓ 6,7,8,9 , Sw↓ 8 ↑ 6,7,9 ,
Ra*↑ 8 ↓ 6,7,9 , Rz↑ 8 ↓ 6,7,9 , Rmax↑ 8 ↓ 6,7,9 , Rp*↑ 8 ↓ 6,7,9 , tp*↓ 8 ↑ 6,7,9 , Sm*↓ 8 ↑ 6,7,9 , S↓ 8 ↑ 6,7,9 ,
σ в *↓ 7 ↑ 6,9 ,
σ т *↑ 6,9,10 ↓ 7,8 ,
Е*↑ 4,6,8,9,10 ↓ 7 ,
µ*↑ 4,6,8,9,10 ↓ 7 ,
НВ↑ 6,8,9 ↓ 7 ,
D кр *↑ 4,8,9,10 ,
ρ д *↑ 4,6,8,9,10 ↓ 7 ,σ ост *↑ 6,7,9,10 , h σ0 ↑ 9 , H µ0 *↑ 6,8,9 ↓ 7 .
10. На А пр.ш влияют параметры: ЕТ пр *↓ 5,6,7,8,9 , Wz↓ 5,6,7,8,9 , Wp*↓ 5,6,7,8,9 , Sw↓ 5,8 ↑ 6,7,9 ,
Ra*↑ 5,8 ↓ 6,7,9 , Rz↑ 5,8 ↓ 6,7,9 , Rmax↑ 5,8 ↓ 6,7,9 , Rp*↑ 5,8 ↓ 6,7,9 , tp*↓ 5,8 ↑ 6,7,9 , Sm*↓ 5,8 ↑ 6,7,9 , S↓ 5,8 ↑ 6,7,9 ,
σ т *↑ 5,6,9 ↓ 7,8 ,
Е*↑ 5,6,8,9 ↓ 7 ,
µ*↑ 5,6,8,9 ↓ 7 ,
НВ↑ 5,6,8,9 ↓ 7 ,
D кр *↑ 5,8,9 ,
σ в *↓ 7 ↑ 6,9 ,
ρ д *↑ 5,6,8,9 ↓ 7 ,σ ост *↑ 5,6,7,9 , h σ0 ↑ 9 , H µ0 *↑ 5,6,8,9 ↓ 7 .
Знаки «↓» и «↑» означают, что для уменьшения выходного параметра необходимо
соответственно уменьшить или увеличить значение входного параметра. Цифры при стрелочках обозначают влияние эксплуатационных свойств, представленных в таблице.
Примечание. σ в – предел прочности на разрыв; σ т – предел текучести материала; Е –
модуль упругости первого рода; µ – коэффициент Пуассона; НВ – твердость материала;
D кр – размер кристаллита (зерна) материала; ρ д – плотность дислокационных петель материала; σ ост – остаточные напряжения поверхностного слоя; h σ0 – глубина залегания остаточных напряжений; H µ0 – микротвердость поверхностного слоя; h н – глубина наклепанного слоя.
17
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ISBN 5-89838-272-0
Вестник Брянского государственного технического университета. 2007. № 2(14)
Анализируя градиенты влияния проектных параметров на составляющие показатели
точности СП на этапе его конструирования, можно заключить, что выбор или расчет проектных параметров носят многокритериальный характер (относительно эксплуатационных
свойств). Это обязывает конструктора технологической оснастки решать задачу по определению оптимальных параметров качества СП.
Решения указанной оптимизационной задачи относительно параметров качества деталей СП представлены ниже.
Режимы резания при обеспечении оптимальных параметров качества функциональных поверхностей базовых и корпусных деталей СП [1, 2, 3]:
1. Плоские поверхности:
1) погрешность установки заготовки в СП ε у = 2…16 мкм: шлифование тонкое периферией круга – 24А20СМ17К (материал инструмента), S пп = 1,2…8,0 мм/ход (поперечная подача), S t = 0,006…0,002 мм/ход (подача на глубину), i = 8…4 ход/вых (число выхаживаний), V д = 5…10 м/мин (скорость обрабатываемой поверхности детали),
V кр = 30…35 м/с (скорость круга);
2) ε у = 18…35 мкм: шлифование чистовое периферией круга – 14А40М37К,
S пп = 2,5…16,0 мм/ход, S t = 0,010…0,004 мм/ход, i = 4…2 ход/вых, V д = 10…20 м/мин,
V кр = 30…35 м/с; точение тонкое – Т30К4, Эльбор-Р, Гексанит-Р (материал инструмента),
S о = 0,08…0,12 (Т30К4), 0,08…0,15 (Эльбор-Р), 0,08…0,15 (Гексанит-Р) мм/об (подача на
оборот), t = 0,03…0,1, 0,05…0,15, 0,05…0,15 мм (глубина резания); V = 120…80, 150…90,
150…90 м/мин.
2. Наружные цилиндрические и конические поверхности:
1) ε у = 2…16 мкм: шлифование тонкое – 23А25С16К, S пр = (0,14…0,2)В мм/об (продольная подача в долях ширины В шлифовального круга), S t = 0,005…0,001 мм/ход,
i = 10…4 ход/вых, V д = 10…20 м/мин, V кр = 30…35 м/с;
2) ε у = 18…35 мкм: шлифование чистовое – 23А40СМ26К или 14А40СМ26К,
S пр = (0,2…0,3)В мм/об, S t = 0,015…0,005 мм/ход, i = 5…2 ход/вых, V д = 15…25 м/мин,
V кр = 30…35 м/с; точение тонкое – Т30К4, Эльбор-Р, Гексанит-Р, S о = 0,08…0,12,
0,08…0,15, 0,08…0,15 мм/об, t = 0,03…0,1, 0,05…0,15, 0,05…0,15 мм; V = 120…80,
150…90, 150…90 м/мин.
3. Внутренние цилиндрические и конические поверхности:
1) ε у = 2…16 мкм: шлифование тонкое – 23А16С25К или 24А16С25К,
S пр = (0,15…0,2)В мм/об, S t = 0,003…0,0005 мм/ход, i = 14…8 ход/вых, V д = 10…20 м/мин,
V кр = 30…35 м/с;
2) ε у = 18…35 мкм:
шлифование
чистовое
–
23А25С15К;
24А25С15К,
S пр = (0,2…0,3)В мм/об, S t = 0,005…0,002 мм/ход, i = 8…3 ход/вых, V д = 20…30 м/мин,
V кр = 30…35 м/с; точение тонкое – Т30К4, Эльбор-Р, Гексанит-Р, S о = 0,08…0,12,
0,03…0,1, 0,03…0,1 мм/об, t = 0,03…0,05, 0,04…0,06, 0,04…0,06 мм; V = 100…70,
150…120, 130…110 м/мин.
Режимы резания при обеспечении оптимальных параметров качества функциональных поверхностей установочных и переходных деталей приспособлений:
1. Плоские поверхности:
1) ε у = 2…4 мкм: шлифование тонкое периферией круга – 24А16СМ16К,
S пп = 0,8…5,0 мм/ход, S t = 0,005…0,001 мм/ход, i = 10…5 ход/вых, V д = 5…10 м/мин,
V кр = 30…35 м/с;
2) ε у = 6…12 мкм: шлифование тонкое периферией круга – 24А20СМ17К,
S пп = 1,2…8,0 мм/ход, S t = 0,006…0,002 мм/ход, i = 8…4 ход/вых, V д = 5…10 м/мин,
V кр = 30…35 м/с;
3) ε у = 14…35 мкм: шлифование тонкое периферией круга – 24А25СМ17К,
S пп = 1,8…12 мм/ход, S t = 0,006…0,002 мм/ход, i = 8…4 ход/вых, V д = 10…20 м/мин,
V кр = 30…35 м/с.
18
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ISBN 5-89838-272-0
Вестник Брянского государственного технического университета. 2007. № 2(14)
2. Наружные цилиндрические и конические поверхности:
1) ε у = 2…4 мкм: шлифование тонкое – 24А40СМ17К5, S пр = (0,1…0,14)В мм/об,
S t = 0,004…0,001 мм/ход, i = 12…6 ход/вых, V д = 10…20 м/мин, V кр = 30…35 м/с;
2) ε у = 6…12 мкм: шлифование тонкое – 23А25С16К, S пр = (0,12…0,16)В мм/об,
S t = 0,005…0,001 мм/ход, i = 10…4 ход/вых, V д = 10…20 м/мин, V кр = 30…35 м/с;
3) ε у = 14…35 мкм: шлифование тонкое – 23А40С26К, S пр = (0,14…0,2)В мм/об,
S t = 0,005…0,001 мм/ход, i = 10…4 ход/вых, V д = 10…20 м/мин, V кр = 30…35 м/с.
3. Внутренние цилиндрические и конические поверхности:
1) ε у = 2…4 мкм: шлифование тонкое – 63С40СМ29К, S пр = (0,1…0,12)В мм/об,
S t = 0,002…0,0005 мм/ход, i = 14…8 ход/вых, V д = 10…15 м/мин, V кр = 30…35 м/с;
2) ε у = 6…12 мкм: шлифование тонкое – 24А16С25К, S пр = (0,1…0,15)В мм/об,
S t = 0,003…0,0005 мм/ход, i = 14…8 ход/вых, V д = 10…15 м/мин, V кр = 30…35 м/с;
3) ε у = 14…35 мкм: шлифование тонкое – 23А16С25К, S пр = (0,15…0,2)В мм/об,
S t = 0,003…0,0005 мм/ход, i = 14…8 ход/вых, V д = 10…15 м/мин, V кр = 30…35 м/с.
Режимы резания при обеспечении оптимальных параметров качества функциональных поверхностей прижимных деталей приспособлений:
1. Плоские поверхности:
1) масса прихвата М пр = 0,05…0,5 кг, номинальная площадь контакта А н = 63…160
мм2: шлифование тонкое периферией круга – 24А25СМ17К, S пп = 1,8…12 мм/ход,
S t = 0,006…0,002 мм/ход, i = 8…4 ход/вых, V д = 5…10 м/мин, V кр = 30…35 м/с;
2) М пр = 0,05…0,5 кг и А н = 200…320 мм2, М пр = 0,55…1,0 кг и А н = 500…630 мм2,
М пр = 1,1…2,0 кг и А н = 850…1000 мм2: шлифование чистовое периферией круга –
14А40М37К,
S пп = 2,5…16 мм/ход,
S t = 0,010…0,004 мм/ход,
i = 4…2 ход/вых,
V кр = 30…35 м/с;
строгание
тонкое
–
Композит 05,
V д = 10…20 м/мин,
S пп = 0,05…0,11 мм/ход, t = 0,1…0,2 мм, V = 90…70 м/мин;
3) М пр = 0,05…0,5 кг и А н = 340…400 мм2, М пр = 0,55…1,0 кг и А н = 650…800 мм2,
М пр = 1,1…2,0 кг и А н = 1100…1250 мм2: шлифование чистовое периферией круга –
14А40М37К,
S пп = 2,5…16 мм/ход,
S t = 0,010…0,004 мм/ход,
i = 4…2 ход/вых,
V д = 10…20 м/мин, V кр = 30…35 м/с; фрезерование торцовое чистовое – ТТ7К12, ЭльборР, Гексанит-Р, S z = 0,05…0,08, 0,04…0,05, 0,04…0,05 мм/зуб, t = 0,05…0,1, 0,1…0,2,
0,1…0,2 мм, V = 80…70, 150…120, 150…120 м/мин.
2. Наружные цилиндрические и конические поверхности:
1) М пр = 0,05…0,5 кг, А н = 63…160 мм2: шлифование тонкое – 23А40С26К,
S пр = (0,14…0,2)В мм/об, S t = 0,005…0,001 мм/ход, i = 10…4 ход/вых, V д = 10…20 м/мин,
V кр = 30…35 м/с;
2) М пр = 0,05…0,5 кг и А н = 200…400 мм2, М пр = 0,55…1,0 кг и А н = 500…800 мм2,
М пр = 1,1…2,0 кг и А н = 1000…1250 мм2: шлифование чистовое – 23А40СМ26К или
14А40СМ26К, S пр = (0,2…0,3)В мм/об, S t = 0,015…0,005 мм/ход, i = 5…2 ход/вых,
V д = 15…25 м/мин, V кр = 30…35 м/с.
3. Внутренние цилиндрические и конические поверхности:
1) М пр = 0,05…0,5 кг, А н = 63…160 мм2: шлифование тонкое – 23А16С25К,
S пр = (0,15…0,2)В мм/об, S t = 0,003…0,0005 мм/ход, i = 14…8 ход/вых, V д = 10…20 м/мин,
V кр = 30…35 м/с;
2) М пр = 0,05…0,5 кг и А н = 200…400 мм2, М пр = 0,55…1,0 кг и А н = 500…800 мм2,
М пр = 1,1…2,0 кг и А н = 1000…1250 мм2: шлифование чистовое – 23А25С16-5К или
24А25С16-5К, S пр = (0,2…0,3)В мм/об, S t = 0,005…0,002 мм/ход, i = 8…3 ход/вых,
V д = 20…30 м/мин, V кр = 30…35 м/с.
Назначение указанных режимов резания при изготовлении функциональных поверхностей деталей СП позволяет повысить надежность их функционирования на 12…60 % в
сравнении с применением режимов резания в гостированных технологических процессах
формообразования стандартных деталей СП.
19
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ISBN 5-89838-272-0
Вестник Брянского государственного технического университета. 2007. № 2(14)
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Машиностроение. Т.III-3. Технология изготовления деталей машин: энциклопедия / под ред.
А.Г. Суслова. – М.: Машиностроение, 2000. – 839 с.
2. Машиностроение. Т.IV-3. Надежность машин: энциклопедия / ред. совет: К.В. Фролов, В.В. Клюев,
А.П. Гусенков, К.С. Колесников. – М.: Машиностроение, 1998. – 592 с.
3. Суслов, А.Г. Качество поверхностного слоя деталей машин / А.Г. Суслов. – М.: Машиностроение, 2003. –
320 с.
Материал поступил в редколлегию 21.03.07.
20
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2007. № 2(14)
УДК
621.74:669.14
А. Я. Шатов, Д. А. Бойков, А. А. Ступак
ЛИНЕЙНАЯ УСАДКА СТАЛЬНЫХ ОТЛИВОК,
ЕЕ СВЯЗЬ С ДИАГРАММОЙ СОСТОЯНИЯ Fe-Fe 3 C
Приведены расчеты поэтапного изменения линейных размеров стальных отливок при охлаждении.
на величины доперлитной и полной
Выявлено влияние перитектического превращения Feδ → Feγ
линейной усадки. Проведена
экспериментальными данными.
сравнительная
оценка
полученных
расчетных
результатов
с
При затвердевании и охлаждении стальных отливок в литейной форме
уменьшаются их объем и линейные размеры. Этот процесс назвали усадкой. От линейной
усадки стальных отливок зависят их размерная точность, вероятность образования
горячих и холодных трещин.
В зависимости от конструкции отливки, свойств литейной формы линейная усадка
всегда в какой-то степени является механически или термически заторможенной.
Вследствие этого величины усадки в различных местах отливки могут быть значительно
меньше свободной линейной усадки. В этих местах отливка оказывается
деформированной, возникают внутренние напряжения, от величины которых зависит
образование горячих и холодных трещин. Для определения степени деформации
необходимо знать величины свободной линейной усадки отливок из сталей с различным
содержанием углерода и действительную линейную усадку, величину которой можно
определить экспериментально на самой отливке. Но данные о свободной линейной усадке
отливок, т.е. максимально возможной ее величине, противоречивы, что видно из
результатов обработки большого количества экспериментальных данных (рис.1).
Был проведен поэтапный расчет
величины линейной усадки стальных
отливок из углеродистых сталей с
учетом
фазовых
превращений,
происходящих при охлаждении стали
согласно диаграмме состояния FeFe 3 C, и полученные результаты
сопоставлены с экспериментальными
данными.
Были
использованы
результаты расчетов и собственных
экспериментов.
Полная линейная усадка (ε n )
представляет собой сумму величин
Рис. 1. Влияние содержания углерода в стали на полную
(εn) и доперлитную (εdn) усадку отливок по данным
разных авторов: 1 — Бриггс и Газелиус [1]; 2—Н. А.
Трубицын [2]; З — Вюст и Шитцковский [3]; 4 — И. В.
Грузных [4]; 5 — Н. Г. Гиршович, Ю. А. Нехендзи, Б.
И. Лебедев [5]; 6 — А. Я. Шатов [6]
доперлитной
усадки
(ε dn )
и
послеперлитной усадки (ε nn ) за
вычетом величины расширения при
превращении аустенита в феррит и
эвтектоидном превращении ( εγ →α ).
ε n =ε dn -ε γ→α +ε nn
При
проведении
работы
выявлены особенности затвердевания тонкостенных стальных отливок. На рис. 2
приведены кривые охлаждения опытной отливки толщиной 20 мм из стали 25Л.
20
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2007. № 2(14)
Горячие спаи термопар группы ПП устанавливали по центру и в поверхностном слое
опытных отливок.
Вид кривой охлаждения центра отливок соответствует теории фазовых переходов и
правилу фаз.
На кривой охлаждения зафиксированы
площадка, свидетельствующая о постоянстве
температуры при перитектическом превращении
(число степеней свободы С=0), и перегиб при
температуре солидуса (С=1). Точно определить
температуру ликвидуса по перегибу на кривой
охлаждения довольно сложно, поэтому ее
рассчитывали по формуле [7]
t=
L 1539 − (%C ⋅ 65 + % Mn ⋅ 5 + % Si ⋅ 12 +
+% P ⋅ 30 + % S ⋅ 25).
Рис. 2. Кривые изменения температуры в
центре (1), поверхностном слое (2) плоской отливки и линейной усадки в области высоких температур (3)
Результаты
определения
фазовых переходов:
температур
t L = 1512 0C, t перит = 1480 0C, t S = 1455 0C.
Фактические температуры фазовых превращений находятся значительно ниже
(особенно температура солидуса) равновесных температур, установленных по диаграмме
состояния Fe-Fe 3 C.
Изменение температуры в поверхностном слое отливки соответствует характеру
кривой охлаждения в центре, перегибы на кривой по времени совпадают с перегибами при
температурах ликвидуса и солидуса на кривой охлаждения центра, но отсутствует
площадка при перитектическом превращении. Перепад температур в поверхностном слое
от момента начала затвердевания до полного затвердевания всей отливки составляет
примерно 250С.
Сопоставление кривой линейной усадки с кривыми охлаждения показывает, что
сразу же после заливки происходит предусадочное расширение, и только через 30 с
начинается линейная усадка. Интенсивное развитие усадки наблюдается только при
достижении в центре отливки температуры солидуса, т.е. с момента начала резкого
снижения температуры на поверхности и в центре отливки.
Корочка на поверхности отливки формируется очень быстро. Методом выливания
жидкого остатка установили, что уже через 3…5 с после заливки толщина корочки
составила 2…3 мм. При ее формировании и происходит предусадочное расширение,
основной причиной которого, по-видимому, является расширение при нагреве
формовочной смеси, находящейся в контакте с поверхностью отливки. По мере роста
затвердевшего слоя температура в поверхностном слое изменяется незначительно. В этом
случае линейная усадка при наличии градиента температур по сечению стенки отливки
связана в основном с фазовым превращением Ж → Тв и перитектическим превращением
Ж в +δФ н → Ж в +А J , в результате которых формируются первичная структура отливки и
прочность. По кривым охлаждения определили температуры начала линейной усадки.
21
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2007. № 2(14)
Экспериментальные
значения
свободной
линейной
усадки
установили по кривым линейной
усадки, представленным на рис.3
[8].
Величины
доперлитной
и
послеперлитной
усадки
рассчитывали по формуле
ּ ◌ּ 100,
ε dn(nn) =α ср ◌Δt
(1)
где ε dn(nn) - расчетная величина
или
доперлитной
(ε dn )
послеперлитной усадки (ε nn ),%;
температурный интервал
∆t соответствующего этапа усадки, 0С;
- средний коэффициент термического сжатия в температурном интервале ∆t , град-1.
Необходимые для расчетов исходные данные приведены в табл. 1.
Рис. 3. Кинетические кривые линейной усадки образцов
сталей с различным содержанием углерода
α ср
740
728
735
730
735
890
840
835
785
775
660
650
650
650
640
820
770
770
750
700
14,23
14,32
14,26
14,27
14,36
17,63
17,46
17,51
17,70
17,81
18,88
18,47
18,94
18,40
18,33
14,62
14,51
15,34
14,82
16,68
1504
1500
1490
1480
1466
1,21
1,27
1,26
1,29
1,36
0,28
0,198
0,158
0,080
0
1,48
1,468
1,42
1,37
1,36
экспериментальная
Доперлитная
усадка, %
расчетная
Уменьшение линейных
размеров при
превращении δ - γ
ε дп =α ср Δt·100, %
Температура начала
линейной усадки, 0С
Аr 1 - 200С
10000С – Аr 3
0,15
0,25
0,32
0,41
0,50
Ас 1 Ас 3 Аr 1 Аг 3
Ас 3 - 10000С
Содержание углерода,
% по массе
22
42
19
24
20
Критические точки, Средний коэффициент линей0
С
ного расширения α ּ◌10-6, град-1
Нагрев
Охлаждение
200 С - Ас 1
№ образца
Таблица 1
Величины доперлитной усадки, полученные опытным и расчетным путями
1,51
1,48
1,44
1,41
1,37
Коэффициент линейного расширения сталей с различным содержанием углерода
определяли на оптическом дилатометре Шевенара. Полученные значения средних
коэффициентов линейного расширения использовали для расчетов по выражению (1). При
этом предполагали, что средний коэффициент термического сжатия литых проб,
охлаждающихся в интервале температур от температуры начала линейной усадки до Аr з ,
численно равен среднему коэффициенту линейного сжатия дилатометрических образцов
при их охлаждении в интервале температур 10000С- Аr з . Как видно из табл. 1, расчетные
величины ε оказались значительно меньше экспериментальных.
äï
В сталях с содержанием углерода 0,1…0,51
% на процесс первичной
кристаллизации и линейную усадку существенное влияние должно оказывать
перитектическое превращение, в основе которого лежит превращение Fe → Feγ .
1. В интервале 0,1…0,15 %С: δФ Н + Ж В → δФ Н + А J .
22
δ
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2007. № 2(14)
2. При 0,16 %C: δФ Н + Ж В → А J .
3. В интервале 0,17…0,51 %С: δФ Н + Ж В → Ж В + А J .
При анализе влияния перитектического превращения на величину доперлитной
усадки использовали данные Вестгрена [9], согласно которым при нагревании в
критической точке А 4 удельный объем чистого железа увеличивается на 0,95%. При
охлаждении удельный объем уменьшается на эту же величину, а линейные размеры – на
0,317%. С увеличением содержания углерода в стали эта величина уменьшается, так как
снижается количество δ-фазы при перитектическом превращении.
По правилу коноды (отрезков) рассчитали изменение количества
δ-фазы,
превращенной в γ-фазу, в зависимости от содержания углерода в стали и связанное с ним
уменьшение линейных размеров. У стали с 0,15%С это уменьшение при перитектическом
превращении составляет 0,28%, у стали с 0,41%С – 0,08%.
Суммируя значения доперлитной усадки, рассчитанной по выражению (1), с
уменьшением размеров при перитектическом превращении, получили расчетную
величину доперлитной усадки, которая, как видно из табл. 1, равномерно уменьшается с
увеличением содержания углерода в стали и довольно близка к экспериментальным
данным.
У доэвтектоидных сталей при их охлаждении на кривой линейной усадки
появляется участок, свидетельствующий об увеличении линейных размеров при
перестройке решетки Feγ в решетку Feα . Как видно из рис.3, с увеличением содержания
углерода в стали расширение при превращении γ → α уменьшается.
С целью анализа факторов, влияющих на величину расширения образцов при
превращении аустенита, провели расчеты изменения удельных объемов структурных
составляющих стали 25Л в зависимости от содержания углерода и температуры. При
расчетах использовали формулы [10]
Vα (t )= 0,12708 + 5,528 ⋅ 10
−6
Vγ (t ,C=
) 0,12982 + 8,51 ⋅ 10
−6
VFe c (t=
) 0,13023 + 4,88 ⋅ 10
3
где V
α (t )
- удельный объем феррита, см3/г; V
t,
t + 2,15 ⋅ 10
−6
−2
C,
,
γ (t ,C )
- удельный объем аустенита, см3/г;
- удельный объем цементита, см3/г; С – массовая доля углерода, %; t –
V
Fe3c(t )
температура, 0С.
Согласно общей теории фазовых превращений, у доэвтектоидных сталей распад
аустенита начинается с выделения избыточного феррита, с увеличением содержания
углерода температурный интервал превращения уменьшается. При этом одновременно
идут несколько процессов: с одной стороны, увеличивается объем металла при
превращении γ → α , с другой – с понижением температуры уменьшается объем
оставшегося аустенита и образовавшегося феррита при одновременном изменении
соотношения их количества в сплаве. Кроме того, при понижении температуры стали
увеличивается содержание углерода в оставшемся аустените (согласно линии GS
диаграммы Fe-Fe 3 C), что, в свою очередь, влияет на изменение его удельного объема.
Распад аустенита заканчивается эвтектоидным превращением. Изменение удельных
объемов фаз в связи с этим также должно сказаться на величине расширения образца.
23
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2007. № 2(14)
Кроме отмеченных факторов, на общую величину расширения должен повлиять тепловой
эффект превращения аустенита и возникновения поля напряжений при превращении. Но в
расчетах это не учитывалось. Результаты расчетов для стали с 0,25% углерода
представлены в табл. 2.
Таблица 2
Изменение объема стали (0,25 % С) в процессе распада аустенита
Количество
Уменьшение
Увеличение
феррита,
объема при
объема
образовавохлаждении, %
вследствие
шегося при
превращепревращения, %
Аусте- Фернии, %
Аустенит Феррит
Аустенит Феррит
нит рит
0,13055 0,13173 100,0
0
0,0
0,0
0,0
0,0
0,1305 0,13167 92,6 7,4
7,4
0,0630
0,0366 0,0017
0,13046 0,13161 86,3 13,7
6,3
0,0535
0,0268 0,0048
0,13043 0,13155 80,7 19,3
5,6
0,0465
0,0167 0,0074
0,13039 0,1315 74,6 25,4
6,1
0,0500
0,0233 0,0083
0,13034 0,13145 70,4 29,6
4,2
0,0340
0,0225 0,0102
0,1304 0,13139 58,9 41,1
11,5
0,0930
0,029
0,0159
0,13046 0,13134 51,0 49,0
7,9
0,0569
0,0252 0,0167
0,13052 0,13128 44,6 55,4
6,4
0,0397
0,0215 0,0225
0,13059 0,13123 39,4 60,6
5,2
0,0271
0,0223 0,0215
0,13066 0,13116 35,7 64,3
3,7
0,0104
0,0198 0,0331
Удельный объем
фаз, см3/г
Температура,
0
С
840
830
820
810
800
790
780
770
760
750
740
До
эвтектоидного
превращения
0,13079 0,13111
Фазовый
состав, %
31,3
68,7
4,4
0,015
Увеличение
обьема при
После
Количестэвтектоид- Цементит Феррит Цемен- Фер- во перлита, эвтектоидрит
тит
ном
ного
%
превраще
превращении, %
ния
0,13379 0,13111 3,7 96,3
31,3
0,1345
Итого
-
Суммарное
увеличение
объема, %
0,0
0,0247
0,0219
0,0224
0,0184
0,0013
0,1061
0,0657
0,0387
0,0279
0,0029
0,0177
0,0216
0,0081
-
-
-
-
-
0,1345
0,4666
Расчетная величина роста линейных размеров в результате распада аустенита равна
0,155 % и довольно близка к получаемой на дилатометрических образцах (0,12 %). Как
видно на рис.4, расчетная и дилатометрическая кривые почти совпадают. Для сравнения
на рис.4 приведена дилатометрическая кривая, полученная Штеблейном [11] для стали с
0,22 %С. На кривой ясно видна вертикальная площадка, отражающая расширение образца
в результате эвтектоидного превращения. На нашей кривой эта площадка наклонная, т.е.
превращение происходит не при постоянной температуре, а в интервале температур, что
объясняется присутствием кремния и марганца в стали.
Расширение при эвтектоидном превращении рассчитывали по разнице удельных
объемов аустенита и перлита. Удельный объем перлита, определенный по удельным
объемам составляющих фаз равен 0,13136 см3/г. Для перлитной стали расширение при
эвтектоидном превращении составляет по расчету 0,15%, по дилатометрической кривой –
0,1% (рис.4, кривая 4). Из сопоставления кривых стали с 0,25 %С (рис.3, 4) видно,
24
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2007. № 2(14)
что расчетная величиина расширения при
превращении γ → α больше значений,
определенных по кривой линейной усадки
образцов. Но данные дилатометрических
измерений
с величиной
расширения
образцов почти совпадают.
Величину
послеперлитной
усадки
рассчитывали
по
выражению
(1).
Необходимые
для
расчетов
данные
приведены в табл. 1. Результаты расчетов и
экспериментов (рис. 3) почти совпадают.
Так, у стали с 0,25 %С послеперлитная
усадка
ε пп =14,51·750·10-6·100=1,09 %,
Рис. 4. Расширение дилатометрических
образцов при превращении аустенита:
при эксперименте же получили 1,01 %,
1 - сталь с 0,22%С; 2- расчетная кривая;
различие составляет 8 %.
3 – сталь с 0,25%С (наши данные);
Нанесение величин доперлитной и
4 – сталь с 0,78%С [11]
полной линейной усадки, рассчитанных
поэтапно по описанной методике, на график зависимостей этих этапов от содержания
углерода в стали (рис. 1) показало наибольшую их совместимость со значениями кривой
6. Это подтверждает возможность расчета свободной линейной усадки по уравнениям
[12]
=
ε äï 1,570 − 0,376Ñ
=
ε ï 2, 498 − 0, 458Ñ
где
ε дп – величина доперлитной усадки, %; ε п – величина полной усадки, %;
С – содержание углерода в стали, %.
Полученные
результаты
позволили
выявить
значительное
влияние
перитектического превращения на величину доперлитной усадки. При превращении
происходит скачкообразное уменьшение объема и линейных размеров. Причем чем ближе
содержание углерода в стали к величине 0,16% (точка J диаграммы Fe-Fe 3 C), тем
значительнее уменьшение линейных размеров при δ-γ превращении и больше вероятность
образования горячих трещин в случае торможения линейной усадки. Доля уменьшения
линейных размеров в результате перитектического превращения (табл. 1) сопоставима со
всей величиной доперлитной усадки в температурном интервале хрупкости
1480…1350 0С. Поэтому при изготовлении отливок сложной конфигурации из
низкоуглеродистых сталей (например, 20Л, 20ГЛ, 20ФЛ), склонных к образованию
горячих трещин, нижний предел по углероду в марке (0,14…0,15%) необходимо сместить
в сторону больших значений, уменьшив тем самым вероятность образования горячих
трещин. Современные способы выплавки стали, корректировка химического состава в
ковше позволяют выполнить эту рекомендацию.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Briggs, G. W. Trans. Amer. Fondrymens Assoc/ G. W. Briggs, Gezelins. - 1935. – Р. 449.
2. Трубицын, Н. А. Усадка стали при охлаждении в форме и образование горячих трещин в отливках/ Н. А
Трубицын // Взаимодействие литейной формы и отливки. – М.: Изд-во. АН СССР, 1962.
3. Wűst, F. Stahe und Eisen/ F. Wűst, G. Shitzkowski. – 1923.– Р. 713.
25
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2007. № 2(14)
4. Грузных, М. В. Влияние некоторых элементов состава стали на линейную усадку: автореф. канд. дис./
М. В. Грузных. – Л. : Фонды ЛПИ, 1951.
5. Гиршович, Н. Г. Работы по теории литейного производства / Н. Г. Гиршович, Б. Б. Гуляев, Ю. А.
Нехендзи // Литейное производство. – Л. : Лениздат, 1957.
6. Шатов, А. Я. Влияние технологических факторов на усадку стальных отливок / А. Я. Шатов, В. П.
Чернобровкин // Литейные свойства металлов и сплавов: труды 11-го совещания по теории литейных
процессов. – М. : Наука, 1967. – С. 196 – 199.
7. Кудрин, В. А. Металлургия стали: учебн. для вузов / В. А. Кудрин. – М.: Металлургия, 1989. – 560 с.
8. Шатов, А. Я. Контроль качества стали по кривым линейной усадки / А. Я. Шатов, В. П. Чернобровкин //
Литейное производство. – 1966. - №7. – С. 8 – 10.
9. Westgren, A. I. Iron and Steel Inst/ A.I. Westgren. – 1922.
10. Юрьев, С. Ф. Удельный обьём фаз в мартенситном превращении аустенита / С. Ф. Юрьев. – М. :
Металлургиздат, 1950.
11. Stäblein, F. Stahl und Eisen/ F. Stäblein. – 1926. - Р. 101.
12. Шатов, А. Я. Микротрещины в стальных отливках / А. Я. Шатов, С. В. Давыдов, Ю. А. Шатов // Вестн.
БГИТА. – 2005. - №1. – С. 133 – 136.
Материал поступил в редколлегию 24.01.07.
26
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2007. № 2(14)
УДК 631.3 – 192:621.822.6 – 762
С.П. Шец
ПОВЫШЕНИЕ ГЕРМЕТИЗИРУЮЩЕЙ СПОСОБНОСТИ МАНЖЕТ
КОМБИНИРОВАНИЕМ С МАГНИТОЖИДКОСТНЫМ УПЛОТНЕНИЕМ
Рассмотрены режимы работы и представлены основы расчета на герметичность манжетного уплотнения, действующего в комбинации с уплотнительно-смазочной магнитной жидкостью. Выявлены недостатки
в работе установленного отдельно манжетного уплотнения, представлены возможности их компенсации за
счет уникальных свойств уплотнительно-смазочной магнитной жидкости.
Развитие современного машиностроения предъявляет все более жесткие требования
к различным устройствам как в новых областях техники (атомная энергетика, космонавтика), так и в традиционных (автотранспортное машиностроение, станкостроение и др.).
В последние двадцать лет практический интерес вызывают исследования технических устройств с применением нетрадиционных уплотнительно – смазочных материалов,
таких как магнитные жидкости (МЖ).
МЖ состоит из коллоидных частиц магнетита, теоретически имеющих шарообразную форму (диаметр d ч ≤ 10нм ), покрытых слоем поверхностно-активного вещества
(ПАВ) толщиной δ ≈ 2нм (олеиновая, ундециловая и другие виды кислот) и находящихся в жидкости-носителе (конденсаторное, турбинное и другие масла).
МЖ обладают способностью концентрироваться, удерживаться и изменять вязкость
в местах повышенной напряженности магнитных полей, а именно в зазорах соединений,
что и делает их перспективными рабочими телами, смазочными и технологическими средами [1].
Примером использования МЖ в зазоре соединения может являться комбинация
стандартной манжеты с магнитожидкостным уплотнением (МЖУ), представленная на
рис. 1 в. В этой комбинации МЖУ выполнено в виде постоянного кольцевого магнита и
двух полюсных наконечников, под которыми находится МЖ, а манжета установлена последовательно. Такое комбинированное уплотнение позволяет повысить долговечность
узла трения машины в среднем в 2…2,5 раза.
При рассмотрении принципа действия соединения стандартной манжеты и вала
можно установить режимы работы уплотнения при различных частотах вращения вала:
статический (вал не вращается), переходный (момент запуска или начало вращения вала)
и динамический (вал вращается).
При статическом режиме кромка губки манжеты вследствие конвективного теплообмена принимает температуру окружающей среды, которая определяется климатическим
районом, ГОСТ 16350-80 или условиями внутрипроизводственного помещения. Агрессивное воздействие окружающей среды приводит к изменению физико-механических
свойств манжеты. Кроме того, при низких температурах происходит отверждение и объемное сужение материала манжеты, что приводит ее в напряженное состояние. При этом
кромка губки находится в состоянии адгезии (прилипания) к поверхности вала (рис.1 а).
При переходном режиме работы уплотнения возникает зазор между кромкой губки
манжеты и поверхностью вала (рис.1 б). Запуск при таких условиях эксплуатации приводит к срезу гребней кромки губки манжеты, абразивному износу, что соответствует второму или третьему классу негерметичности. При этом повышается вероятность попадания в зону контакта кварцевых частиц из окружающей среды и утечек рабочей
27
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2007. № 2(14)
жидкости из уплотняемой полости.
При динамическом режиме и номинальной частоте вращения вала (окружная
скорость вращения вала ниже 20 м/c) темпеN S
ратура кромки губки манжеты достигает
140...150 0С. Такой режим обеспечивает хорошую эластичность резины и способствует
копированию кромкой губки манжеты микрорельефа поверхности вала. В этом случае
обеспечивается нормальная герметичность
по вращающемуся валу (рис.1 а). Однако работа манжеты при частоте вращения вала
выше номинального значения (окружная
а)
б)
в)
скорость вращения вала выше 20 м/c) привоРис. 1. Манжетное уплотнение и комбинация с
дит к возникновению зазора в соединении
МЖУ при различных режимах работы:
«вал – манжета» из-за инерционности воса – статический и динамический при номинальстановления формы кромки губки манжеты
ной частоте вращения вала; б – переходный и
(рис.1 б).
динамический при частоте вращения вала выше
Анализ режимов работы соединения
номинального значения; в – то же при работе
комбинации манжеты с МЖУ
«вал – манжета» показал, что наиболее неблагоприятными режимами являются переходный и динамический при частоте вращения вала выше номинального значения, когда
нарушается герметичность соединения. Повысить герметичность при таких режимах работы возможно применением МЖУ, установленного в комбинации с манжетой (рис.1 в).
Наличие магнитной жидкости под рабочей кромкой манжеты предохраняет её от
факторов агрессивности окружающей среды в статическом, переходном и динамическом
режимах, уменьшает интенсивность изнашивания и повышает работоспособность уплотнения в целом. МЖ, концентрируясь в местах повышенной напряженности магнитного
поля, заполняет зазор соединения «вал – манжета» и микронеровности – как поверхности
вала, так и кромки губки манжеты [2].
Комбинация манжеты с МЖУ обеспечивает не только герметизацию соединения, но
и смазку поверхностей трущихся деталей (динамический режим). Процесс смазки магнитной жидкостью трущихся поверхностей манжеты и вала основан на втягивании части
МЖ a зону трения при действии магнитного поля постоянного магнита. При таких условиях протекания процесса виды смазки зависят от условий контакта кромки губки манжеты и поверхности вала.
При номинальной частоте вращения вала обеспечивается эластогидродинамическая
смазка – смазка, при которой трение и толщина пленки МЖ между двумя поверхностями,
находящимися в относительном движении, определяются упругими свойствами материалов манжеты и вала, а также реологическими свойствами МЖ.
При частоте вращения вала выше номинального значения и частоте, соответствующей переходному режиму, обеспечивается гидростатическая смазка – жидкостная смазка,
при которой полное разделение поверхностей трения, находящихся в относительном движении, осуществляется МЖ, поступающей в зазор между поверхностями под действием
внешнего магнитного поля постоянного магнита. Коэффициент трения в этих условиях
очень мал и определяется лишь вязкостью несущей жидкости [2], а изнашивание контактирующих поверхностей практически исключается.
Для практического применения комбинации МЖУ с манжетой для узлов трения машин с учетом уплотнительно-смазочного действия МЖ необходимо проведение
28
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2007. № 2(14)
предварительных расчетов на герметичность, которые сводятся к определению общего
критического перепада давлений ∆p для двух различных типов уплотнений. Общий критический перепад давлений есть разность давлений с противоположных сторон от комбинированного уплотнения, взятых по модулю:
∆p = p1 − p2 ,
где р1 – внешнее давление (атмосферное давление), МПа; р 2 – внутреннее давление
(давление внутри герметизируемого узла), МПа.
Если учесть совместное действие двух установленных последовательно уплотнений
(комбинация МЖУ с манжетой), то общий критический перепад давлений ∆р может быть
определен как
∆р = (∆р манж. + ∆р МЖУ ) k ,
где ∆р манж. – перепад давлений для манжетного уплотнения, МПа; ∆рМЖУ – перепад
давлений для МЖУ, МПа; k = 0,85…0,95 – экспериментальный коэффициент, учитывающий совместное действие МЖУ и манжеты.
Приближенное значение критического перепада давлений при среднем контактном
давлении на кромке для манжеты
∆р манж. = р1 − р манж.2 ,
где р манж.2 – максимальное допустимое давление внутри герметизируемого узла, МПа;
p манж.2 = ( p к − p к 0 ) k p ,
где p к - среднее контактное давление на кромке губки манжеты, МПа; р к 0 =0,7…1,5
МПа – допустимое давление, МПа; k p =10…5 – коэффициент, зависящий от величины
среднего контактного давления на кромке губки манжеты (уменьшается с увеличением
p к ).
Среднее контактное давление на кромке губки манжеты
р к = Р а = Р м + Ри + Р п + Р р а ,
(
)
где Р – удельное усилие на кромке манжеты, Н/мм; а – ширина контактной поверхности,
мм; Р м , Ри , Р п , Р р – составляющие удельной силы контакта: от растяжения губки манжеты; деформации изгиба губки вследствие эксцентричной посадки манжеты относительно вала; растяжения пружины; перепада давлений на профиль губки, Н/мм.
При удельных усилиях Р >0,4 Н/мм не обеспечивается достаточная смазка уплотняющей кромки при работе манжет, что создает условия сухого трения и приводит к возрастанию нагрева и износа. Значения Р уточняют экспериментально для конкретных
случаев; оно может составлять 0,1…0,6 Н/мм, но наиболее благоприятные варианты
0,25…0,5 Н/мм (для валов диаметром до 30 мм), 0,18…0,3 Н/мм (для валов диаметром
30…80 мм) и 0,15…0,25 Н/мм (для валов большого диаметра) [2].
Критический перепад давлений для МЖУ, имеющего два полюсных наконечника
(рис. 1 в), определяют по формуле
∆p МЖУ = 2 k МЖУ µ 0 ВHl1 h ,
где k МЖУ – связующий коэффициент между давлением и магнитной энергией, МПа/Дж;
µ0
– магнитная проницаемость вакуума, Гн/м; В – магнитная индукция, Тл; H – напря-
29
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2007. № 2(14)
женность магнитного поля на поверхности вала, кА/м; l1 – осевая длина слоя МЖ, мм; h –
половина высоты слоя МЖ, мм.
Представленная методика расчета общего критического перепада давлений подтверждается экспериментальными данными. Наличие МЖ под кромкой губки манжеты,
как показали исследования, способствует не только увеличению герметичности уплотнения. Это дает возможность уменьшить величину удельного усилия на кромке губки манжеты на 5…10 % при неизменной величине общего критического перепада давлений, тем
самым снизить силу трения, температуру и изнашивание соединения.
Интенсификации процесса изнашивания соединения
«вал – манжета» при эксплуатации может способствовать
возникновение различных дефектов, например отклонения
от перпендикулярности уплотняющей кромки к оси вала
(рис.2). При этом дефекте поверхность вала на его передней
половине движется относительно перекошенной кромки таким образом, что пленка жидкости увлекается валом из заРис. 2. Дефекты манжетного упзора наружу. На обратной половине вала пленка засасываетлотнения при перекосе кромки
ся валом под кромку [3,4]. В результате работы уплотнения
губки манжеты
возможно попадание под кромку губки манжеты загрязнений (кварцевых частиц) из окружающей среды или удаление смазочного материала из уплотняемого узла трения.
При использовании манжетного уплотнения в комбинации с МЖУ (рис.1 в) представленный дефект компенсируется тем, что МЖ, как смазка, обладающая магнитными
свойствами, способна стабильно возвращаться в зону трения под действием магнитного
поля, а следовательно, манжета может иметь небольшое отклонение от перпендикулярности уплотняющей кромки к оси вала, так как оно неизбежно возникает как в условиях
эксплуатации, так и при производстве.
Следующим наиболее распространенным дефектом соединения «вал – манжета» является наличие статического и динамического эксцентриситетов вала. Первый вызывает
неравномерность распределения р к по окружности кромки, чем способствует негерметичности. Динамический эксцентриситет ε д (рис.3 а) вызывает радиальное перемещение
точек уплотняющей кромки (биение) при вращении. Для обеспечения герметичности при
динамическом режиме и частоте вращения вала выше номинального значения необходимо, чтобы кромка не отставала от вала и обеспечивала восстановление формы со скоростью υ в > ε дω ,
ω – угловая скорость вращения вала, рад/с.
Наиболее интенсивно влияние динамического эксцентриситета ε д проявляется при
отрицательных температурах. Так, при температуре, приближающейся к температуре
стеклования резины (–35…–40 0С), релаксационные процессы резко интенсифицируются,
и скорость восстановления значительно уменьшается. Фактически при такой температуре
влияние релаксации резины проявляется уже при ε дω >0,1 рад/с.
Совместное влияние, таких факторов как температура, частота вращения и биение
вала при наличии динамического эксцентриситета, вызывает развитие инерционных воздействий на кромке манжеты, что и приводит к разуплотнению вала [3,4].
При работе комбинации манжеты с МЖУ разуплотнения вала при описанных
условиях можно избежать, так как в качестве смазочного материала применяется МЖ.
МЖ будет надежно перекрывать зазоры между кромкой манжеты и поверхностью
вала магнитожидкостным валиком, а также обеспечивать герметичность при перепадах
давлений ∆р МЖУ до 0,15 МПа.
30
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2007. № 2(14)
Значительное влияние на качество
соединения «вал – манжета» оказывают
2
отклонения формы поверхности вала
(рис.3 б), к которым относятся шерохо3
ватость, волнистость и некруглость. Поэтому поверхности валов, на которые
устанавливают манжеты, рекомендуется
обрабатывать врезным шлифованием,
εд
образующим изолированные впадины
вдоль окружности. Валы обрабатывают
в местах контакта с манжетами, обеспеа)
б)
чивая Ra=0,32...0,63 мкм при окружной
Рис. 3. Геометрия поверхности вала: а – при динамискорости вращения вала υ < 5 м/с и
ческом эксцентриситете вала с учетом шероховатости
Ra=0,16...0,32 мкм при υ > 5 м/с. Только
поверхности; б – при отклонении формы и геометрии
для тихоходных валов назначают Ra
вала с учетом шероховатости поверхности; 1 – зазор в
уплотнении, заполненный МЖ; 2 – вал; 3 – кромка
=1,25...2,5 мкм [3,4].
губки манжеты
Применение МЖ в качестве уплотнительно–смазочного материала в
сочетании с манжетой показало, что влияние отклонения формы поверхности и точности
изготовления вала на герметичность в определенной степени снижается, так как МЖ способна перекрывать возникающие в соединении зазоры не только на отдельных участках,
но и по всей окружности вала, уплотняемой манжетой. Следовательно, надежность работы комбинации манжетного уплотнения с МЖ обеспечивается тем, что уникальные свойства МЖ способны компенсировать недостатки манжетного уплотнения и наоборот.
1
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Орлов, Д.В. Магнитные жидкости в машиностроении/ Д.В. Орлов, Ю.О. Михалев, Н.К. Мышкин, В.В.
Подгорков, А.П. Сизов. – М.: Машиностроение, 1993. – 272 с.
2. Шец, С.П. Применение магнитной жидкости в качестве смазочного материала в манжетах/ С.П. Шец //
Надёжность и эффективность работы двигателей и автомобилей: сб. науч. тр.– Брянск., БГТУ, 1999. – С.
47–52.
3. Уплотнения и уплотнительная техника: справочник/ Л.А. Кондаков, А.И. Голубев, В.В. Гордеев [и др.];
под общ. ред. А.И. Голубева, Л.А. Кондакова. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Машиностроение, 1994. –
448 с.
4. Кондаков, Л.А. Рабочие жидкости и уплотнения гидравлических систем/ Л.А. Кондаков. – М.: Машиностроение, 1982. – 216 с.
Материал поступил в редколлегию 16.01.07.
31
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2007. № 2(14)
УДК 669:658.562; 621.165
С.В. Давыдов, В.Г. Кешенкова
СОВРЕМЕННЫЕ КОНСТРУКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ
ДЛЯ ЛОПАТОЧНОГО АППАРАТА ТУРБОМАШИН
Рассмотрены основные группы современных конструкционных материалов для лопаточного аппарата турбомашин с позиций оценки их структурной стабильности.
Прогресс в области турбостроения и повышение эффективности турбомашин определяются качеством и эксплуатационными характеристиками их основных деталей. Бесперебойная и надежная работа оборудования турбомашин является важнейшей задачей
энергетического производства.
Газотурбинные установки (ГТУ) нового поколения призваны обеспечить высокий
уровень основных эксплуатационных показателей, в том числе экономичности, надежности (наработка на отказ - не менее 3,5 тыс.ч, межремонтный ресурс - на уровне 20...25 тыс.
ч, улучшенные экологические показатели и т.п.) [1, 2].
Проблема увеличения срока службы энергетического оборудования также остается крайне актуальной в существующей экономической обстановке. При рассмотрении
проблемы повышения ресурса энергетического оборудования необходимы исследования, учитывающие процесс разупрочнения применяемых материалов при длительной
эксплуатации. Это сложная задача, требующая надежных методов оценки структурного
состояния металла в изделии [3, 4].
Лопатки турбомашин (рис. 1) работают в тяжелых термодинамических условиях.
Они подвергаются сильному воздействию центробежной силы, изгибающему и пульсирующему влиянию рабочей среды, вызывающему вибрации лопаток, в которых легко могут быть возбуждены резонансные колебания. Все это происходит в первых ступенях турбины при высоких температурах рабочей среды. Температура рабочей среды, прежде всего, влияет на микроструктуру сплава, а собственно рабочая среда воздействует на лопаточный аппарат - как механически, так и химически, - вызывая различные виды повреждений.
Материал
рабочих
лопаток
обычно выбирается по характеристикам длительной прочности при
рабочих температурах металла, которые должны обеспечивать необходимый запас прочности по отношению к максимальным растягивающим напряжениям. В охлаждаемых
лопатках обычно не удается существенно снизить температуру кромок.
Поэтому для этих лопаток, помимо
жаропрочности, одним из важных
требований к металлу является и жаРис. 1. Рабочие лопатки турбомашин,
ростойкость. Значительные трудноизготовленные из современных материалов
сти возникают при выборе материала
лопаток судовых ГТУ, работающих в контакте со средой, в состав которой входят агрессивные соли морской воды, а также энергетических ГТУ, эксплуатирующихся в условиях загрязненного воздуха и с использованием загрязненного топлива. Кроме высо-
32
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2007. № 2(14)
кой прочности, материал лопаток должен иметь соответствующую пластичность, сопротивляться действию малоцикловых усталостных деформаций, прочно соединяться
с диском. Поскольку эти детали находятся в контакте с высокотемпературными продуктами сгорания, содержащими большое количество кислорода, материал должен
иметь высокую стойкость к окислению.
Материалы, применяемые в настоящее время для деталей газовых турбин (могут
быть условно подразделены на традиционные и современные): перлитные, хромистые
ферритные, ферритно-мартенситные, мартенситные, аустенитные и аустенитномартенситные стали, титановые сплавы и, наконец, сплавы на никелевой и кобальтовой основе. Для жаропрочных сталей ферритного, ферритно-мартенситного и аустенитно-мартенситного классов, к которым относятся хромистые стали с 12 и
17 % Сr, а также жаропрочных сталей перлитного класса часто используют общий
термин «ферритные стали» [5, 6]. Механические и химические свойства сортового металла из жаропрочных сталей, а также рекомендуемые режимы термической обработки
предусмотрены нормативными документами (табл. 1).
При использовании традиционных сплавов на никелевой основе для лопаточного
аппарата турбомашин необходимо учитывать их особенности: низкую коррозионную
стойкость в контакте с продуктами сгорания, охрупчивание при длительной эксплуатации,
наличие различных металлургических дефектов.
Создание современных конструкционных материалов, связанное со значительным
усложнением химического состава, позволяет устранить причины, снижающие эксплуатационную надежность деталей.
Для борьбы с коррозией разрабатываются сплавы с повышенным содержанием хрома. К наиболее коррозионностойким материалам относятся стали аустенитного класса (рис.2),
имеющие следующие механические свойства: σв=500...550 МПа, σ0,2=150...240 МПа, δ=40...60 %.
[7].
Недостатком аустенитных сталей является восприимчивость к опасным видам
межкристаллитной коррозии (МКК).
Причина МКК - электрохимическая неоднородность пограничных участков по сравнению с
самими зернами. Из-за этой неоднородности пограничные участки являются анодами и быстро
подвергаются коррозионному разрушению.
В аустенитных сталях, содержащих 17...19 %
Сr, обедненный хромом слой образуется на границах зерен в интервале 450...700 °С. При этих
температурах диффузионная подвижность атомов
углерода велика, а хрома - мала. Закаленный аустенит является пересыщенным по отношению к
углероду; в нем содержится 0,08...0,12 % С, а его
растворимость при 20...25 °С достигает лишь 0,03
Рис. 2. Микроструктура
%. Нагрев до 450...700 °С, даже в течение невысокохромистой стали 08Х18Н10
скольких минут, сопровождается выделением избытка углерода в виде Ме 23 С 6 и появлением
обедненного хромом слоя (рис. 3).
Для предотвращения выделений карбидов хрома используют быстрое охлаждение
из области γ-твердого раствора или легирование титаном, ванадием, ниобием или цирконием для связывания углерода в более устойчивые карбиды. Каждый элемент активно
связывает углерод в прочный карбид МеС, и для образования карбида Ме23 С 6 углерода не
остается.
33
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2007. № 2(14)
34
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2007. № 2(14)
При этом лучшей стойкостью против корро2
зии обладают те стали и сплавы, в которых все содержание хрома приходится на долю твердого рас1
твора. Содержание углерода должно быть низким,
чтобы уменьшить переход хрома в карбиды, так как
3
это может снизить концентрацию хрома в защитной
пленке.
Также разработана теория оптимального легирования, обеспечивающего повышение структурРис. 3. Схема структуры
ной стабильности сплавов. В сплавах, созданных на
аустенитной стали 10Х18Н10
в состоянии, восприимчивом к МКК:
основе этой теории, при длительной эксплуатации
1 - зерно аустенита; 2 - выделения
затруднено образование топологически плотноупаCr23C6; 3 - обедненный хромом слой
кованных (ТПУ) фаз (типа σ, µ и λ ) и в связи с
чем не наблюдается значительного охрупчивания
сплавов. При этом регламентируются суженные пределы содержания легирующих элементов.
Что касается мелкодисперсной γ ′ -фазы, выделяющейся при сравнительно низких
температурах, то для подавления этих процессов используются специальные способы технологической термической обработки.
В никелевых жаропрочных сплавах суммарная массовая доля легирующих элементов
достигает 39 %. При этом в сплавах содержатся дефицитные и дорогостоящие материалы
(тантал, рений).
Введение в сплав 1 % рения обеспечивает повышение его жаропрочности на 15 МПа
1000
( σ100 ). Такая тенденция устойчивости сохраняется при содержании рения до 6 %. Таким образом, этот вариант легирования можно считать экономически обоснованным, несмотря на
высокую стоимость рения (1000...1500 долл. за 1 кг) [8].
По принятой классификации (табл. 2) монокристаллические сплавы без рения (ЖС
30М, СMSX – 2,3, Rene N4) относят к первому поколению, с содержанием Re ≈ 2...3 %
(ЖС36, СMSX – 4, Rene N5) – ко второму, с 6 % Re – к третьему (СMSX – 10, Rene N6). В последнее время разработан новый жаропрочный сплав ЖС55 (9 % Re) со следующими харак900
1100
теристиками жаропрочности: σ100
≅ 600 МПа; σ1000
100 ≅ 350 МПа; σ100 ≅ 180...190 МПа [8].
Этот сплав по уровню свойств существенно превосходит известные зарубежные ренийсодержащие сплавы третьего поколения (СMSX – 10, Rene N6 и др.), имеющие жаропрочность
σ1000
300...310 МПа. По уровню содержания рения ЖС55 можно отнести к новому, четвер100 =
тому поколению сплавов для монокристаллического литья.
Основная трудность, возникающая при повышении содержания рения в сплавах, связана с тем, что в процессе работы лопаток из ренийсодержащих сплавов в их структуре
выделяются топологически плотноупакованные фазы, которые резко разупрочняют материал. Такие ТПУ-фазы образуются, как правило, в осях дендритов и представляют собой пластины, выделяющиеся параллельно плоскостям октаэдра {111}. На рис. 4 показана структура монокристалла [001] сплава ЖС-32 (4 % Re) c пластинчатыми выделениями ренийсодержащей ТПУ-фазы после длительной наработки на двигателе (12000 ч). Следует отметить,
что рений сам по себе не образует с никелем каких-либо промежуточных фаз, поэтому для образования ТПУ-фаз необходимо наличие в сплаве элементов VI группы, в первую очередь
вольфрама.
Наиболее сильный эффект повышения жаропрочности сплава дает комплексное легирование. Присутствие в сплавах Ti и Аl в количествах, превышающих их предельную растворимость в твердом растворе при температурах 650...950 °С, позволяет достигнуть после закалки и
35
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2007. № 2(14)
отпуска существенного эффекта дисперсионного твердения благодаря выделению дисперсных
частиц интерметаллической фазы типа Ni3 (Тi, NiAl). Такая микроструктура делает сплав устойчивым к температурному воздействию при 700...800 °С и выше [9].
Таблица 2
Классификация монокристаллических сплавов
Содержание элементов, %
Сплав
Cr
Co
Mo
Re
ЖС30М
7
7,5
0,6
-
CMSX-2
CMSX-3
Rene-N4
8
8
9
4,6
4,6
8,0
0,6
0,6
2,0
-
ЖС36
CMSX-4
Rene-N5
4,0
6,5
7,0
9,0
9,0
8,0
1,0
0,6
2,0
2,0
3,0
3,0
СMSX-10
Rene N6
2,0
4,2
3,0
12,5
0,4
1,4
6,0
5,4
σ1000
100 ,
МПа
Ta
Nb
Hf
I поколение
12
5,0
1,8
Другие
-
1,0
-
8
8
6
1,0
1,0
4,2
6
6
4
0,5
0,1
-
<0,01
С
-
220
220
-
1,0
1,0
-
6,5
7,0
1,0
-
0,1
0,2
-
250
260
250
0,2
-
8,0
7,2
0,1
-
0,03
0,15
0,05
С
0,004
В
0,01
Y
310
290-300
W
Al
5,6
5,6
3,7
II поколение
12
6,0
6
5,6
5
6,2
III поколение
5
5,70
6
5,75
Ti
220
Введение в дисперсионно-твердеющие сплавы W и Мо (до 10 %), а также Nb дополнительно упрочняет твердый раствор, замедляет диффузионные процессы и увеличивает количество дисперсной упрочняющей фазы. Количество дисперсной фазы увеличивают также путем
повышения суммарного содержания Ti и Al. Все это приводит к существенному возрастанию
жаропрочности сплавов, что делает возможным их
применение при температурах до 800...850 °С и
высоких напряжениях.
К особенностям состава никелевых жаропрочных сплавов относится присутствие в них
некоторого количества поверхностно-активных
элементов (В, Се, иногда Ва и Мg), способствующих рафинированию металла и упрочнению
границ зерен, а также небольшое содержание в
них примесей (S, P, Pb и др.).
Одним из перспективных направлений
повышения рабочих температур турбинных лопаток явилось создание жаропрочных материалов с естественной композиционной структуРис. 4. Микроструктура сплава ЖС-32 после
рой γ / γ′ -MeC [10] - сплавов ВКЛС-10, ВКЛСдлительной наработки
20, ВКЛС-20Р, - получаемых направленной
кристаллизацией. При их создании применен комбинированный принцип упрочнения никелевой γ -матрицы, сочетающий твердорастворное упрочнение тугоплавкими металлами (Mo,
W, Re), дисперсионное упрочнение частицами γ′ -фазы и композиционное - нитевидными
36
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2007. № 2(14)
кристаллами (волокнами) на основе монокарбида ниобия или тантала (NbC, TaC). Среди никелевых жаропрочных сплавов эвтектические сплавы имеют наиболее высокие значения характеристик жаропрочности и рабочих температур. Однако их практическое применение
сдерживается из-за большой продолжительности процесса направленной кристаллизации,
связанной с малой скоростью формирования композиционной структуры отливки: 5...6 мм/ч,
т.е. почти на два порядка ниже, чем при росте монокристаллов никелевых жаропрочных
сплавов.
Наряду с традиционными сплавами (типа ЖС γ / γ′ - дисперсного упрочнения) разработаны также сплавы интерметаллидного класса типа ВКНА на основе интерметаллида (Ni 3 Al)
с высоким содержанием алюминия [11].
Сплавы указанной группы, обладая более высокой в сравнении с дисперсионноупрочненными сплавами жаропрочностью в области температур 1100 оС и выше и имея высокую жаростойкость, уступают по долговечности (при длительной прочности) этим сплавам в
области температур 800...1050 оС. Однако путем корректировки легирования сплавов нового
класса, а также отливки их методом направленной кристаллизации возможно обеспечить
уровень свойств при температурах 900...1000 оС, соизмеримый со свойствами традиционных
сплавов.
В отличие от традиционных жаропрочных сплавов типа ЖС интерметаллидный сплав
ВКНА 4У-моно имеет меньшее количество вольфрама, кобальта и не содержит дорогостоящих металлов (ниобия, ванадия). На рис. 5 представлена типичная микроструктура интерметаллидного сплава: белые крупные включения
(рис. 5а) – первичные частицы γ′ -фазы, белые
прослойки (рис. 5б) - γ -фаза, темное поле –
вторичные частицы γ′ -фазы. Такая структура
обладает высокой термической стабильностью, не вызывает разупрочнения сплава и потери пластичности после длительных нагревов
при высоких температурах.
При температуре 1200 оС сплав сохраняет прочность на уровне σ в =165 МПа и
длительную прочность на базе 100 ч
МПа.
σ1200
100 > 50
Интерметаллидные сплавы типа ВКНА
могут применяться для получения отливок с
равноосной, направленной столбчатой и монокристаллической структурами. Причем для
каждого вида отливок разработаны соответствующие композиции. Таким образом, особенности интерметаллидных сплавов позволяют
Рис. 5. Микроструктура сплава ВКНА-4У-моно
прогнозировать значительный технический и
экономический эффект при их широком промышленном применении. Так, использование интерметаллидного сплава ВКНА-4У-моно вместо сплава ЖС6У для изготовления рабочих лопаток позволило увеличить их срок службы примерно в 3 раза при одновременном повышении рабочей температуры на 60 оС.
В связи с повышением температуры газа перед турбиной до 2000 оС, уменьшением
размеров камеры сгорания топлива, уменьшением продолжительности набора и сброса оборотов задача разработки эффективных методов увеличения долговечности лопаток газовых
турбин путем создания более прочных материалов и на сегодняшний день остается актуальной.
37
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2007. № 2(14)
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Костюк, А.Г. Динамика и прочность турбомашин: учеб. для вузов /А.Г.Костюк. – М., 2000. – 480 с.
Козаченко, А.Н. Эксплуатация компрессорных станций магистральных газопроводов /А.Н. Козаченко.
–М., 1999. - 463 с.
3. Костюк, А.Г. Турбины тепловых и атомных электрических станций /А.Г. Костюк, В.В. Фролов, А.Е.
Булкин, А.Д. Трухний. – 2-е изд., перераб. и доп. –М.: Изд-во МЭИ, 2001. – 488 с.
4. Родин, В.Н. Ремонт паровых турбин: учеб. пособие для вузов /В.Н. Родин, А.Г. Шарапов, Б.Е. Мурманский, Ю.А. Сахнин, В.В. Лебедев, М.А. Кадников, Л.А. Жученко; под общ. ред. Ю.М. Бродова,
В.Н. Родина. − Екатеринбург: ГОУ УГТУ-УПИ, 2002. − 296 с.
5. Гецов, Л.Б. Ползучесть и длительная прочность металлических материалов: уч. пособие /Л.Б. Гецов. –
М., 2005. -52 с.
6. Марочник сталей и сплавов /под ред. А.С. Зубченко. - 2-е изд. перераб. и доп. -М., 2003. -783с.
7. Арзамасов, Б.Н. Материаловедение: учебник для вузов /Б.Н. Арзамасов, В.И. Макарова, Г.Г. Мухин [и
др.]. - М., 2004. -648 с.
8. Каблов, Е.Н. Монокристаллические никелевые ренийсодержащие сплавы для турбинных лопаток ГТД
/Е.Н. Каблов, В.Н. Толораия, Н.Г. Орехов //Материаловедение и термическая обработка металлов. 2002. -№7. –С. 7-11.
9. Коваль, А.Д. Принципы легирования жаропрочных никелевых сплавов, стойких к высокотемпературной коррозии /А.Д. Коваль, С.Б. Беликов, Е.Л. Санчугов // Материаловедение и термическая обработка
металлов. -2001. -№10. –С. 5-9.
10. Каблов, Е.Н. Сплав на основе интерметаллида Ni 3 Al - перспективный материал для лопаток турбин
/Е.Н. Каблов, Б.С. Ломберг, В.П. Бунтушкин, Е.Р. Голубовский, С.А. Мубояджян // Материаловедение
и термическая обработка металлов. – 2002. − № 7. − С. 16 − 19.
11. Бахарев, В.Г. Опыт применения интерметаллидного сплава ВКНА-4У на рабочих лопатках турбины
/В.Г. Бахарев, В.Г. Костогрыз, В.Н. Миронов //Авиационная промышленность. – 2001. - № 4. – С. 17-20.
1.
2.
Материал поступил в редколлегию 19.03.07.
38
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2007. № 2(14)
ТРАНСПОРТНОЕ МАШИНОСТРОЕНИЕ
УДК 629.4.027.25
Г.С. Михальченко, А.С. Юршин
ОЦЕНКА ИЗНОСА КОЛЁС ГРУЗОВОГО ТЕПЛОВОЗА
С РАДИАЛЬНОЙ УСТАНОВКОЙ КОЛЁСНЫХ ПАР
Приведены результаты исследований влияния на величину работы сил трения в контакте «колесо –
рельс» силы тяги, скорости движения, радиуса кривой, возвышения наружного рельса. Дана сравнительная
оценка износа колёс грузового тепловоза с традиционной конструкцией тележки и с радиальной установкой
колёсных пар.
Проблема износа колёс рельсового подвижного состава всегда была актуальна для
специалистов ж/д транспорта. В Советском Союзе, а затем во всех странах СНГ начиная с
80-х гг. прошлого века темпы износа гребней, особенно тягового подвижного состава, и
бокового износа рельсов в кривых значительно увеличились.
Существует два основных мероприятия по снижению износа гребней колёс: уменьшение коэффициента трения в контакте гребня с боковой поверхностью рельса (гребне- и
рельсосмазывание) и уменьшение угла набегания направляющих колёсных пар на наружный рельс за счёт пассивного или активного их поворота в раме тележки (радиальная установка колёсной пары).
Последнее мероприятие широко используется в конструкции тележек мощных тепловозов переменного тока в США. Фирмами «General Motors» и «General Electric» запатентованы и построены два типа трёхосных тележек с пассивными механизмами радиальной установки колёсных пар (РУКП), которые применены на указанных тепловозах.
В России первая опытная конструкция трёхосной тележки с механизмом РУКП была
разработана и испытана Всероссийским научно-исследовательским и конструкторскотехнологическим институтом (ВНИКТИ) ещё в 80-х гг. прошлого века. В начале 90-х гг.
тепловоз 2ТЭ10В с модернизированной конструкцией бесчелюстной тележки и механизмом РУКП конструкции ВНИКТИ проходил эксплуатационные испытания на участке
Петрозаводск-Суоярви Октябрьской железной дороги. Испытания показали, что принцип
пассивной радиальной установки колёсных пар позволяет существенно снизить износ
гребней колёс тепловоза с трёхосными тележками.
Оригинальные конструкции трёхосных тележек на уровне патентов были разработаны на Брянском машиностроительном заводе.
В начале XXI в. во ВНИКТИ разработана конструкция унифицированной трёхосной тележки с механизмом РУКП для грузовых и маневровых тепловозов (рис. 1). Эта тележка применена на новом российском грузовом тепловозе с передачей переменного тока,
построенном на Брянском машиностроительном заводе в 2006 г.
Тележка имеет двухступенчатое рессорное подвешивание: в первой ступени – индивидуальное пружинное, во второй – пружины типа «флексикоил» и четыре гидравлических гасителя вертикальных колебаний. Для гашения колебаний поперечного относа кузова на каждой тележке установлено по два гидравлических гасителя. Буксы – одноповодковые. Поводки 1, 7 крайних букс соединены с поперечными балансирами 2, 6 механизма
РУКП. К концам балансиров шарнирно присоединены тяги 3, 5, которые другими концами
связаны с вертикальным двуплечим рычагом 4. К удлинённому верхнему концу рычага присоединён гидравлический гаситель колебаний 8 механизма РУКП. Сила тяги от рамы тележки к кузову передаётся через низкоопущенный шкворень (по типу тепловоза ТЭП70).
В теоретических исследованиях динамики движения тепловоза 2ТЭ25К «Пересвет»
с коллекторными электродвигателями, выполненных в БГТУ методом компьютерного моделирования [1], были рассмотрены два варианта тележки с механизмом РУКП: конструк39
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2007. № 2(14)
ции ВНИКТИ и БМЗ. Для этих экипажей были выбраны рациональные упругодиссипативные параметры тележек. Тепловоз 2ТЭ25К на новых тележках не уступает тепловозу
2ТЭ116 по динамическим качествам в прямых участках, а по показателям износа в кривых
радиусами 300 и 600 м значительно его превосходит. Однако из-за очень сжатых сроков
изготовления тепловоз 2ТЭ25К был построен с тележками типа 2ТЭ116. В данной статье
приводятся результаты дальнейших исследований и оценка показателей износа колёс тепловоза с тележками типа ВНИКТИ в сравнении с тепловозом 2ТЭ116. При этом расширен диапазон кривых, рассмотрено влияние возвышения наружного рельса. В отличие от
ранее выполненных исследований определяются и сравниваются показатели износа (работа сил трения) в точках контакта гребня и поверхности катания с рельсом при движении
тепловоза в режимах тяги и выбега.
8
1
2
3
4
5
7
6
Рис. 1. Тележка конструкции ВНИКТИ с механизмом РУКП
Исследования выполнены методом компьютерного моделирования с использованием программного комплекса «Универсальный механизм» (UM) в версии UM Loco [2, 3].
Рассматривалось движение одной секции тепловозов. Длина кривых составляла 100
м с переходными участками по 30 м. Путь – неровный. Колёсные пары имели стандартный конический профиль колёс. Коэффициент трения между колесом и рельсом в обеих
точках контакта принимался равным 0,3.
На первом этапе исследований изучено влияние силы тяги на работу сил трения в
точках контакта колёс с рельсами при движении тепловоза в кривой радиусом 600 м
(рис. 2, 3). Сила тяги практически не влияет на работу сил трения в точке контакта гребня
с рельсами, а на поверхности катания с ростом силы тяги (уменьшением скорости движения) наблюдается увеличение работы сил трения из-за повышенного скольжения колёс.
Особенно это заметно при скорости движения тепловоза менее 40 км/ч.
A, кДж
600
A, кДж
300
ТЭ116
500
250
400
200
300
150
ТЭ25р
200
ТЭ25р
ТЭ116
100
50
100
0
20
40
60
V, км/ч
80
а)
0
20
40
60
80 V, км/ч
б)
Рис. 2. Зависимость работы сил трения от скорости при движении в кривой радиусом 600 м
в режимах выбега и тяги: а – на поверхности катания; б – в точке контакта гребня;
– режим выбега;
– режим тяги
40
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2007. № 2(14)
A, кДж
600
ТЭ116
500
400
300
ТЭ25р
200
100
0
20
30
40
50
60
70
80
V, км/ч
90
Рис. 3. Зависимость суммарной работы сил трения от скорости
при движении в кривой радиусом 600 м в режимах выбега и тяги:
– режим выбега;
– режим тяги
Для кривой радиусом 300 м были получены аналогичные результаты.
Для рассматриваемых типов экипажей, особенно с механизмом РУКП, при увеличении скорости движения в режиме тяги наблюдается рост работы сил трения в точке
контакта гребня с рельсом, что, по-видимому, связано с характером действия направляющих сил. Эти силы на набегающих колёсных парах увеличиваются. Увеличение работы
сил трения при наличии силы тяги ощутимо лишь на небольших скоростях (< 40 км/ч), а
рабочий диапазон скоростей грузовых поездов обычно лежит выше, поэтому дальнейшие
исследования проводились в режиме выбега.
Исследовалось влияние на работу сил трения в точках контакта трёх основных параметров: скорости движения (рис. 4, 5), радиуса кривой (рис. 6) и возвышения наружного
рельса (рис. 7). Работа сил трения характеризует износ колёс локомотива. В обозначении
ТЭ25р буква р указывает на наличие тележки с механизмом РУКП.
С ростом скорости движения работа сил трения на гребнях набегающих колёс
тепловоза увеличивается, а работа на поверхности катания колёс тележки с РУКП –
уменьшается (рис. 4). Из приведённых на рис. 4 графиков также видно, что работа сил
трения на гребнях колёс значительно больше, чем на поверхности катания: для тепловоза ТЭ116 – в 1,5…3,2 раза, а для тепловоза ТЭ25р – в 2…3,5 раза. Использование механизма РУКП даёт существенные преимущества с точки зрения износа колёс: в кривой радиусом 600 м работа сил трения на гребне меньше в 2,8…2,14 раза, а на поверхности катания – в 3,2…2,9 раза. Аналогичные результаты получены и по суммарной
работе сил трения в кривых радиусами 300, 600 и 1000 м (рис. 5). Очевидно, что скорость движения влияет на неё несущественно.
С ростом радиуса кривой (рис. 6) работа сил трения в рассматриваемых точках контакта уменьшается по экспоненциальному закону как для тепловоза 2ТЭ116, так и для тепловоза 2ТЭ25р. Следует отметить, что преимущества механизма РУКП проявляются не
только в крутых кривых, но и в пологих, особенно это характерно для гребневых точек контакта.
Анализ «полигона» железных дорог показывает, что в зависимости от сочетания на
определённых участках пассажирского и грузового движения возвышение наружного
рельса может изменяться весьма значительно. Представляется целесообразным рассмотреть, как влияет возвышение наружного рельса в кривых на работу сил трения тепловоза с
обычной тележкой и с РУКП. На рис. 7 приведены результаты исследования в кривой ра41
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2007. № 2(14)
диусом 600 м. Как видно, работа сил трения на гребне колёс при увеличении возвышения
уменьшается, и особенно это заметно для экипажа с РУКП; на поверхности катания она
увеличивается для экипажа ТЭ116, в то время как для экипажа с РУКП практически не
изменяется (рис. 7а). В целом суммарная работа сил трения для экипажа тепловоза ТЭ116
незначительно увеличивается с ростом возвышения наружного рельса, а для экипажа
ТЭ25р – уменьшается (рис. 7б).
300
A, кДж
800
A, кДж
700
250
600
200
ТЭ116
ТЭ116
ТЭ25р
500
400
150
300
100
ТЭ25р
200
100
50
0
0
40
30
50
60
70
80
30
V, км/ч
90
Рис. 4. Зависимость работы сил трения в точках контакта колёс от скорости при движении в кривой радиусом 600 м:
– точка контакта на поверхности катания;
– точка контакта на гребне
300
A,
кДж
250
50
70
90
V, км/ч
110
Рис. 5. Зависимость суммарной работы сил трения
от скорости при движении в кривых радиусами:
– 300 м;
– 600 м;
–1000 м
500
A,
кДж
400
200
300
150
200
100
100
50
0
0
300 500 700 900 1100 1300 1500 1700 1900 2100
R, м
300
500
700
900 1100 1300 1500 1700 1900 2100
R, м
б)
а)
Рис. 6. Зависимость работы сил трения от радиуса кривой при скорости движения 60 км/ч
и возвышении наружного рельса 0,09 м: а – на поверхности катания; б – на гребне; – ТЭ116; – ТЭ25р
500
A, кДж
A, кДж
800
400
ТЭ116
600
ТЭ116
300
400
200
ТЭ25р
200
100
ТЭ25р
0
0
0
0.04
0.08
а)
0.12
h,0.16
м
0
0.04
0.08
б)
0.12
h,
м
0.16
Рис. 7. Зависимость работы сил трения от возвышения наружного рельса при движении в кривой
радиусом 600 м со скоростью 80 км/ч: а – на гребне и круге катания; б – суммарная работа сил трения;
– точка контакта на поверхности катания;
– точка контакта на гребне
42
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2007. № 2(14)
В дальнейшем на основе приведённых результатов исследований предполагается
оценивать эффективность использования тележки с РУКП с точки зрения уменьшения износа колёс локомотива и сопротивления движению, вызванного наличием сил трения на
реальных участках ж/д пути, с учётом всех рассмотренных факторов.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Коссов, В.С. Применение программного комплекса «Универсальный механизм» при создании рельсового
подвижного состава / В.С. Коссов, Г.С. Михальченко, Д.Ю. Погорелов, А.В. Спиров// Вестн. ВосточноУкраин. нац. ун-та им. В. Даля. – 2005. – №8. – С. 45-48.
2. Погорелов, Д.Ю. Введение в моделирование динамики системы тел: учеб. пособие / Д.Ю. Погорелов. –
Брянск: БГТУ, 1997. - 156 с.
3. Михальченко, Г.С. Автоматизированный программный комплекс для изучения динамики взаимодействия
твердотельных моделей рельсовых экипажей и пути / Г.С. Михальченко, Д.Ю. Погорелов / Сб. науч. тр. по
материалам междунар. конф., посвящён. 50-летию РГОТУПС. - М.: РГОТУПС, 2001. – С. 225-226.
Материал поступил в редколлегию 15.08.06.
43
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2007. № 2(14)
ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ МАШИНОСТРОЕНИЕ
УДК 621.165(09)
Ю.А.Пахомов, В.В. Рогалев
СПЕЦИАЛЬНОСТИ «ДВИГАТЕЛИ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ»
БРЯНСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ТЕХНИЧЕСКОГО
УНИВЕРСИТЕТА – 50 ЛЕТ
Рассмотрены этапы становления и развития учебной и научной базы специальности «Двигатели
внутреннего сгорания», ее вклад за 50 лет в подготовку высококвалифицированных специалистов для отрасли двигателестроения. Отражены основные научно-исследовательские достижения и направления дальнейших работ.
В 1959 г. на Брянском машиностроительном заводе (БМЗ) организовано дизельное
производство по изготовлению судовых малооборотных дизелей на основе лицензионного соглашения с датской фирмой «Бурмайстер и Вайн». В связи с этим был создан дизельный отдел, который возглавил инженер Е.М. Дроконов, и начато строительство дизельного корпуса площадью 52 тыс.м2. Дизель 7ДКРН 74/ 160 мощностью 6400 кВт – первый мощный судовой малооборотный дизель, построенный в СССР, – успешно прошел испытания
уже в 1961 г. Этот год считается началом дизелестроения не только на БМЗ, но и в стране. Осваивать производство мощных судовых малооборотных дизелей невозможно было
без высококвалифицированных специалистов в области двигателестроения, поэтому рассматривался вопрос подготовки инженерных кадров для завода. Приказом № 45 Министерства высшего образования СССР от 18 января 1957 г. в составе Брянского института
транспортного машиностроения (БИТМ) на вечернем факультете утверждена специальность «Двигатели внутреннего сгорания».
Специальность была открыта при кафедре «Локомотивостроение», и первый набор
студентов осуществлен в 1957 г. (вечерняя форма обучения без отрыва от производства).
Большинство поступивших были работниками БМЗ, многие из них впоследствии стали
ведущими специалистами в дизельном производстве. Первый выпуск инженеровмехаников по специальности «Двигатели внутреннего сгорания» состоялся в 1963 г.
Организаторами специальности были опытные научные сотрудники – кандидаты
технических наук Л.А. Хак и Н.А. Алешин. В 1961 г. Л.А. Хак избран по конкурсу доцентом специальности «Двигатели внутреннего сгорания» в составе кафедры «Локомотивостроение» и назначен ответственным за специальность. Под их руководством начала развиваться лабораторная и учебная база.
Основную материальную и финансовую помощь в строительстве лабораторного
корпуса оказывал БМЗ в лице главного инженера Л.В. Попова. При его непосредственном
активном участии лаборатория была оснащена испытательными стендами, которые позволили организовать проведение не только лабораторных работ для студентов, но и научных
исследований. С момента первого набора студентов и по настоящее время осуществляется
тесное научно-техническое сотрудничество завода и университета.
Значительная научная, методическая и практическая помощь в становлении специальности была оказана отделом рабочих процессов Центрального научноисследовательского дизельного института (ЦНИДИ), возглавляемым д.т.н. Иванченко
Н.Н., и сотрудниками кафедры «Двигатели внутреннего сгорания» Ленинградского политехнического института, д.т.н. проф. Дьяченко Н.Х., Костиным А.К. и др. Под их руководством были разработаны программы учебного процесса, методические пособия, определен перечень основной учебной литературы по данной специальности.
44
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2007. № 2(14)
В связи с интенсивным развитием дизельного производства на БМЗ остро стала
ощущаться нехватка квалифицированных специалистов в области двигателестроения. Поэтому в 1966 г. было принято решение о наборе 2 групп студентов на дневное отделение.
В 1967 г. специальность была передана кафедре «Теплотехника», которую в то время возглавлял к.т.н., доц. Буглаев В.Т.
Увеличивающееся количество студентов потребовало организации кафедры. В
1973 г. по ходатайству областной администрации и решению Министерства высшего образования специальность была реорганизована в кафедру «Двигатели внутреннего сгорания». Первым заведующим кафедрой стал доктор технических наук, профессор, специалист в области теплотехники Владимир Иосифович Евенко. В качестве доцентов кафедры
были избраны: главный конструктор дизельного производства БМЗ Дроконов Е.М., заведующий лабораторией ЦНИДИ, к.т.н. Крюков В.В., приглашенные с Коломенского тепловозостроительного завода начальник бюро, к.т.н. Васильев Г.Л. и начальник испытательной станции, к.т.н. Кузнецов Г.К.
В разные годы выпускники этой же специальности, защитившие кандидатские диссертации, продолжали работать или возвращались, отработав некоторое время на заводах
и в научно-исследовательских институтах отрасли, на кафедру: это Ю.И. Фокин, В.В. Рогалев, Ю.А. Пахомов, В.Г. Новиков, а также закончивший очную аспирантуру и защитивший кандидатскую диссертацию Ю.С. Козлов и старший преподаватель Г.А. Могилевцев.
Таким образом, на кафедре сформировался высококвалифицированный коллектив,
способный поставить на должный уровень не только учебный процесс, но и научноисследовательские работы.
Большое внимание уделяется коллективом кафедры учебному процессу и подготовке инженеров как для БМЗ, так и для всей отрасли двигателестроения и газовой промышленности. Выпускники кафедры, получавшие направления на работу в разные города
России и бывшие союзные республики, зарекомендовали себя высококвалифицированными специалистами и организаторами производства. Многие выпускники стали руководителями предприятий и организаций: А.Н. Чебриков – генеральный директор ПО «БМЗ»,
С.М. Шелков – главный инженер ПО «БМЗ», Н.В. Дашунин – начальник Управления по
эксплуатации компрессорных станций и подземных хранилищ газа РАО «Газпром», Г.Н.
Гмыра – заместитель технического директора ОАО «Коломенский завод», В.С. Власов –
начальник дизельного отдела ВНИКТИ г. Коломны, В.А. Липчук – заместитель главного
конструктора УТМЗ, Н.Г. Мелещенко – начальник сектора инженерных расчетов АО
«Звезда», И.А. Нестеров – глава администрации г. Новозыбкова и др. За годы существования специальности выпущено свыше 1500 инженеров-механиков, около 30 выпускников
защитили кандидатские диссертации.
Значительный вклад в подготовку специалистов по двигателестроению внесли в
разные годы заведующие кафедрой В.И. Евенко, Г.К. Кузнецов, Ю.С. Козлов (заведовал
длительное время), Ю.И. Фокин.
С момента организации кафедра, наряду с проведением учебного процесса, выполняла научно-исследовательские работы в области двигателестроения совместно с заводами отрасли: Брянским машиностроительным, Коломенским тепловозостроительным,
Свердловским турбомоторным, Харьковским им. Малышева, Первомайским дизельным
(Украина) и др.
Для выполнения научно-исследовательских работ по усовершенствованию систем
и узлов двигателей силами преподавателей, аспирантов, заводских инженеров и студентов
созданы уникальные испытательные стенды и установки. Так, под руководством Л.А. Хака при непосредственном участии БМЗ разработаны и введены в действие: уникальный
стенд для исследования работоспособности крейцкопфных подшипников (ответственный
исполнитель – Г.А. Могилевцев), стенд для усталостных испытаний коленчатых валов
45
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2007. № 2(14)
(руководитель – Ю.И. Фокин), установки для нагружения при исследовании прочности и
надежности узлов и деталей остова двигателя на тензометрических моделях из органического стекла (руководитель – Г.Л. Васильев), установка для натурных испытаний напряженности галтелей коленчатых валов (руководитель – Ю.А. Пахомов, ответственный исполнитель – Г.А. Могилевцев), стенды для исследования теплового и напряженного состояния натурных деталей цилиндропоршневой группы (руководители: Ю.С. Козлов,
Ю.А. Пахомов, В.Г. Новиков) и др. По результатам научно-исследовательских работ получено более 120 авторских свидетельств на изобретения и патентов, подготовлен ряд
учебных пособий и учебников. Большой вклад в разработку стендов, их материальное
обеспечение и поддержание работоспособности внес заведующий лабораторией В.М. Зеленцов.
Сотрудниками кафедры достигнуты следующие важные научные результаты:
- разработаны методика измерения и конструкция датчика теплового потока, позволяющие повысить точность измерения;
- созданы программные средства для проведения множественного регрессионного
и дисперсионного анализов экспериментальных данных;
- разработана методика экспериментального исследования напряженного состояния
основных деталей двигателя на тензометрических моделях из материалов с низким модулем упругости;
- усовершенствована методика математического моделирования параметров рабочего процесса для расчета газового двигателя;
- разработаны методика расчета и схемы воздухоснабжения с заменой дополнительных воздуходувок с приводом от коленчатого вала на нагнетатели с электроприводом
для снижения удельного расхода топлива тепловозными дизелями.
В настоящее время развиваются следующие научно-исследовательские направления:
- разработка регрессионных моделей для определения теплового и напряженного
состояния головок цилиндров транспортных дизелей;
- разработка имитационных моделей и исследование технико-экономических показателей бескривошипно-шатунных двигателей;
- теоретическое обоснование направлений в создании двигателей с управляемым
рабочим процессом;
- разработка методики и стенда для экспериментального исследования истечения
топливовоздушных струй из сопловых аппаратов.
Результаты исследований позволили сформулировать рекомендации по совершенствованию и повышению работоспособности и надежности деталей и систем двигателей
внутреннего сгорания различных размерностей: конструкции коленчатых валов двигателя
ЧН 26/34, крышек цилиндров дизелей ЧН 25/27, ЧН 32/32, системы наддува двигателя ДН
20,7/2·25,4 и др.
В процессе учебы студенты привлекаются к выполнению научноисследовательских работ и обработке их результатов, что позволяет им приобрести практический опыт работы и использовать эти исследования в качестве тем в специальных
частях дипломных проектов.
В соответствии с потребностями дизелестроения менялся профиль подготовки молодых специалистов. Так, кроме инженеров-механиков по судовым малооборотным дизелям, выпускались специалисты по тепловозным и автомобильным двигателям. В настоящее время на кафедре ведется подготовка по специализации «Эксплуатация и сервисное
обслуживание ДВС», позволяющей выпускникам обеспечивать на высоком уровне эксплуатацию, диагностирование и ремонт современных двигателей.
Большое внимание уделяется подготовке преподавательского состава и повыше-
46
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2007. № 2(14)
нию его квалификации. Так, старший преподаватель С.А. Киселев, ассистенты М.А. Денисенко и А.А. Зинуков и инженер А.В. Клочков учатся в заочной аспирантуре. Многие
преподаватели проходят стажировки в других университетах и на заводах, работают по
темам докторских диссертаций.
В 2006 г. с целью повышения научно-технического потенциала и более эффективного использования преподавательского состава в учебном процессе и проведении научно-исследовательских работ кафедры «Турбостроение» и «Двигатели внутреннего сгорания» объединены в соответствии с их специализацией в кафедру «Тепловые двигатели».
Заведующим кафедрой избран доц., к.т.н. Рогалев В.В., имеющий большой практический
опыт и стаж научно-педагогической работы.
Коллектив объединенной кафедры продолжает традиции бывших кафедр в подготовке высококвалифицированных инженеров, научных кадров и проведении научноисследовательских работ. В соответствии с требованиями времени на кафедре открывается новая специализация «Эксплуатация газокомпрессорных станций» со сроком обучения
2,5 года для получения второго высшего образования. Учебно-методическое объединение
вузов России по образованию в области энергетики и электротехники письмом от
07.09.06 г. подтвердило ее регистрацию в рамках специальности «Двигатели внутреннего
сгорания».
Коллектив кафедры полон решимости совершенствовать учебный процесс и направления исследовательских работ в соответствии с задачами, поставленными высшей
школой.
Материал поступил в редколлегию 29.01.07.
47
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2007. № 2(14)
УДК 621.156:621.35.004.69
В.Т. Буглаев, А.Л. Карташов, В.Т. Перевезенцев
ПОВЫШЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ И ЭКОНОМИЧНОСТИ ПАРОВЫХ
ТУРБИН С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СОТОВЫХ УПЛОТНЕНИЙ
Предлагается модернизация проточной части паровых турбин путем применения сотовых уплотнений с оптимальными соотношениями размеров ячеек. Рассматривается способ ремонта уплотнений по валу
турбины, в частности концевых уплотнений турбин для атомных электрических станций.
Сотовые уплотнения применяются начиная с 60-х гг. в газотурбинных двигателях и
газотурбинных установках различного назначения. В паровых турбинах сотовые уплотнения активно внедряются в проточные части с середины 90-х гг. на предприятиях: АО
«Башкирэнерго», фирма «ОРГРЭС», АО «Мосэнерго» и др.[1].
Оригинальные свойства указанных уплотнений позволяют получить экономический эффект от внедрения в проточную часть за счет увеличения КПД (только в цилиндре
высокого давления до 1,5%) при увеличении мощности паровой турбины. Срок окупаемости в зависимости от объема оснащения турбины сотовыми уплотнениями составляет от 1
до 2,5 лет (по данным «Мосэнерго»).
Требования улучшения экономических показателей турбомашин с высокой степенью надежности в основном противоречивы и обусловливают необходимость оптимального проектирования элементов проточной части, в частности уплотнений валов и лопаточного аппарата. При этом тенденция уменьшения зазоров между неподвижными и вращающимися частями турбоустановок ограничивается критериями надежности, а связь
этих существенно различающихся факторов может быть достигнута с использованием
теоретических, экспериментальных и эксплуатационных методов исследования. Причем
комплексные исследования с выявлением физической сущности происходящего процесса
позволяют использовать оригинальные явления, протекающие в проточной части, например резонансные (пульсационные), с целью улучшения гидродинамических критериев качества уплотнений.
В 80-х гг. двадцатого столетия исследователи Института атомной энергии им. И.В.
Курчатова обнаружили необычный физический эффект, заключающийся в том, что нагретая поверхность с неглубокими лунками резко интенсифицирует теплообмен с незначительным ростом сопротивления не только за счет турбулизации потока, но и за счет появления в потоке так называемых самоорганизующихся смерчеобразных струй. При этом на
самоорганизацию таких течений затрачивается сравнительно малое количество энергии
потока.
Дальнейшие исследования объяснили феномен роста энергии крупномасштабного
вихря (смерча), возникающего в лунке: мелкие вихри, порожденные трением вязкого потока об обтекаемую поверхность, поглощаются этим вихрем, создавая «порядок из беспорядка».
Возникает естественный вопрос: нельзя ли управлять взаимодействием потоков в
канале с сотовыми стенками путем изменения конструктивных параметров ячеек на поверхности обтекания?
Результаты практических и теоретических исследований показывают, что мелкомасштабные вихри в пространстве сотовых ячеек могут существенным образом влиять на
сопротивление каналов с такими поверхностями. Причем в зависимости от конфигурации
ячеек и их размеров это влияние может увеличивать или уменьшать сопротивление таких
каналов. Поэтому была поставлена задача выявления физической сущности течения в
пространстве сотовых ячеек и механизма взаимодействия потоков в каналах с сотовыми
поверхностями при изменении конструктивных размеров, конфигурации уплотнений и
режимных параметров потока.
48
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2007. № 2(14)
На основании этих исследований может быть получен определенный эффект от
применения сотовых уплотнений с оптимальной геометрической структурой для уменьшения утечек рабочего тела в турбомашинах и, следовательно, повышения эффективности
их работы. Оптимальное конструирование позволит связать критерии качества и надежности уплотнения с его гидродинамическими показателями (при учете эксплуатационных
факторов работы уплотнения).
Результаты испытаний моделей сотовых уплотнений (в виде щелей, одна стенка
которых – гладкая, другая – сотовая поверхность) при различных геометрических соотношениях величин диаметра ячеек (d я ), глубины (h я ) и зазора в уплотнении (δ) приведены
на рис.1 [2]. Характерная особенность- снижение (на 20…30%) расхода утечки в области
характеристики h я /d я ≈0,3. Это объясняется взаимодействием пространственных потоков в
щели и ячейке, что подтверждается многочисленными экспериментами на различных сотовых структурах в широком диапазоне режимных параметров течения в уплотнениях.
5 Кг
G 10
К
с Па
3
3,5
3
2
2,5
2
1
1,5
1
0,5
hя /dя
0
0,5
1
1,5
Рис.1. Расходные характеристики сотового уплотнения:
1 − δ / d ÿ = 0,125; 2 − δ / d ÿ = 0, 25;3 − δ / d ÿ = 0,375
На рис. 2 показаны результаты оптимизации геометрических параметров сотового
уплотнения и их влияние на относительный расход утечки в плоском канале с сотовой
стенкой и величиной ячейки (d я ), изменяющейся в диапазоне 2…4мм [2].
Рис. 2. Обобщающая зависимость относительного расхода в канале
с сотовым уплотнением
49
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2007. № 2(14)
Действующий парк паротурбинных установок, установленных на ТЭЦ и АЭС,
устарел физически и морально. Кроме того, в последние годы на них не проводились
плановые всеобъемлющие ремонтные работы. Поэтому показатели КПД в среднем
отклоняются от нормальных на величину до 5%, а в некоторых случаях – до 10%. И это
только за счет уменьшения КПД ηoi , который учитывает большое количество видов потерь
в рабочем процессе действующей турбины по сравнению с идеальной, работающей без
потерь. Среди всех видов потери на утечки теплоносителя через зазоры приобретают
особенно большое значение и могут оказаться решающими при снижении экономичности
турбоагрегата.
С другой стороны, в настоящее время уделяется значительное внимание вопросу
разработки быстроходных паротурбинных энергоблоков АЭС, повышенной мощности в
одном агрегате.
При проектировании новых установок за основу берут работающие на АЭС в
настоящее время. Проектировщики при решении вопросов реконструкции старых турбин
сталкиваются с множеством проблем, таких как:
• высокая чувствительность основных узлов турбоагрегата к вакууму (деформация
статорных элементов цилиндра низкого давления при наборе вакуума);
• сравнительно невысокий КПД, что требует особого внимания к конструкциям
уплотнений, гарантирующим оптимальные значения радиальных зазоров и живучесть их
при эксплуатации;
• наличие влажно-парового потока (оказывающего эрозийное воздействие) и др.
По объективным причинам зазоры в период эксплуатации увеличиваются, и
задачей для ремонтного персонала является восстановление их значений до начального
уровня.
На 80 - 90% действующих турбин конструктивные решения были выполнены еще
в 60 - 70 гг. прошлого века, и сводились они в основном к мероприятиям в двух
направлениях:
1. Уплотняющие гребни по зазору располагаются на бандаже ротора, а напротив
них, со стороны статора, устанавливаются металлокерамические вставки. В случае
задевания уплотняющие гребни должны проделывать себе дорожку в этих вставках.
2. Уплотняющие гребни устанавливаются со стороны статора.
В обоих вариантах зазор должен составлять 1,2…1,5 мм. Однако эксплуатация
турбоагрегатов показала, что в первом варианте металлокерамические уплотнения
слишком тверды, и поэтому стираются прежде всего гребни бандажа, а не материал
вставок.
Во втором случае также наблюдается деформация уплотняющих гребней,
установленных на неподвижном статоре, при касании о бандажную ленту ротора
турбины.
Кроме того, при значительных задеваниях велика вероятность разрушения самих
бандажных лент. По этой причине при такой конструкции минимизация надбандажных
зазоров практически исключена. При эксплуатации турбины эти зазоры из-за задеваний
увеличиваются и могут достигать значений 5…6 мм, вследствие чего большая доля
парового потока вместо совершения полезной работы перетекает от ступени к ступени по
увеличенным зазорам.
Все передовые турбостроительные фирмы ведут поиск и исследования по
созданию новых конструктивных схем уплотнений. Так, фирма «General Electric»
разрабатывает щеточные уплотнения, японские специалисты ведут работы с
регулируемыми уплотнениями. В нашей стране разработаны приоритетные, так
называемые сотовые уплотнения для паровых турбин, причем они могут быть
использованы как надбандажные, диафрагменные или концевые.
Следует учесть, что внедрение сотовых уплотнений не требует коренного
изменения их конструкции и может осуществляться доработкой уплотнительных узлов
эксплуатируемых турбин при очередном капитальном ремонте. Большим преимуществом
50
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2007. № 2(14)
предлагаемых конструкций сотовых уплотнений является то, что даже при срабатывании
сотовых вставок из-за задеваний в проточной части эти уплотнения практически
превращаются в осерадиальные и начинают функционировать как последние. Замена
сотоблоков в случае необходимости не представляет больших трудностей.
Применение сотовых уплотнений возможно на всех действующих турбинах,
выпускаемых предприятиями: ЛМЗ, УТМЗ, КТЗ, ХТГЗ.
В современных паровых турбинах большой мощности применяются
автоматизированные экономичные схемы концевых уплотнений. Для уменьшения потерь
энергии используются отсосы пара от промежуточных точек уплотнений в проточную
часть и систему регенерации. Для полного запирания полости цилиндров на всех режимах
предусматривается подвод пара к уплотнениям от коллектора с небольшим избыточным
регулируемым давлением, а также отсосы пара и паровоздушной смеси (по обе стороны
от камеры подвода) в находящиеся под небольшим разрежением регенеративный отбор и
сальниковый охладитель.
Опыт освоения мощных энергоблоков показал, что на некоторых станциях
наблюдалось обводнение масла в системе смазки турбины, что приводило к
ухудшенному вакууму в конденсаторе. Это явление полностью
или частично
объясняется неудовлетворительной работой концевых уплотнений: пропариванием в
машинный зал или подсосами воздуха в проточную часть турбины. При этих
обстоятельствах не обеспечивалась автоматическая работа системы уплотнений, а расход
пара на уплотнения приходилось регулировать вручную путем изменения давления в
коллекторе подачи.
Диафрагменные уплотнения с гребнями также подвержены значительному износу
с увеличением радиальных зазоров в два и более раза. Поэтому задача замены
традиционных гребневых уплотнений с повышением требований к их эффективности,
надежности и ремонтопригодности весьма актуальна.
Внедрение сотовых уплотнений стабилизирует зазоры, сокращает утечки
теплоносителя, а также снижает подсосы воздуха в конденсатор и сводит к минимуму
обводнение масла в подшипниках турбомашин, расположенных в области концевых
уплотнений.
Применение сотовых уплотнений вместо традиционных уплотнений с гребнями
упрощает технологический процесс ремонта как самих уплотнений, так и роторов
паровых турбин (без проточки в местах эрозийного износа влажным паром поверхности
роторов под гребнями).
Следует отметить, что максимальный положительный результат от применения
сотовых уплотнений в проточной части турбины для АЭС может быть получен при
оптимизации как конструкции уплотнений, так и геометрических характеристик сотовых
ячеек.
Восстановление уплотнений на валу ротора турбины путем использования сотоблоков может быть выполнено в процессе капитального ремонта.
Известен способ ремонта уплотнений с гребнями частичной или полной заменой
износившихся гребней и проточкой поверхности вала для устранения канавок, образовавшихся в результате касания гребней поверхностью вала в процессе эксплуатации [3]. Недостатком такого способа является его относительная дороговизна, так как проточка вала
должна осуществляться непосредственно на агрегате, а из-за значительных габаритов и
массы валы мощных турбин часто нетранспортабельны. Кроме того, в период пуска после
ремонта и начала эксплуатации возможно касание гребней поверхностью вала из-за тепловых расширений и динамических прогибов валов (вибрации), что приводит к увеличению зазоров (увеличению утечки), и турбомашина работает практически весь межремонтный период с пониженной экономичностью.
51
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2007. № 2(14)
Демпфирующие пружины, предохраняя уплотнения от разрушения, не обеспечивают сохранность гребней (величины зазора) и поверхности вала в местах касания с соответствующим местным разогревом и локальной концентрацией напряжений. Напротив,
пятно касания сотовой поверхности значительно возрастает и не вызывает опасного локального нагрева поверхности вала. Этому способствует также хороший теплоотвод через
стенки ячеек к пластине сотового уплотнения. Не происходит значительного истирания
стенок ячеек, так как пружина быстро срабатывает под воздействием толчка от касания
нескольких десятков ячеек при незначительной массе пластины.
В последнее время в паровых турбинах используются различные способы локализации радиальных зазоров путем применения сотовых уплотнений. Недостатком этих способов является применение сотовой структуры неоптимальной формы: отношение глубины ячейки к диаметру h я /d я > 1, а в ряде случаев – свыше 3.
Использование «глубоких» ячеек оправданно с точки зрения сохранения их при
значительных врезаниях при касании вращающимися частями турбоустановок, т.е. при
существенном изменении зазора в процессе эксплуатации. Это присуще периферийным
уплотнениям ступеней большого диаметра, особенно для газовых турбин, вследствие температурных расширений корпусов.
Валы роторов имеют значительно меньшие диаметры и небольшие изменения радиальных зазоров в процессе эксплуатации. Поэтому для уплотнения валов можно использовать «неглубокие» соты (h я /d я ≈ 0,3…0,5) с наибольшей (оптимальной) газодинамической эффективностью и минимально допустимыми зазорами.
Итак, предлагаемый способ отличается тем, что для уплотнения валов турбомашин
применяются сотовые уплотнения с сотоблоками на пластинах, демпфирующими пружинами и оптимальными размерами сотовых ячеек (рис.3). При этом в процессе ремонта при замене уплотнений с гребнями нет необходимости проточки вала с канавками (из-за износа)
или ступенчатой поверхности вала, так как утечка в сотовом уплотнении с одной из таких
поверхностей даже ниже, чем в уплотнении с гладким валом, при этом исключаются операции замены гребней и их проточки на агрегате. Пластины с сотоблоками изготовляются на
ремонтных предприятиях с калибровкой высоты сот шлифованием, а следовательно, гарантированной величиной зазора в уплотнении.
А
А
A-A
1
2
3
4
Рис. 3. Сегмент с сотовым уплотнением (d я =4; h я =2):
1 - сегмент; 2 – подложка; 3 – сотоблок; 4 - пружина
52
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2007. № 2(14)
При использовании данного способа могут быть получены следующие техникоэкономические результаты:
1. Упрощается процесс восстановления зазоров по валу турбомашины в период ремонта, который заключается лишь в наборе пластин с сотоблоками, поставляемых на
станциюс запасными частями.
2. Монтажный зазор в уплотнении минимизируется и остается стабильным в процессе эксплуатации, что уменьшает утечку рабочего тела и повышает экономичность турбоустановки.
3. Применение сотоблоков в концевых уплотнениях паровых турбин снижает расход уплотняющего пара, а также пропаривание (обводнение масла) и подсос воздуха в
конденсатор турбины.
4. Сотовая структура, являясь достаточно жёсткой, сохраняет целостность при касании вала в процессе разборки-сборки турбины в период ремонтов.
В заключение отметим, что в настоящее время в результате совместных разработок
харьковским объединением «Турбоатом», Брянским государственным техническим университетом, технологическим филиалом концерна «Росэнергоатом», брянским заводом «Турборемонт», ОАО «Самарагазэнергосервис», Смоленской АЭС, предприятием «Курсктурбоатомэнергоремонт» спроектированы, изготовлены, экспериментально отработаны опытные сотовые уплотнения для ЦНД турбоагрегатов К-500-65/3000 Смоленской АЭС. Кроме
того, разрабатывается соответствующая диагностическая аппаратура и методика испытаний
опытного кольца сотового уплотнения в условиях эксплуатации, в том числе и с выявлением влияния на надежность уплотнения влажно-парового потока с возможными касаниями
сотоблоков поверхностью вращающегося вала ротора.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1.
2.
3.
Салихов, А.А. Применение сотовых уплотнений на турбинах/ А.А. Салихов, М.П. Юшка, С.В. Ушинин/
Электрические станции.-2005.-№6.-С. 22-26.
Буглаев, В.Т. Сотовые уплотнения в турбомашинах: монография / В.Т. Буглаев, В.Т. Перевезенцев, А.Л.
Карташов [и др.].-2-е изд., перераб. и доп. - Брянск: БГТУ, 2006.-192с.
Родин, В.Н. Ремонт паровых турбин: учеб. пособие для вузов / В.Н. Родин, А.Г. Шарапов [и др.]; под общ.
ред. Ю.М. Бродова.- Екатеринбург: ГОУ УГТУ-УПИ,2002.-296с.
Материал поступил в редколлегию 12.03.07.
53
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2007. № 2(14)
УДК 621.51 : 628.517
В. С. Казаков, Т. В. Клименко
ДИАГНОСТИКА ВИБРОАКУСТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК
ПРОЕКТИРУЕМЫХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК
Рассмотрены современные методы оценки характеристик технологического шума и вибрации энергетического оборудования, а также расчета, диагностирования и нормирования уровня генерируемого шума
компрессорной станции на этапе её проектирования.
Снижение уровня шума и вибрации – это комплекс инженерно-технических мероприятий, предусматривающих использование современных методов и системного анализа
для выявления наиболее вредных влияющих факторов, источников и причин колебательных процессов в промышленном и энергетическом оборудовании на всех этапах его жизненного цикла: от проектирования до эксплуатации.
Проблемы снижения шума энергетических систем и газотранспортных объектов –
котельного, турбинного, насосного оборудования, стационарных компрессорных установок, газоперекачивающих компрессорных станций и т.п. – достаточно полно изучены на
стадиях их промышленного производства и эксплуатации [1, 2, 3].
Виброакустические испытания, расчетно-графические исследования амплитудночастотных характеристик и их спектров позволяют установить причины шума и вибрации,
наметить и реализовать конкретные технические мероприятия для их снижения и устранения. Важным этапом в этой инженерной работе является нормирование параметров в
соответствии с установленными (исходя из эксплуатационных условий и гигиенических
требований) допускаемыми значениями.
В энергетических отраслях нормирование вибрации и шума является приоритетным
направлением в решении задач охраны окружающей среды. При этом виброакустические
характеристики должны оцениваться и сравниваться с нормативными показателями еще
на стадии проектирования и разработки, как самого энергетического объекта, так и его
экологозащитных мероприятий [4, 5].
В нормативах [6] предусмотрены предельно допустимые величины общей вибрации
в абсолютных (см/с) и относительных (дБ) значениях скорости по наиболее распространенному в практике спектру частот, который включает шесть октавных частотных полос.
Каждая октавная полоса имеет предельно допустимые значения среднеквадратической
виброскорости или амплитуды перемещений, возбуждаемых работой элементов оборудования. Ниже в таблице указаны нормы, ограничивающие уровень вибрации при работе с
механизмами и оборудованием, а также на рабочем месте персонала.
Нормируемыми параметрами (харакТаблица теристикой) постоянного шума считаются
Нормированные значения вибрации
уровни звукового давления L (дБ) в октавных частотных полосах со среднегеометриУровень колебательной
ческими частотами ν (Гц) – 63, 125, 250,
скорости, дБ
Частота,
500, 1000, 2000, 4000, 8000 – соответствуюГц
Виброинструмент Рабочее
щими спектру слышимых звуков [7].
место
Допустимые уровни звукового давле16
120
97
ния
(эквивалентные
уровни звукового дав32
117
93
ления) в октавных частотных полосах, уров63
114
95
ни звука и эквивалентные уровни звука для
125
111
97
жилых, общественных зданий, технических
250
108
97
помещений (в том числе с энергетическими
500
105
–
установками) и прилегающих к ним терри54
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2007. № 2(14)
торий принимаются в соответствии с рекомендациями [8, 9]. Превышение допустимых
норм для рабочих зон по уровню звука при работе различного энергетического оборудования
(по результатам измерений методом «обнесения») на расстоянии 1 м составляет:
– насосы: 9…17 дБ;
– компрессоры: 6…15 дБ;
– тягодутьевые машины: 5…15 дБ;
– редукционно-охладительные установки: 28…32 дБ;
– аварийные сбросы пара в атмосферу: 36…58 дБ.
Процесс шумообразования в производственных условиях зависит от большого числа
факторов (размеры помещения, конструктивные и технологические схемы, характеристики энергетического оборудования, качество строительных и шумопоглощающих материалов), выбор и управление которыми может осуществляться и на уровне проектно - конструкторской проработки, и в ходе эксплуатации шумогенерирующих систем.
Излучение шума с поверхностей оборудования зависит, в свою очередь, от размера,
формы, упругости, массы и звукопоглощающих свойств поверхности. Поэтому уже при
проектировании необходимо, чтобы оборудование имело компактную конструкцию, так
как незначительные размеры, большие жесткость и масса уменьшают излучение шума.
В воздушное пространство шум проникает через приточные и вытяжные отверстия
(двери, окна, фрамуги, ворота, проемы и т.п.). По своей природе шум имеет направление,
и наибольшая его интенсивность наблюдается вдоль оси канала. Отсюда следует, что направление шума можно изменить, например с помощью экрана или путем установки в отверстии или канале шумоглушителя. Интенсивность шума, излучаемого оборудованием,
может быть снижена и другими различными способами, которые достаточно хорошо изучены и апробированы [2, 3, 10].
В применяемых в настоящее время на практике методах и мероприятиях шумоизоляции часто используется принцип звукоизолирующих кожухов (рис. 1.).
3
1
2
4
б)
a)
Рис. 1. Монтажная схема (а) и конструктивное исполнение звукового кожуха (б):
1 – звукоизоляционный материал; 2 – звукопоглощающий материал;
3 – шумоглушитель на вентиляционное отверстие; 4 – виброоснование
Звукоизолирующий кожух представляет собой пассивное средство, ограничивающее
распространение шума. Часто это единственная возможность снижения уровня шума от
активных акустических источников - движущихся механизмов или их частей. Особенность кожуха состоит в том, что уровень шума снижается уже в непосредственной близости от источника. Это позволяет защитить также рабочие места, расположенные вблизи
источника шума.
Вместе с шумозащитными кожухами эффективно используются экраны, которые
можно устанавливать возле небольших элементов оборудования с высоким уровнем излу55
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2007. № 2(14)
чения шума. Эффективность их несколько ниже эффективности звукоизолирующих кожухов и зависит от направления и расстояния от источника шума. Вместе с тем экраны могут
быть полезны для снижения шума в ограниченных зонах, например на рабочем месте оператора, диспетчера.
Шумоглушители также препятствуют прохождению звука, передаваемого воздуховодами. Они часто встроены в кожухи вентиляторов для обеспечения охлаждения двигателей без снижения эффективности звукоизолирующих свойств.
Если производственный шум на высоких и средних частотах удается снизить с использованием современных методов и средств (звукоизоляция, звукопоглощение, глушители традиционной конструкции, индивидуальные средства защиты и др.), то при снижении низкочастотного шума они оказываются недостаточно эффективными. Не менее
сложная проблема - компенсация низкочастотной вибрации, вызывающей как ухудшение
здоровья человека, так и разрушение трубопроводов, аппаратов и другого производственного оборудования. Для эффективного снижения низкочастотных шумов и вибраций на
производстве наряду с совершенствованием традиционных средств защиты используются
новые методы активной компенсации шума и вибрации, при которых компенсирующее
поле создается путем наложения дополнительного поля, специально создаваемого излучателем.
В настоящее время активная компенсация представляет собой отдельную область
борьбы с шумом и вибрацией, стремительно развивающуюся вместе с ростом возможностей микропроцессорной техники и электроники. Система компенсации, использующая
активные источники, размещенные в стенках канала, может эффективно снижать плоскую
низкочастотную волну и заменять дорогостоящие и недостаточно эффективные пассивные
низкочастотные глушители. Наиболее широко известна активная компенсация низкочастотного шума, распространяющегося в системах вентиляции и кондиционирования, с помощью акустических источников, излучающих волны в воздушную струю канала [10].
В производственных условиях активную компенсацию применяют для снижения
низкочастотных пульсаций давления газа в трубопроводах энергетических установок, например компрессоров. Так, существуют малогабаритные поршневые компенсаторы низкочастотных колебаний, представляющие собой камеру, соединенную с всасывающим
трубопроводом компрессора, в которой размещен поршень, приводимый в движение кривошипно-шатунным механизмом. Движение поршней компенсатора и компрессора синхронизировано таким образом, чтобы волны давления, создаваемые ими, оказывались в
противофазе. При этом значительно снижается вибрация компрессорных установок и присоединенных трубопроводных систем [3, 10].
Шум, создаваемый компрессорными установками, является одним из наиболее интенсивных в промышленных энергетических системах. Источниками шума на компрессорной станции являются технологические процессы, сопровождающиеся вынужденными
колебаниями оборудования, жидких и газообразных рабочих сред.
Аэродинамический шум при перемещении сжатого воздуха возникает вследствие
турбулентных явлений ударов и пульсаций - непосредственно в компрессоре, на линиях
всасывания и стравливания при продувках, в регуляторах давления.
Жидкость генерирует шум по тем же принципам, что и воздух, плюс кавитация, когда давление опускается ниже давления насыщенных паров. Источники возникновения насосы систем охлаждения и смазки компрессора.
Причинами механического шума компрессорного и вспомогательного оборудования
могут быть:
- конструктивные особенности агрегатов, в которых возникают удары, трение узлов
и деталей, недостаточная жесткость частей механизмов, которая приводит к их вибрации;
- технологические недостатки, появляющиеся в процессе изготовления оборудова-
56
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2007. № 2(14)
ния, которые отражаются на уровне шума;
- некачественный монтаж оборудования (перекосы, передача усиленной вибрации на
строительные конструкции);
- нарушение правил технической эксплуатации компрессоров.
При эксплуатации компрессорных установок интенсивный шум возникает также и
вне здания. Этот шум имеет в основном аэродинамическое происхождение: вследствие
вихреобразования при засасывании воздуха через заборное устройство и его периодическом стравливании через ресивер. Кроме того, существует шум механического происхождения, распространяющийся от агрегатов компрессорной установки через строительные
конструкции (окна, фрамуги, двери) и воздухопроводы в атмосферу.
Применительно к рассмотренным ниже вопросам прогнозирования и диагностики
виброакустических характеристик промышленной компрессорной станции 4К–24А, основное шумогенерирующее оборудование которой представлено на типовой проектной
схеме (рис.2), могут быть рекомендованы следующие шумозащитные мероприятия:
- установка на всасывании и выхлопе глушителей;
- использование устройств звукопоглощения и звукоизоляции (рис.1);
- установка в помещении компрессорной станции звукопоглощающих ограждений,
экранов и т.п.;
- звукоизоляция трубопроводов шумо- и вибропоглощающими материалами.
4
3
2
5
9000
1
Â
5000
À
2400
1800
1
7000
24000
55000
Рис. 2. Схема размещения шумогенерирующего оборудования компрессорной станции
и расположения точек акустических расчетов в помещении (А) и вне его (В):
1 – компрессор; 2 – ресиверы; 3 – фильтры; 4 - глушитель шума; 5 - насосное оборудование
Конкретные, научно обоснованные рекомендации по принятию практических конструкторско-технологических решений на различных этапах жизненного цикла изделия – от
проектирования до эксплуатации – могут быть даны только на базе технического диагностирования.
Виброакустическая диагностика основывается на сочетании двух последовательно
выполняемых операций: регистрации вибраций и обработки параметров для анализа полученной информации. Первая базируется на приборных методах преобразования механических колебаний в электрический сигнал, вторая - на аналитических методах изучения
спектра шумов работающего компрессора.
Процесс виброакустического прогнозирования включает этапы:
- выбора необходимого и достаточного числа точек измерений, определения типа
57
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2007. № 2(14)
измерительной схемы, методов обработки информации, статистической систематизации
параметров;
- выбора агрегатов для исследования, регистрации и анализа параметров вибрации,
моделирования дефектных состояний, создания банка характерных вибрационных диагностических признаков;
- анализа развития диагностических признаков, дефектных состояний в совокупности с оценкой изменения наиболее важных эксплуатационных параметров;
- изображения спектров шума и вибрации в виде графиков, по оси абсцисс которых
откладывается частота колебаний, а по оси ординат - уровни звукового давления.
Технические измерения шума проводятся в следующей последовательности:
- выявляются наиболее шумные производственные участки, измеряются спектры
шума на рабочих местах;
- определяется время за смену, в течение которого работающий подвергается воздействию шума, по нормативным документам устанавливается предельный спектр для
данного производства с учетом времени воздействия шума и его характера;
- значения измеренных уровней шума сравниваются со значениями допустимого
предельного спектра в октавных полосах, выясняется степень их соответствия.
Основными методами диагностики и анализа виброакустических характеристик остаются экспериментальные исследования и эксплуатационные испытания энергетических
установок [1, 3, 10]. Такие работы не только включают создание информационной базы
опытных данных и рекомендации по шумоизоляции, но и дают возможность решать вопросы практической реализации мероприятий по снижению шума и вибрации на стадиях
монтажа, отладки и эксплуатации. Однако современные направления развития и возможности компьютерных технологий позволяют диагностировать виброакустические характеристики технических систем значительно раньше - на этапе проектирования и эскизной
проработки. Для этого могут быть использованы цифровые компьютерные технологии
измерения шума и вибрации с виртуальным спектроанализатором [11], методы интеллектуального имитационного моделирования конструкторско-технологических процессов
[12] или, например, специально разработанный проектной организацией программный
комплекс SHUM [13].
Практический интерес представляет компьютерная программа [13], которая позволяет на стадии проектирования промышленных энергетических объектов, излучающих шум
и вибрацию, рассчитать, диагностировать и уменьшить их влияние на окружающую среду
и человека. Программа SHUM предназначена для выполнения инженерно-технических
расчетов и проектирования шумоглушения в производственных зданиях: рассчитываются
показатели шума в его источнике, характеристики при использовании шумозащитных мероприятий, выбираются ограждающие конструкции, рассчитываются вентиляционные
шумы и шум на прилегающей территории в соответствии с требованиями [8, 9].
Программа выполняет последовательный расчет шумов, начиная от шума в производственном помещении, далее - шума, прошедшего через ограждающие конструкции
(стены, окна, двери, фрамуги и т.п.), и заканчивая шумом на территории вне помещения.
Каждый последующий расчет выполняется с использованием результатов предыдущих
расчетов для конкретно заданных точек в единой системе взаимосвязанных координат,
как это показано на рис. 3.
Для определения величин октавных уровней звукового давления L (дБ) в характерных точках проектируемого объекта использована расчетная зависимость [5] применительно к соразмерным помещениям, в которых отношение наибольшего строительного
размера к наименьшему - не более 5:
58
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2007. № 2(14)
0,1L
m + k 100,1L pi Ф K
4 m + k 0,1L pi 4 ⋅ 10 pсс [n − (m + k )]
i i
L = 10 lg  ∑
+
10
+
∑
 ,
Si
B i =1
B
 i =1

Lpi - уровень звуковой мощности i-го источника шума, дБ; Фi - фактор направленности i-го источника шума; Si - площадь воображаемой поверхности правильной геометрической формы, окружающей i–ый источник и проходящей через расчетную точку, м2; m количество источников шума, ближайших к расчетной точке; k - количество источников
где
шума в помещении, звуковая мощность которых более чем на 5 дБ превышает уровень
звуковой мощности наиболее шумного источника из числа ближайших к расчетной точке; Ki - коэффициент затухания звука в воздухе i-го источника шума; B - постоянная помещения, м2; n - общее количество источников шума в помещении с учетом коэффициента одновременности работы оборудования.
L , дБ
3А
100
2А
90
80
1А
70
60
1В, 2В,3В
50
40
30
20
10
1,5
1,75
2
2,25
2,5
2,75
3
3,25
3,75
4
lg υ
3,75
4
lg υ
3,5
а)
L , дБ
100
3А
90
80
70
60
1А
50
1В,3В
40
30
20
10
1,5
1,75
2
2,25
2,5
2,75
3
3,25
3,5
б)
Рис. 3. Изменение уровней звукового давления внутри компрессорной станции (точка А)
и вне ее (точка В) в зависимости: а – от числа одновременно работающих компрессоров
( 1 - один компрессор, 2 - два компрессора, 3 – четыре компрессора ); б – от варианта
конструктивного исполнения ( и  - без шумозащитных мероприятий,  и  –
с шумозащитными мероприятиями)
После выполнения расчетов программа формирует:
- задание по исходным данным для расчета и проектирования;
- значения октавных уровней звукового давления в заданных расчетных точках без
учета и с учетом технологических мероприятий шумоглушения;
59
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2007. № 2(14)
- пределы максимально возможного снижения октавных уровней звукового давления
в расчетных точках помещения;
- параметры шума, прошедшего через ограждающие конструкции;
- параметры шума в расчетных точках на прилегающей территории.
Технические возможности инженерного применения программного комплекса [13]
использованы авторами для решения расчетно-исследовательской задачи диагностирования виброакустических характеристик на этапе проектирования компрессорной станции
4К–24А (рис. 2) при различных режимах и условиях ее эксплуатации. В выполненных
расчетах оценивалось влияние на параметры шума: конструктивных (строительных) размеров помещения компрессорной станции и шумогенерирующего оборудования, числа
одновременно работающих компрессоров на режимах 100, 50 и 25 % нагрузки (по производительности), различных акустических условий внутри помещения (точка А) и вне его
(точка В), вариантов исполнения компрессорной станции без использования шумозащитных мероприятий и с применением современных методов и средств шумоизоляции (см.
выше и рис. 1). Таким образом, были рассмотрены и учтены основные факторы, влияющие на экологические характеристики энергетической установки и позволяющие прогнозировать ее эксплуатационные виброакустические показатели на этапе проектирования.
Результаты расчетов для указанных вариантов исследования представлены на рис. 3.
в виде графиков изменения уровней звукового давления L (дБ) в октавных частотных полосах для интервала частот ν (Гц), соответствующих спектру слышимых звуков.
Количественное сравнение расчетных данных для различных условий и режимов работы оборудования компрессорной станции и анализ кривых на рис. 3 позволяют сделать
следующие выводы:
– зависимость изменения уровня звукового давления во многом определяется виброакустическими характеристиками помещения и окружающей среды, поэтому для замкнутого объема компрессорной станции (точка А) и открытого, свободного пространства
(точка В) профили кривых L = ƒ( lgν ) отличаются функционально;
– при изменении числа одновременно работающих компрессоров (режимы 25,
50 и 100 % нагрузки) внутри помещения компрессорной станции (точка А на рис. 3а) наблюдается непропорциональное увеличение уровня звукового давления в любом частотном интервале соответственно на 4 и 5 %;
– использование современных методов и средств шумоизоляции помещения и оборудования позволяет существенно (примерно на 8…10 %) снизить уровень шума внутри
компрессорной станции (точка А на рис.3б) в любом частотном интервале и на различных
режимах нагрузки;
– результаты расчета, выполненного в соответствии с рекомендациями [9] для
точки В (рис.2), подтверждают нормативные значения виброакустических характеристик,
свидетельствующие о наличии экологобезопасной 55-метровой зоны (границы) вне помещения компрессорной станции;
- в свободном пространстве (точка В) существенного влияния рабочих режимов нагрузки компрессорной станции и использования шумоизоляционных мероприятий для ее
оборудования на виброакустические параметры нормированной 55 – метровой зоны расчетом для проектного варианта не установлено.
Анализ и сопоставление полученных данных компьютерного расчета виброакустических показателей компрессорной станции как производственного энергетического объекта с материалами исследований [2, 3] показывают достаточно хорошее качественное
совпадение результатов и позволяют использовать их в качестве рекомендаций для диагностирования эксплуатационных шумовых характеристик и экологозащитных мероприятий уже на этапе выполнения конструкторско-технологических и проектных разработок.
60
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2007. № 2(14)
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Тупов, В.Б. Охрана окружающей среды от шума в энергетике / В.Б. Тупов. – М.: Изд-во МЭИ, 1999. – С.
192.
2. Терехов, А.Л. Борьба с шумом на компрессорных станциях / А.Л. Терехов. - Л.: Недра, 1985. – С.182 .
3. Апостолов, А.А. Акустические характеристики газотурбинных газоперекачивающих агрегатов магистральных газопроводов / А.А. Апостолов, И.Г. Гоголев, А.М. Дроконов, Н.В. Дашунин. – Брянск: БГТУ,
2002. – С.180 .
4. Ивович, В.А. Защита от вибрации в машиностроении / В.А. Ивович, В.Я. Онищенко. - М.: Машиностроение, 1990. – С. 271 .
5. Справочник проектировщика. Защита от шума / под ред. Е.А.Юдина. - М.: Стройиздат, 1974. – С.133 .
6. ГОСТ 12.1.012-90. Вибрационная безопасность. Общие требования.
7. ГОСТ 12.1.003-83. Шум. Общие требования безопасности.
8. СНиП 11-12-77. Защита от шума. - М.: Стройиздат, 1978. – С.46 .
9. СН 2.24 / 2.1.8.562-96. Шум на рабочих местах, в помещениях жилых, общественных зданий и на территории жилой застройки.
10. Васильев, В.А. Перспективы использования активной компенсации для снижения низкочастотного шума
и вибрации в условиях производства / В.А.Васильев // Безопасность труда в промышленности. - 2004. №10. – С. 47-51.
11. Микита, Г.И. Цифровые компьютерные технологии для безразборного виброакустического диагностирования деталей машин приводов / Г.И. Микита // Контроль. Диагностика. - 2004. - №11. – С. 29-31.
12. Мирошников, В.В. Компьютерное имитационное моделирование при оптимизации теплоэнергетических
установок / В.В. Мирошников, В.С. Казаков, П.В.Казаков // Интенсификация работы теплоэнергетических установок: сб. науч. тр. - Брянск: БГТУ, 2000. - С. 107-112.
13. SHUM: программа для акустического расчета и проектирования шумоглушения в промышленных зданиях и на прилегающей территории. – Брянск: ГПИСТРОЙМАШ, 2006 г.
Материал поступил в редколлегию 01.03.07.
61
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2007. № 2(14)
ПРИЛОЖЕНИЕ
Казаков В.С., Клименко Т.В. Диагностика виброакустических характеристик проектируемых энергетических установок …………………….………..
Рассмотрены современные методы оценки характеристик технологического шума и вибрации энергетического оборудования, а также - расчета, диагностирования и нормирования уровня генерируемого шума компрессорной
станции на этапе её проектирования.
Kazakov V.S., Klimenko T.V. Diagnostic vibroacoustic performances of designed engine installations…………………………………………………………
The article considers the modern methods of estimating the performances of
technological noise and vibration from power equipment, it also carries out calculating, diagnosing and rationing the level of the noise generated by a compressor
station at the stage of designing.
СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРАХ
Казаков Валерий Сергеевич, к.т.н., доцент кафедры «Промышленная
теплоэнергетика» БГТУ.
Клименко Татьяна Викторовна, студентка V курса специальности
«Промышленная теплоэнергетика» БГТУ.
АВТОРЫ:
_______________________ В.С. Казаков
_______________________ Т.В. Клименко
62
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2007. № 2(14)
63
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2007. № 2(14)
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ
И ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ
УДК 681.3.016
К.В. Гулаков, В.К. Гулаков
ПУТИ ПОВЫШЕНИЯ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ OLTP-СИСТЕМЫ
НА БАЗЕ MICROSOFT SQL SERVER 2000
Рассмотрены факторы, влияющие на производительность OLTP-систем на базе Microsoft SQL Server
2000. Показаны методики и приемы повышения производительности оперативной базы данных.
С развитием информационных технологий расширяется сфера применения систем
автоматизации предприятий. Большая часть таких систем – это системы учета, основой
которых является база данных (БД). Наряду с различными масштабами предприятий, где
существует автоматизация (от небольших фирм до крупных производств и холдингов),
информационные системы также различаются по классу используемой базы данных, являющейся ядром системы. К наиболее высокому классу относятся клиент-серверные базы
данных, работающие в реальном времени с большим количеством пользователей. Такая
база данных должна обеспечивать быстрое добавление и обновление данных, а также получение оперативных отчетов. При этом разработчику необходимо минимизировать время
ответа для каждого запроса и максимизировать производительность сервера базы данных
путем сокращения сетевого трафика, операций ввода/вывода и загрузки процессора. Эта
цель достигается, когда разработчик учитывает потребности приложения, логическую и
физическую структуру данных, понимает, как добиться компромисса между конкурирующими запросами различных пользователей.
Оценка факторов, влияющих на производительность оперативной базы данных, необходима при построении следующего уровня баз данных – корпоративных хранилищ
данных (ХД). Ввиду большого объема ХД важное значение имеет задача обеспечения необходимой производительности системы. Структура ХД и аппаратное обеспечение определяют жизнеспособность системы.
Перед разработчиками часто встает проблема повышения производительности реальных приложений, работающих с серверами баз данных. Имеются в виду случаи, когда
пользователю приходится ждать от приложения результатов своего действия. Иногда такое ожидание может быть весьма нежелательным и приводящим даже к уменьшению
производительности труда сотрудника. Часто таким проблемам не уделяется должного
внимания на этапе проектирования базы данных. Это является следствием того, что для
выявления проблем производительности необходимо провести полномасштабное тестирование системы, максимально приближенное к реальности, причем на базе данных, хранящей максимально возможный (расчетный) объем информации. Это значит, что необходимо спрогнозировать возможный прирост данных в базе, а также прирост количества клиентов сервера. Подобное тестирование обычно проводится как опытная эксплуатация системы на каком-либо реальном предприятии. Такие испытания дают возможность выявить
просчеты в архитектуре БД, влияющие на производительность системы. Имея определенный опыт эксплуатации и разработки больших баз данных, разработчик способен предвосхитить многие из проблем производительности и решить их уже на начальном этапе
проектирования системы. Данная статья представляет некий обобщенный опыт, получен-
62
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2007. № 2(14)
ный при эксплуатации и разработке интерактивной OLTP-системы 1 на базе MS SQL Server 2000.
Будем считать, что приложение, установленное на компьютере пользователя, является «тонким» клиентом и не влияет на рассматриваемые проблемы. В большинстве случаев задержка реакции системы связана с длительным выполнением SQL-кода, инициированного пользователем.
Рассмотрим проблему производительности в целом. На рисунке показаны некоторые факторы, влияющие на производительность сервера базы данных. Среди них можно
выделить базовые факторы, немаловажные в любой БД, и факторы, существенно влияющие на производительность в случае больших промышленных баз данных. Так, при проектировании таблиц БД важно уделять большое внимание не только нормализации, но и
денормализации. Целесообразно по возможности разделять таблицы, предназначенные
для OLTP- и OLAP-операций 2. Продуманная с целью уменьшения объемов данных, представляемых на экране, логика приложения позволяет эффективно использовать индексный
доступ (см. «Повышение селективности выборок» ниже). Важно при написании запросов
продумывать также и структуры индексов. Не следует полагаться на помощь таких утилит, как Index Tuning Wizard. После того как таблицы построены, начинается важный
этап, к которому следует отнестись с большой тщательностью, - написание и оптимизация
SQL-запросов. Так, если структура таблиц вынуждает использовать курсоры, то значит,
имеются просчеты в архитектуре таблиц БД, которые ведут к значительной потере производительности. Наличие длинных транзакций часто приводит к большому количеству
блокировок и их эскалации. Конечно, не следует забывать и об аппаратной платформе.
Большое значение здесь имеет объем оперативной памяти, так как SQL Server 2000 помещает наиболее часто используемые данные в память, что позволяет избегать значительно
более медленное чтение диска. Объем кэш-памяти второго уровня в значительной степени
определяет производительность потоковых вычислений. Скорость системы ввода-вывода
становится особенно важной в случае большой промышленной БД. Обычно в этих случаях систему строят на базе RAID-массивов дисков. Таблицы разделяют на группы файлов и
помещают их на различные диски массива, что дает возможность аппаратного параллельного доступа к ним. Отделяют также на независимые диски системные базы SQL Server и
журналы транзакций.
Начинать работы по увеличению производительности следует с оптимизации SQLзапросов. Необходимо рассмотреть планы выполнения запросов и попытаться прийти к
наиболее оптимальному плану. Результатом этой работы может быть как создание недостающего индекса, так и необходимость переписать запрос более оптимально. Методики
оптимизации запросов здесь не рассматриваются, так как это отдельная сложная тема [1].
Предполагается, что этап оптимизации запросов пройден, найдены оптимальные планы
выполнения, все необходимые индексы существуют.
Если запросы вполне оптимальны, а время реакции велико (при соответствующих
аппаратных ресурсах), можно предположить, что имеются некоторые просчеты в архитектуре самой базы данных. Изменение структуры таблиц либо логики БД в уже работающей
системе — очень сложная и трудоемкая задача. Необходимо стремиться избегать этого на
этапе проектирования и создания приложения. Следует оценить объемы хранимых данных, заполнить базу тестовыми данными, создать стресс-тесты системы и сделать выводы
о жизнеспособности системы при прогнозируемом приросте объемов информации в БД
OLTP – On-Line Transaction Processing (оперативная обработка транзакций). Термин применяют к системам,
ориентированным на быструю вставку, обновление данных и получение оперативных отчетов.
2
OLAP – On-Line Transaction Processing (оперативная аналитическая обработка). Термин применяют к системам ориентированным на получение обобщенной, агрегированной информации при помощи многомерных
моделей данных.
1
63
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2007. № 2(14)
[2]. Если результаты такого исследования выявляют плохую производительность системы
либо если проектируется большая база данных, необходимо рассмотреть следующие вопросы [3]:
• денормализация таблиц БД;
• повышение селективности выборок;
• уменьшение количества данных, находящихся в блокировке;
• затраты на контроль целостности;
• применение распределенных секционированных представлений.
Рассмотрим эти вопросы подробнее.
Распределенные
вычисления
RAID-массивы и
группы файлов
Секционированные
представления
Кластеры серверов
Оптимизация
SQL-запросов
Факторы при больших и сверхбольших БД
Производительность
Б
а
з
о
в
ы
е
ф
а
к
т
о
р
ы
Проектирование БД
Нормализация и
денормализация
Разделение
OLTP- и
OLAP-операций
Проектирование
приложения
Повышение
селективности
выборок
Помещение
кода, изменяющего
данные,
в хранимые
процедуры
Использование
индексов
Оптимизация
SQL-запросов
Избегать
использования
курсоров
Снижение
количества
блокировок
Программноаппаратная
платформа
Оперативная
память
Система
ввода-вывода
L2-кэш
процессора
Рис. Факторы, влияющие на производительность сервера базы данных
Денормализация таблиц БД [4]. В запросах к полностью нормализованной базе
нередко приходится объединять более десятка таблиц. А каждое объединение - операция
весьма ресурсоемкая. Как следствие на такие запросы тратятся значительные ресурсы сервера, и выполнение их замедлено. Эта проблема особенно актуальна при построении оперативных отчетов.
В такой ситуации оправданно применение денормализации путем сокращения количества таблиц. Следует объединять в одну несколько таблиц небольшого размера, содержащих редко изменяемую (как часто говорят, условно-постоянную, или нормативносправочную) информацию, по смыслу тесно связанную между собой.
Зачастую медленно выполняются и требуют много ресурсов запросы, в которых
осуществляются какие-либо сложные вычисления, особенно при использовании группировок и агрегатных функций (Sum(), Max() и т.п.). Иногда имеет смысл добавить в табли-
64
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2007. № 2(14)
цу 1-2 дополнительных столбца, содержащих часто используемые (и сложно вычисляемые) расчетные данные.
Если в базе данных есть большие таблицы, содержащие длинные поля (Image, Binary, Text и т.п.), то значительно ускорить выполнение запросов к ним можно путем вынесения длинных полей в отдельную таблицу. Например, требуется создать в базе каталог фотографий, при этом сохранить в BLOB-полях и сами фотографии (профессионального качества, с высоким разрешением и соответствующего размера). С точки зрения нормализации абсолютно правильной будет такая структура таблицы:
ID фотографии
ID автора
ID модели фотоаппарата
Сама фотография (BLOB-поле)
Естественно, есть еще отдельные таблицы, содержащие сведения об авторах (ключевое поле - ID автора) и о моделях фотоаппаратов (ключевое поле - ID модели). При такой структуре данных запрос, подсчитывающий число фотографий, сделанных какимлибо автором, потребует большого количества операций чтения диска и в результате будет выполняться неприемлемо медленно.
Правильным решением (хотя и нарушающим принципы нормализации) в такой ситуации будет создание еще одной таблицы, состоящей всего из двух полей: ID фотографии и BLOB-поле с самой фотографией. Тогда выборки из основной таблицы (в которой
огромного BLOB-поля уже нет) будут выполняться значительно быстрее. Если возникнет
необходимость получить саму фотографию, то придется потратить немного вычислительных ресурсов и объединить таблицы. К тому же, вероятно, селективность такой выборки
будет весьма высокой (вряд ли понадобятся сразу все изображения), а значит, операция
объединения не займет много времени и вычислительных ресурсов.
При проведении денормализации в базе данных неизбежно создаются избыточные,
дублирующиеся данные. Поэтому перед разработчиками сразу возникает задача обеспечения непротиворечивости (а чаще - идентичности) дублирующихся данных. Как это реализовать?
Рассмотрим два варианта. Первый - через механизм триггеров. Так, при добавлении
вычисляемого поля для каждого из столбцов, от которых оно зависит, создается триггер,
вызывающий единую (это важно!) хранимую процедуру, которая и записывает нужные
данные в вычисляемое поле. Надо только не пропустить ни один из столбцов, от которых
зависит это поле. Второй вариант: не использовать триггеры, а собрать всю логику работы
с данными в хранимые процедуры. Например, можно реализовать процедуру, которая будет «закрывать» документ: вставлять запись в таблицу, содержащую агрегированные данные, и заодно подсчитывать их значения. Это позволит избежать лишних вызовов подсчетов агрегатов (как в случае с триггерами), которые могут быть весьма ресурсоемкими
процедурами. Первый способ надежнее с точки зрения целостности данных, второй – экономит вычислительные ресурсы и делает более прозрачной логику программного кода.
Повышение селективности выборок. Во многих случаях после выполнения пользователем транзакции, регистрирующей некоторые изменения в БД, приложение выполняет запрос, который отображает на экране изменившиеся данные. Если проектируется
база данных с большой нагрузкой, то, возможно, следует попытаться «договориться» с
разработчиками приложения не делать этот запрос после каждой транзакции либо сделать
его как можно более редким. Следует реализовать механизм, который будет изменять
данные на экране пользователя в соответствии с выполненной транзакцией без очередного
выполнения запроса. Такой подход позволит значительно уменьшить нагрузку на сервер,
однако он неприменим, когда пользователю необходимо видеть на экране результаты работы другого сотрудника в реальном времени.
65
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2007. № 2(14)
Если решено обновлять данные на экране пользователя с помощью запроса, то следует построить логику приложения таким образом, чтобы уменьшить количество отображаемых строк до минимума. Это могут быть, к примеру, документы только сегодняшнего
дня, только данного сотрудника, только новые, неподтвержденные и т.п. Обычно это количество сравнимо с числом строк, способным поместиться на одном экране. Условия
диктуются решаемой задачей и логикой приложения. Конечно, пользователь может захотеть увидеть и остальные документы, для этого ему придется настроить соответствующим
образом свой список. Но на практике, если пользователь видит все, что ему необходимо,
он не станет пытаться что-то изменить. Большая селективность выборки позволит уменьшить накладные расходы на объединение таблиц (если оно имеется в выборке) и эффективнее использовать индекс по условию выбора отображаемых строк. Чем больше селективность условия отбора, тем больше эффективность индекса, который при этом применяется [1]. Если запрос возвращает большой процент всех строк таблицы, то оптимизатор
может решить совсем не использовать индекс, а применить вместо этого полное сканирование таблицы, что приведет к значительной трате вычислительных ресурсов и времени.
Таким образом, тщательное планирование объемов данных, представляемых на экране пользователя позволит значительно увеличить скорость выполнения запросов благодаря эффективному использованию индексного доступа.
Уменьшение количества данных, находящихся в блокировке. Как правило, в
СУБД организация данных представляет собой некоторую иерархию, например «файлбаза данных- таблица- страница данных- запись- поле в записи». Некоторые уровни этой
иерархии могут быть переставлены местами, быть чисто виртуальными либо полностью
отсутствовать. Всё это зависит от особенностей конкретной реализации и даже используемой терминологии. В СУБД, реализующих механизм иерархических блокировок
(Multigranularity Locking) для обеспечения параллельной обработки транзакций, можно
наложить блокировку на объект, находящийся на любом уровне этой иерархии. При этом
автоматически блокируются соответствующие объекты на нижележащих уровнях. Так, в
SQL Server существует понятие «эскалация блокировок» (Lock Escalation) - это процесс,
при котором множество блокировок с малой гранулярностью конвертируются в одну блокировку с большей гранулярностью на более высоком уровне иерархии.
Интуитивный ход мыслей примерно таков: блокировка на более высоком уровне
иерархии вызывает блокирование объектов на более низком уровне, в том числе и тех, которые блокировать не надо. А это ведет к уменьшению степени параллелизма транзакций
и в конечном итоге к падению производительности. Но на самом деле эффект обратный.
При более детальном рассмотрении выясняется, что с точки зрения производительности в
некоторых случаях выгоднее блокировать объекты с большей гранулярностью (когда число блокировок велико и в системе выполняются довольно длинные транзакции). В результате уменьшается общее число блокировок, снижается время выполнения длинных и как
следствие коротких транзакций, вынужденных ожидать окончания выполнения длинных.
Расходуется меньше системных ресурсов.
В SQL Server существуют следующие уровни иерархии блокировок:
ROWLOCK – блокировка на уровне записи.
PGLOCK - блокировка на уровне страницы данных.
TABLOCK – блокировка на уровне таблицы.
По умолчанию, если не вмешиваться в логику работы сервера, он старается наложить блокировку на запись, т.е. блокировку, обладающую наименьшей гранулярностью.
Но если сервер посчитает, что блокировка на уровне отдельной записи - не самое оптимальное решение, то он заблокирует больший объем данных. К сожалению, не всегда
можно определить стратегию наложения блокировок на этапе компиляции, поэтому ино-
66
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2007. № 2(14)
гда приходится увеличивать гранулярность динамически, прямо в ходе выполнения запроса.
SQL Server определяет необходимость эскалации исходя из следующего. Если число блокировок, наложенных одной транзакцией, превышает 1250 или их число на один
индекс или таблицу больше 765 и если при этом больше сорока процентов памяти, доступной серверу, используется под блокировки, то тогда сервер выбирает наиболее подходящую таблицу и пытается эскалировать блокировки до табличного уровня. В случае неудачи, если на некоторые записи таблицы наложены несовместимые блокировки других
транзакций, сервер не ждет, а продолжает работать на прежнем уровне гранулярности до
следующей попытки. Таким образом, исключается возможность взаимоблокировки непосредственно по причине эскалации.
Как правило, эскалация блокировки – это признак того, что в приложении есть узкое место и его следует оптимизировать. Можно также попытаться разбить длинную транзакцию на множество мелких, что всегда полезно, даже если не принимать во внимание
эскалацию. В целом чем оптимальнее написаны транзакции и запросы, тем меньше риск
эскалации блокировок. Но никогда нельзя быть уверенным, что эскалация не произойдет.
Контроль целостности (Сonstraints). Не следует создавать слишком много проверок целостности (Сheck Constraints), особенно ссылочной целостности между таблицами,
где это не так нужно. Все Constraints являются вычисляемыми. Чем больше контроля ссылок, тем больше выполняется чтений с диска и тем больше их вычисление влияет на производительность системы. Необходимо хорошо продумывать структуру таблиц и связей
между ними. А проверки корректности полученных от пользователя данных рекомендуется поместить в хранимые процедуры, осуществляющие регистрацию данных (если, конечно, это допустимо логикой приложения). Так можно добиться большей оптимальности
проверок и прозрачности логики базы данных.
Распределенные секционированные представления (Distributed Partitioned
Views). В случае, когда необходимо получить дополнительную производительность на
сверхбольших базах данных, а хранимые процедуры уже оптимизированы, программное
обеспечение является многоуровневым и аппаратные средства модернизированы, настает
время для распределения базы данных по нескольким серверам. Для SQL Server это делается путем горизонтального секционирования больших таблиц по множеству серверов.
Если разделение таблицы с множеством столбцов на несколько таблиц с меньшим количеством столбцов является вертикальным секционированием, то горизонтальным секционированием считается разделение таблицы с множеством записей на множество таблиц с
меньшим количеством записей. Если новые таблицы меньшего размера размещаются на
разных серверах, то это называется объединенной базой данных. Здесь используется слово
«объединенный», потому что все задействованные серверы могут работать совместно для
балансировки нагрузки. Они действуют как некое объединение. Как только данные распределяются по нескольким серверам, для выборки записей становится необходимым новый тип выражений. Эти новые выражения называются распределенными секционированными представлениями.
При использовании в запросе условия секционирования производительность существенно возрастает. Главное, чтобы оптимизатор правильно определил, что нужно сканировать только некоторые таблицы. Для этого, правда, придется использовать динамические запросы - чтобы в запросе фигурировала константа вместо переменной. Но – с учетом с выигрыша во времени — это приемлемая цена [5].
Оптимизатор при построении плана выполнения запроса не вычисляет значений
переменных и как следствие не может определить, какой запрос выполнять нет необходимости. Принимаются во внимание лишь константные выражения. Поясним на примере.
Пусть есть две таблицы, Table1 и Table2, содержащие поле SomeField, а также существу-
67
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2007. № 2(14)
ют ограничения целостности (Сheck Constraints): для Table1 – SomeField<10, а для Table2–
SomeField>10. Тогда при выполнении запроса
Select SomeField
From Table1
Where SomeField=5
UNION
Select SomeField
From Table2
Where SomeField=5
будет просканирована только одна таблица, так как во второй не может находиться значение 5. Однако запрос, содержащий переменную
declare @Var int
Set @Var=5
Select SomeField
From Table1
Where SomeField=@Var
UNION
Select SomeField
From Table2
Where SomeField=@Var,
будет сканировать обе таблицы, несмотря на то, что выборка из Table2 не даст результатов. Решение этой проблемы заключается в формировании текстовой строки, содержащей
текст запроса со значениями переменных в директиве Where и последующее выполнение
этого текста с помощью команды sp_executeSQL (или EXEC() ).
Это принцип работы оптимизатора. Ведь план любого SQL-кода строится без учета
значений переменных, участвующих в запросе.
И еще одно примечание, которое может оказаться полезным. На секционированные
представления индекс построить нельзя: оператор UNION документирован как неразрешенный при создании индекса.
Описанные приемы применялись авторами для повышения производительности
оперативной системы торгового предприятия на базе MS SQL 2000. Для многострочных
документов итоги по колонкам были помещены в денормализованные таблицы. Это позволило уменьшить количество объединений таблиц в запросах и использовать в отчетах,
где это возможно, агрегированные данные. Во многих случаях запрос, суммировавший
детализированные данные, выполнялся несколько минут, в то время как запрос, оперировавший агрегированными данными, – несколько секунд.
Клиентское приложение на экране пользователя представляет данные, возвращенные исключительно хранимыми процедурами с большой селективностью выборки, т.е.
объемы данных на экране минимизированы логикой приложения. Так, существует понятие «операционный день», поскольку большинство сотрудников работают с документами
именно сегодняшнего дня. Такую выборку приложение делает по умолчанию, и в большинстве случаев этого достаточно. Сервер кэширует часто запрашиваемые данные, что
вместе с индексным доступом значительно увеличивает скорость выполнения таких запросов.
Использование курсоров приводило к возникновению длинных транзакций, которые порождали блокировку большого количества данных, а также приводили к эскалации
блокировок. В процессе выполнения таких транзакций работа других пользователей останавливалась, и они были вынуждены ожидать ее окончания. Решение проблемы заключалось в разбиении большой транзакции на более короткие.
68
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2007. № 2(14)
Таким образом, недостаточное внимание, уделенное вопросам производительности,
при больших объемах данных и большом количестве пользователей системы может привести к значительному падению эффективности работы системы, а возможно, даже к ее
полной нежизнеспособности. Просчеты в архитектуре, приводящие к критической потере
производительности с ростом объемов информации, являются трудно устранимыми во
внедренной работающей системе. Использование упомянутых методов позволило авторам
полностью избавиться от задержек при регистрации транзакций и построении отчетов в
системе с большой нагрузкой. Так, некоторая денормализация таблиц базы данных увеличила скорость формирования основных оперативных отчетов. Подсчет промежуточных
итогов во время регистрации транзакций позволил при построении отчетов обрабатывать
вместо таблиц с несколькими миллионами записей таблицы с несколькими сотнями тысяч
записей. При этом не используются мультипроцессорные высокопроизводительные и дорогостоящие серверы, что делает потенциально возможным масштабирование системы
при росте объемов информации.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1.
2.
3.
4.
5.
Тоу, Д. Настройка SQL. Для профессионалов / Дэн Тоу. – СПб.: Питер, 2004.
Берзин, В. Технология нагрузочного тестирования информационных систем с большим объемом данных
/ В. Берзин // Oracle Magazine. Русское издание. – 2004, декабрь. – С. 94-124 .
Вьейра, Р. SQL Server 2000. Программирование: в 2 ч. / Роберт Вьейра. – М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2004. – Ч.2. – С. 1145.
Пуле, М. Денормализация: как нарушить правила и избежать последствий / Мишель Пуле // SQL Server
Magazine. – 24.10.2001.
Schlichting, Don. MS SQL Server Distributed Partitioned Views / Don Schlichting; пер. В. Степаненко //
http://www.sql.ru/articles/mssql/2004/04051301DistributedPartitionedViews.shtml, 2004.
Материал поступил в редколлегию 26.01.07.
69
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2007. № 2(14)
ЭКОНОМИКА, ОРГАНИЗАЦИЯ И УПРАВЛЕНИЕ ПРОИЗВОДСТВОМ
УДК 658.5
Н.И. Коченкова
ПРОБЛЕМА ВНЕДРЕНИЯ ИДЕОЛОГИИ LEAN PRODUCTION
НА РОССИЙСКИХ ПРЕДПРИЯТИЯХ
Рассмотрена идеология производства без потерь, так называемого бережливого производства, известная как Lean Production, применительно к Российским условиям.
Идея вытягивающей системы появилась достаточно давно – в середине ХХ в. – и не
имела отношения к производству. Она возникла в американских супермаркетах. Теперь
уже всем знакома ситуация: на полках выставляется товар, подходит покупатель, берет
одну или две единицы товара. Постепенно полка опустошается. Для рабочего, который
должен следить за наполнением полок, этот момент является сигналом о том, что надо
подвезти товар. Казалось бы, очевидная закономерность: спрос диктует предложение. Но
японцы, которые активно посещали Америку в рамках программы восстановления японской промышленности (в том числе заводы Форда) и, конечно, посещали супермаркеты,
сделали для себя интересные выводы, ставшие позже основой новой идеологии бизнеса
[1,5,6].
Возникнув в супермаркете, вытягивающая система хорошо прижилась на производстве. Это обусловлено тем, что она позволяет экономить средства на пополнение запасов. Когда клиент делает заказ, линия создания продукции начинает работать. Следовательно, появляется необходимость в сырье или комплектующих, и поставщикам подается
сигнал. Оказалось выгодней покупать сырье и комплектующие небольшими партиями.
При этом их стоимость повышается, но высвобождаются замороженные средства, сокращаются траты на хранение запасов, а также производственные площади.
Эта система позволила японцам, в частности компании «Тойота», избежать многих
существенных проблем, в том числе проблемы перепроизводства. Есть сигнал с рынка –
завод работает, нет сигнала – система «замерла в ожидании». Разумеется, только на заказ
заводы не могут работать. Есть прогнозирование и предварительное планирование, но
производственная система в целом построена именно по этому принципу. Причем предварительное планирование направлено скорее не на материально-технический ресурс, а на
человеческий: какое количество рабочих, в какой период нужно будет привлечь дополнительно, если потребуется расширение производства в связи с дальнейшим развитием компании.
Внедрение вытягивающей системы предполагает принцип работы jast-in-time (точно вовремя), который сначала применяется внутри компании. Отлаживаются все процессы, в которых предыдущий участок производства – поставщик, а последующий – клиент.
Если внутри компании такая система будет настроена, это даст очевидные преимущества.
Выстраивание потока сократит межоперационные запасы, что уменьшит время производства, увеличит оборачиваемость средств [1,2,3].
Вытягивающая система полностью не освобождает от запасов. Поскольку необходимо быстро реагировать на сигнал с рынка, на предприятии есть запас в виде незавершенного производства. По приходе заказа поток моментально приводится в действие, и
производится нужное количество продукции [1,3,4].
В основном все предприятия, работающие по традиционной схеме, устроены по
принципу выталкивающей системы. Это привычная практика давать график работы свер-
70
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2007. № 2(14)
ху для каждого производственного участка исходя из общего плана. Каждый производственный участок стремится сам по себе достичь установленных показателей – нужен не
нужен соседнему участку в данный момент времени продукт, он «выталкивается» на следующий этап обработки. Кроме того, если не организован поточный метод (сделал одну
деталь – передай по линии), а продукт обрабатывается партиями, время на создание единицы продукта, в зависимости от величины партии, увеличивается в геометрической прогрессии.
Несбалансированность оборудования приводит к тому, что, с одной стороны, возникают простои из-за нехватки сырья вследствие быстрой работы одного участка, с другой стороны, менее производительный участок не справляется с обработкой продукта, образуется межоперационный запас. Это приводит к необоснованным потерям, о которых в
большинстве случаев даже не задумываются. Причем на каждом участке план выполняется, но предприятие в целом работает неэффективно, несет большие убытки.
Работа с единицами продукта по вытягивающей системе ускоряет прохождение изделия по потоку. Уменьшаются потери во времени производства, излишние запасы, которые составляют партии изделий (неизвестно, нужна ли будет эта партия в конце обработки, будет ли она востребована клиентом).
В процессе внедрения вытягивающей системы возник вопрос: как сообщить о том,
что комплектующие на исходе и требуется пополнение запаса? Стало очевидно: необходимо разработать некую сигнальную систему, которая бы позволяла следить за тем, что и
на какие участки производства и в каком количестве требуется. Тогда и была разработана
система Kanban, что в переводе с японского означает «карточка» (слово дается в латинской транскрипции) [1,3,6]. Собственно, на японских заводах использовали именно карточки, на которых была прописана информация о пополнении запасов.
После внедрения Kanban внутри предприятия был разработан Kanban для поставщика. Сырье или комплектующие стали поставляться лишь по сигналу с производства,
что позволило значительно сократить запасы сырья, а запасы готовой продукции на складе свести практически к нулю. Соответственно высвободились ресурсы, повысилась эффективность работы компании, возросла прибыль. Увеличилась оборачиваемость средств
за счет сокращения запасов и времени выполнения заказа, поскольку были исключены
простои из-за нехватки комплектующих.
Для того чтобы организовать систему Kanban внутри предприятия, необходимо, вопервых, выстроить некий поток, т.е. такую систему работы всех подразделений, когда
продукция без задержки передается с одного участка на другой, а во-вторых, соблюсти
баланс работы оборудования и каждого отдельного процесса в этом потоке. Кроме того,
следует организовать процесс создания продукта таким образом, чтобы не накапливались
межоперационные запасы [6]. Сделал одну деталь – передай дальше! Это поможет сократить время прохождения продукта по участкам в два и более раза.
Не на всех предприятиях есть возможность сразу выстроить непрерывную линию
между участками производства. Существуют проблемы с переналадкой оборудования для
изготовления другой продукции, или используется старое оборудование, которое нельзя
часто переналаживать.
Некоторые потоки зависят от сырья, от плавки – в случае металлургического производства, где есть определенные технологические процессы, – что ограничивает возможность выстроить поток. На таких участках создается жестко контролируемый склад для
хранения оптимального запаса сырья, заготовок или незавершенной продукции, чтобы
система могла работать без задержек. Поток же выстраивается от того участка, где начинается производство какого-либо продукта. Есть определенные ограничения по технологическим особенностям работы оборудования. В частности для сборочного процесса, безусловно, выстроить поток можно, и это даст ощутимые результаты.
71
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2007. № 2(14)
Но для всех ли ситуаций и типов производств необходима эта система? Всегда ли
она хорошо работает, если рассматривать ее относительно рынка? Она очень хорошо работает, если производство ориентировано на рынок, где существует жесткая конкуренция.
Но если компания какое-то время выступает на рынке в качестве монополиста, выпускает
новый продукт или если возникает дефицит, то тогда в полной мере может работать и выталкивающая система, при которой производитель поставляет на рынок столько продукции, сколько может произвести.
В Японии стали вводить вытягивающую систему в 50-х гг., но американцы не спешили перестраиваться. Поскольку американская промышленность была единственной, не
разрушенной войной, вся производимая продукция находила сбыт. Японцам же в условиях жесточайшего кризиса и конкуренции (на японском рынке тогда присутствовали все
ведущие мировые производители автомобилей, и компания «Тойота» на этом фоне выглядела плачевно) приходилось экономить ресурсы. Но внедрение вытягивающей системы в
стране дало ошеломляющие результаты, и Япония довольно быстро начала составлять
конкуренцию крупным европейским и американским компаниям. С того времени система
развивалась, совершенствовалась и продолжает развиваться до сих пор.
Некоторые российские предприятия, которые пошли по этому пути, достигли значительных результатов. Разумеется, до серьезных высот еще далеко, но сдвиги есть. Из
фактически убыточных предприятий всего за три-четыре года возникают заводы, которые
работают эффективно, с прибылью и продолжают наращивать свои обороты. В качестве
примера хотелось бы привести Павловский автобусный завод, в течение года увеличивший объемы продаж на 40 %. Внедрение системы не проходило гладко, были серьезные
проблемы, вплоть до серии забастовок рабочих. В этой ситуации негативную роль играло
местоположение завода. Он находится в небольшом городке, и рынок труда там очень ограничен, поэтому приходится работать с теми людьми, которые есть. Но тем не менее при
отсутствии вложений в модернизацию производства и ограниченном фонде заработной
платы руководство сумело справиться с трудностями внедрения и наладить процесс за
счет собственных средств завода.
Опрос среди руководителей российских предприятий показал, что 80 % из них не
знакомы с системой Kanban и идеологией бережливого производства, частью которой является вытягивающая система. Однако другие – почти 20 % – активно внедряют эту систему! Есть руководители производств, которые раздумывают над необходимостью внедрения. Некоторые просто гонятся за модой.
Общая мировая статистика (и российская статистика с ней совпадает) свидетельствует, что через год работы в этом направлении приверженцами идеи остаются лишь 15 %
компаний. Основная проблема в том, что руководство предприятий не видит моментальных серьезных изменений. Однако практика показывает: изменения должны накопиться,
поэтому реальных сдвигов можно ожидать через полтора, два, а то и три года. Не все готовы так долго ждать и ищут другие пути усовершенствования производства. В основном
все сводится к локальному сокращению потерь, что само по себе не дает должного эффекта. Это видно на примере Горьковского автозавода, где усовершенствовали производство
кузовов, а в целом завод работает по старинке. Но все дело в том, что машина состоит не
из одного лишь кузова.
Большинство российских предприятий начали совершенствование производства не
так давно. В основном они находятся на стадии наведения порядка в цехах, на рабочих
местах. Но есть уже и некоторые успехи. Уральский машиностроительный завод проводит
модернизацию производства по вытягивающей системе и довольно успешно. Увеличилась
производительность, улучшилось качество машин.
72
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2007. № 2(14)
Ряд предприятий холдинга «Русский алюминий» значительно продвинулись на
этом пути. Наладили перемещение грузов, систему Kanban поработали с информационными потоками.
Самая серьезная проблема внедрения идеологии Lean на российских предприятиях
– барьер в сознании людей. Словам мало кто верит, тем более что в нашей стране людей
обманывали постоянно. Необходимо воспитывать кадры, обучать их, особенно если завод
находится в зоне, где рынок труда ограничен. Рационализацию надо начинать снизу, с тех
рабочих, которые задействованы в процессе. Кроме того, нельзя применять революционные методы. Все изменения должны осуществляться постепенно. Во-первых, таким образом проводить модернизацию легче, во-вторых, постепенно изменяется сознание людей,
в-третьих, это является подготовкой к качественным изменениям, которые потребуют инвестиций. А результат, хотя бы небольшой, но заметный, можно получить довольно скоро.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Альбеков, А.У. Коммерческая логистика: учеб. пособие для вузов / А.У. Альбеков, О.А. Митько. – Ростов н/Д: Феникс, 2002. – 416 с.
Гаджинский, А.М. Логистика: учеб. для вузов. / А.М. Гаджинский. – 9-е изд., перераб. и доп. – М.:
Дашков и К, 2004. – 408 с.
Кузьбожев, Э.Н. Логистика: учеб. пособие / Э.Н. Кузьбожев, С.А. Тиньков. – М.: КНОРУС, 2006. –
224 с.
Неруш, Ю.М. Логистика: учеб. для вузов / Ю.М. Неруш. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: ЮНИТИ - ДАНА, 2000.-389 с.
Парфенов, А.В. Методология формирования логистической системы управления потоковыми процессами в транзитивной экономике / А.В. Парфенов. — СПб.: Изд-во СПбУЭФ, 2001. – 410 с.
Сергеев, В.И. Логистика в бизнесе: учеб. для вузов / В.И. Сергеев. – М.: ИНФРА, 2001. – 608 с.
Материал поступил в редколлегию 13.03.2007.
73
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2007. № 2(14)
УДК 621:658.58; 621.757; 621.797
И.М. Корсакова, И.В. Говоров
ЭКОНОМИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ МОДЕРНИЗАЦИИ ОБОРУДОВАНИЯ
На примере испытательного стенда, предназначенного для проверки геометрической точности путеизмерительных тележек, рассмотрены возможные стадии совершенствования промышленного оборудования. Выполнены расчеты сравнительной эффективности работ по изготовлению и эксплуатации соответствующих модификаций стенда.
Для оценки экономической целесообразности мероприятий модернизации, реконструкции и ремонта в настоящее время широко применяется методика ЮНИДО [1], которая предусматривает использование следующих показателей: чистого дисконтированного дохода,
внутренней нормы доходности, периода окупаемости и др. Однако перечисленные показатели, характеризующие абсолютную эффективность инвестиций в долговременном периоде,
достаточно сложны в определении и требуют индивидуального подхода специалистов в каждом конкретном случае [2]. При этом остается открытым вопрос оперативной оценки сравнительной эффективности альтернативных вариантов совершенствования технических объектов
в процессе их модернизации. Актуальность проблемы подтверждается тем, что модернизация, как способ приведения технических характеристик изделия в соответствие с современными требованиями путем относительно незначительных изменений конструкции, материалов или технологии изготовления, по-прежнему остается основным направлением совершенствования производственной базы отечественных предприятий.
Как известно, освоение новой продукции начинается с выпуска опытного образца, который в дальнейшем должен пройти все возможные стадии своего эволюционного развития с
целью создания различных модификаций с требуемыми показателями качества. Основными
из них являются показатели назначения (мощность, производительность, КПД и т.д.), надежности (безотказность, долговечность, ремонтопригодность и сохраняемость), эргономики и
эстетики [3]. Обеспечение требуемых показателей качества производимого оборудования
достигается путем систематизированной модернизации конструкции или технологии изготовления деталей и узлов предыдущей модификации. В зависимости от потребности и платежеспособности заказчик может выбрать вариант модернизации из предложенных предприятием-изготовителем или разработать свой. Поэтому реализуемый вариант усовершенствования должен быть экономически эффективен как для производителя, так и для потребителя.
Возможные стадии эволюционного развития новой продукции с целью получения ее
различных модификаций и эффективность работ по созданию этих модификаций можно
рассмотреть на примере последова1
2
3
тельно проведенных модернизаций
испытательного стенда СИ – продукции ЗАО «Термотрон-завод», –
предназначенного для проверки
геометрической точности путеизмерительных тележек в процессе их
4
эксплуатации и проведения периодических калибровок.
5
Опытный образец стенда СИ
(рис. 1) не соответствовал необходимым требованиям качества из-за
наличия существенной погрешности измерений, обусловленной неРис. 1. Опытный образец испытательного стенда СИ
74
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2007. № 2(14)
достатками конструкции, которая проявила себя как недостаточно жесткая и виброустойчивая. Кроме того, ось вращения 2, установленная с целью имитации перепадов железнодорожного пути, располагалась в центре вращаемой балки 1 (возвышение пути имитировалось наклоном балки 1 при ее вращении на оси 2 относительно станины 5), что приводило к усложнению подсчетов и увеличению их погрешности. При этом погрешность возникала как при градуировке шкалы 4, которую необходимо было градуировать в мм возвышения, так и при считывании положения балки с помощью указателя 3.
С учетом недостатков опыт1
ного образца разработана модер2
низированная конструкция стенда
9
СИ-1 (рис. 2), которая состоит из
3
каркаса 7 жесткой сварной кон8
струкции, балки 4, механизма
4
5
подъема 1. Выходные геометрические параметры стенда (таблица) стабильно обеспечивают необходимую точность при контроле.
Различные значения ширины
колеи имитируются установкой
сменных шаблонов (l×h×b1÷6 ) на
7
полку 3, возвышение пути – поворотом балки 4 вокруг осей 6. Поворот осуществляется при помощи
6
винтового механизма 1. Числовое
значение величины возвышения
пути определяется по линейке 9.
Рис. 2. Испытательный стенд СИ-1
Положения балки в точках возможных перепадов фиксируются
опорой лыски фиксатора 8 на соответствующие опорные плоскости планки 2.
Таблица
Эксплуатационные геометрические показатели стенда СИ-1
Параметр
Допустимое отклонение от плоскостности рабочих поверхностей направляющей 5 и полки 3, а также сменных вкладышей (шаблонов)
Расстояние между вертикальными рабочими поверхностями направляющей 5 и полки 3
Предел допускаемой приведенной погрешности по уровню в фиксированных точках диапазона от –160 до +160
Допуск на основные размеры шаблонов
Значение
параметра, мм
0,03
1475 ± 0,25
± 0,5
± 0,05
Малые диски колес путеизмерительной тележки опираются на горизонтальные
плоскости направляющей 5 и полки 3 или плоскости установленных на полку сменных
шаблонов. При любом угле поворота балки положение в пространстве точек касания малых
дисков правых колес остается постоянным, так как точки касания малых дисков находятся на оси
поворота балки стенда. Это дает возможность при проверке стенда на геометрическую точность
определять величину возвышения пути прямым замером.
75
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2007. № 2(14)
Несмотря на то, что стенды СИ дешевле и проще в изготовлении, их опытная партия
не нашла рынка сбыта из-за сложности в эксплуатации и невыполнения требований к качеству. Спросом же в настоящее время пользуются более трудоемкие и дорогостоящие, но
надежные и удобные в эксплуатации стенды СИ-1, разработанные для железнодорожной
колеи шириной 1435 мм (СИ-1-1435), 1520 мм (СИ-1-1520) и 1020 мм (СИ-1-1020).
Эффективность работ предприятия-изготовителя по созданию разнообразных модификаций предлагается оценивать по увеличению выпуска товарной продукции. Варианты
технологических процессов при изготовлении разнообразных модификаций сравниваются
по показателям технологической себестоимости.
В общем случае технологическая себестоимость С n каждой последующей n-й модификации определяется зависимостью
С n = (С м1 ± ΔМ n ) +
(С зп1 ± ΔЗП n ) + (С об1 ± ΔР СЭОn ),
(1)
где С м1 – прямые материальные затраты 1-й модификации; ΔМn – разница в прямых материальных затратах между 1-й и n-й модификациями; С зп1 – затраты на оплату труда основных
рабочих при изготовлении 1-й модификации; ΔЗПn – разница в затратах на оплату труда основных рабочих между 1-й и n-й модификациями; С об1 – затраты на содержание и эксплуатацию оборудования при изготовлении 1-й модификации; ΔРСЭОn – разница в затратах на содержание и эксплуатацию оборудования между 1-й и n-й модификациями.
Общая товарная продукция в денежном выражении определяется следующей суммой:
m
m
n =1
n =1
∑ Tn = ∑ Ц nVn ,
где Ц n – условная цена изделия n-й модификации, определенная по технологической себестоимости; V n – годовой объем выпуска продукции n-й модификации; m – номенклатура
выпускаемых модификаций.
Условная цена реализации может быть определена исходя из технологической себестоимости по формуле
Цn = Сn + Пn,
где П n – условная прибыль, определяемая по технологической себестоимости, от продажи
изделия n-й модификации.
Экономический результат освоения последующих n–1 модификаций технологического
оборудования можно оценить по увеличению выпуска товарной продукции:
Э n-1 =
m
∑ Tn
– Т1,
n =1
где Т 1 – товарная продукция 1-й модификации в денежном выражении, определяемая как
Т 1 = Ц1 V1 .
Первая модификация стенда СИ-1-1435 имеет технологическую себестоимость С 1
= 35,0 тыс. руб. Изменения затрат на оплату труда основных рабочих (ΔЗП n ), а также на
содержание и эксплуатацию оборудования (ΔР СЭОn ), для остальных модификаций примем
равными нулю, так как технологические операции и оборудование, на котором они реализуются, остались прежними. Изменения прямых материальных затрат индивидуальны и
составляют: ΔМ 2 = 0,14 тыс. руб. (для стенда СИ-1-1520), ΔМ 3 = – 1,5 тыс. руб. (СИ-11020). Подставляя указанные значения в формулу (1), получим технологическую себестоимость 2-й (С 2 = 35,14 тыс. руб.) и 3-й (С 3 = 33,5 тыс. руб.) модификаций.
В качестве прибыли от реализации П n может быть использована условная величина,
76
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2007. № 2(14)
определяемая в зависимости от технологической себестоимости C n и принятого на предприятии уровня рентабельности R:
Пn =
R
Cn .
100
Учитывая, что для основных видов продукции предприятия рентабельность установлена на уровне 20…30 %, для дальнейших расчетов можно использовать единое значение условной цены: Ц1 = Ц2 = Ц3 = 43,0 тыс. руб. Тогда при равном годовом объеме реализации
всех позиций номенклатуры V1 = V2 = V3 = 50 шт./год увеличение выпуска товарной продукции от освоения производства стендов СИ-1-1520 и СИ-1-1020 составит
Э2 =
3
∑ Tn
– Т 1 = 6 450,0 – 2 150,0 = 4 300,0 тыс. руб.
n =1
Условная прибыль от реализации при этом возрастает с 400,0 до 1 268,0 тыс. руб.
Стенд рассмотренной конструкции (с ручным управлением) целесообразно использовать для проверки геометрической точности путеизмерительных тележек, находящихся
в эксплуатации.
При крупносерийном выпуске тележек их контроль может проводиться стендом
СИ-2, модернизированным за счет автоматизации имитационных перемещений (рис. 3). Различные значения ширины колеи имитируются модулем линейных перемещений 1. Возвышение пути имитируется поднятием
1
(опусканием) опор 2 пневмоцилиндрами 3. Положения опор в
точках возможных перепадов
4
2
фиксируются приводом 4 с шаго3
вым электродвигателем.
Однако освоение новой,
автоматизированной модификации стенда предусматривает дополнительные затраты на приобретение и оснащение его дорогостоящей микроэлектронной
аппаратурой, импортными моРис. 3. Испытательный стенд СИ-2
дулями различных перемещений, индикации и управления,
приводами с шаговыми электродвигателями и др., что приводит к значительному повышению себестоимости изготовления изделия, а соответственно и его цены. Используя
данные предприятия, в дальнейших расчетах примем условную цену реализации стенда СИ-2 Ц 4 = 487,5 тыс. руб. при технологической себестоимости С 4 = 390,0 тыс. руб.
Так как плановая реализация этой модификации стенда V 4 = 5 шт., то прирост выпуска
товарной продукции от освоения производства всех последующих модификаций стенда
составит
Э3=
4
∑ Tn
– Т 1 = 6 450,0 + 2 437,5 – 2 150,0 = 6 737,5 тыс. руб.
n =1
Условная прибыль от реализации при сравнении с первой модификацией возрастает
с 400,0 до 1 755,5 тыс. руб.
Поскольку модернизированные образцы изделий должны учитывать интересы как
производителя, так и потребителя, то необходимо определение условий, при которых по-
77
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2007. № 2(14)
купателю выгодно приобретать модернизированную продукцию с различными эксплуатационными и стоимостными показателями.
Для этого достаточно сравнить приведенные затраты (Зпр), сопровождающие различные варианты выполнения работ потребителем с использованием рассматриваемых стендов
Зпр n = C Гn + Е н К n ,
(2)
где C Гn – технологическая себестоимость годового объема выполняемых работ при использовании n-го варианта модернизации; Е н – нормативный коэффициент сравнительной
экономической эффективности (в расчетах рекомендуется принимать Е н = 0,15…0,2); К n –
капитальные вложения, сопровождающие внедрение у потребителя n-го варианта модернизированного оборудования.
Технологическая себестоимость годового объема выполняемых на стендах работ
может быть определена суммой
C Гn = См n + С ЗПn + С ОБn ,
(3)
где См n – затраты на материалы (См n = 0, так как технологический процесс испытания тележек не сопровождается существенными материальными затратами); С ЗПn – затраты на
оплату труда основных рабочих (с начислениями) при испытании тележек на стенде n-й
модификации; С ОБn – затраты на содержание и эксплуатацию стенда n-й модификации.
Затраты на оплату труда основных рабочих можно определить по зависимости
С ЗПn = t n З ср n n N n k д k соц ,
где t n – трудоемкость испытания тележки на стенде n-й модификации; З ср – средняя часовая
оплата труда рабочего (по данным предприятия примем З ср = 80 руб./час.); n n – количество
рабочих, принимающих участие в испытательных работах на стенде n-й модификации; N n
– годовая программа работ, выполняемых на стенде n-й модификации; k д – коэффициент,
учитывающий дополнительную заработную плату рабочих (k д = 1,12); k соц – коэффициент,
учитывающий обязательные отчисления на социальные цели (k соц =1,301).
Для укрупненной оценки затрат на содержание и эксплуатацию стендов воспользуемся зависимостью
k Ц
С ОБn = С Рn + С Аn = т n Н р + Н а ,
100
(
)
где С Рn – затраты на ремонтно-профилактические мероприятия для стенда n-й модификации; С Аn – годовые амортизационные отчисления для стенда n-й модификации; k т – коэффициент, учитывающий транспортно-монтажные и пусконаладочные расходы предприятия (k т = 1,15); Н р – средняя по предприятию величина расходов на ремонт (в том числе
капитальный) технологического оборудования (Н р = 7 %); Н а – норма амортизационных отчислений (для стендового оборудования Н а = 14,3 % в соответствии с принятым сроком
полезного использования).
Подставляя приведенные значения в выражение (3), получим следующую параметрическую зависимость:
C Гn = 116,57 t n n n N n + 0,245Ц n .
(4)
Так как в рассматриваемом случае капитальными (единовременными) вложениями
потребителя можно считать затраты на приобретение стендов, то для их расчета используется зависимость
К n = k т Ц n n ст n ,
где n ст n – количество приобретаемых стендов n-й модификации.
78
(5)
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2007. № 2(14)
В дальнейшем рассматриваются два варианта испытаний тележек: на стенде с ручным управлением СИ-1 (n ст 1 = 1) и на автоматизированном стенде СИ-2 (n ст 2 = 1). Тогда,
принимая Е н = 0,18 и подставляя зависимости (4), (5) в выражение (2), получим следующую параметрическую зависимость для приведенных затрат:
Зпр n = 116,57 t n n n N n + 0,452 Ц n .
(6)
Вариант с минимальными приведенными затратами (Зпр n → min) можно считать
наиболее эффективным для потребителя.
Стенды рассмотренных конструкций поставляются в отделение железной дороги,
которое обслуживает 50 путеизмерительных тележек. Каждая тележка проверяется не реже 1 раза в 3 месяца (около 200 проверок в год). Выполним сравнительный анализ эффективности использования стендов при программе испытаний N I = 200 шт./год.
Вариант 1. Для испытательного стенда СИ-1 с ручным управлением при времени испытания тележки t 1 = 2 ч и количестве рабочих, принимающих участие в испытательных работах, n 1 = 2 приведенные затраты в соответствии с зависимостью (6) составят
Зпр 1 = 116,57 ·2·2·200 + 0,453·43000 ≈ 112,7 тыс. руб.
Вариант 2. Испытания на стенде СИ-2 выполняет один рабочий (n 4 = 1) в течение
t 4 = 0,75 ч, поэтому приведенные затраты для 4-й модификации стенда равны
Зпр 4 = 116,57 ·0,75·1·200 + 0,453·487500 ≈ 237,8 тыс. руб.
Годовой эффект потребителя (при более эффективном варианте использования стенда
СИ-1: Зпр1 < Зпр4) по приведенным затратам в этом случае составит
Э потр 1 = Зпр 4 – Зпр 1 = 238,3 – 112,7 = 125,1 тыс. руб.
(7)
Другими потребителями продукции службы малых серий ЗАО «Термотрон-завод»
являются предприятия транспортного машиностроения, выпускающие путеизмерительные тележки в объемах 500…1000 шт. в год. Проведем аналогичные расчеты сравнительной эффективности применения потребителем стендов СИ-1 и СИ-2 для годовой
программы N II = 800 шт./год.
Зпр 1 = 116,57 ·2·2·800 + 0,453·43000 ≈ 392,5 тыс. руб.
Зпр 4 = 116,57 ·0,75·1·800 + 0,453·487500 ≈ 290,3 тыс. руб.
Годовой эффект потребителя (при более эффективном варианте использования стенда
СИ-2: Зпр1 > Зпр4) по приведенным затратам в этом случае составит
Э потр 2 = Зпр 1 – Зпр 4 = 392,5 – 220,8 = 102,2 тыс. руб.
(8)
Если стенд с ручным управлением целесообразно использовать для проверки геометрической точности путеизмерительных тележек, находящихся в эксплуатации, о чем
свидетельствует результат расчета (7), то при серийном выпуске тележек необходимо,
чтобы на проверки уходило минимальное время, что обеспечивается стендом с автоматизированным управлением имитационными перемещениями.
Если предположить, что при некотором значении N n = N кр оба варианта у потребителя равноэффективны (Зпр 1 = Зпр 4 ), то, используя зависимость (6), можно вычислить критический объем работ, определяющий границу экономической целесообразности применения сравниваемых модификаций стенда:
N кр = 3,88 ⋅ 10 −3
Ц4 − Ц1
487500 − 43000
= 3,88 ⋅ 10 −3
= 531 шт.
2 ⋅ 2 − 0,75 ⋅ 1
t1 n1 − t 4 n4
79
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2007. № 2(14)
При выпуске тележек с годовой программой N > 531 шт. эффективность приобретения стендов с автоматизированным управлением, судя по результату расчета (8),
очевидна.
Такой же подход может быть реализован и в других областях машиностроения. Например, если рассмотреть ряд токарно-винторезных станков, модернизированных на базе
станка ДИП-200 (162, 1А62, 1Б62, 1Д62, 1К62, 16К20Ф3), то можно отметить увеличение
таких технических характеристик, как мощность привода главного движения (от 3,7 кВт у
станка 162 до 10 кВт у станка 1К62), диапазон регулирования частоты вращения шпинделя (от 50 до 160), максимальная частота вращения шпинделя (от 600 до 2000 мин-1), предельная величина подач суппорта (от 2,15 до 4,16 мм/об), число скоростей вращения
шпинделя (от 18 до 23), наличие системы ЧПУ (у станка 16К20Ф3), а также удорожание
каждой последующей модели и снятие с производства невыгодных для предприятияизготовителя образцов устаревшей продукции. Однако в современных условиях ведения
хозяйственной деятельности многие заводы, выпускающие изделия индивидуального и
мелкосерийного производства, могли бы довольствоваться (по техническим и стоимостным показателям) достаточно простыми конструкциями токарно-винторезных станков
(типа модели 162) при условии возможности их эффективной модернизации в соответствии с меняющимися объемами и номенклатурой выпускаемой продукции.
Таким образом, обновление парка технологического оборудования в условиях ограниченных финансовых возможностей большинства отечественных предприятий может
начинаться с приобретения доступных по цене моделей с постепенной их модернизацией
согласно рекомендациям [3, 4, 5]. При этом предприятию-изготовителю следует прорабатывать унифицированные конструкции соответствующих изделий с целью минимизации
затрат на последующих этапах их адаптации и совершенствования.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Беренс, В. Руководство по оценке эффективности инвестиций / В. Беренс, П.М. Хавранек. – М.: Интерэксперт: Инфра-М, 1995. – 528 с.
2. Зарембо, Ю.Г. Об оценке экономической эффективности модернизации, реконструкции и ремонта / Ю.Г.
Зарембо // Ремонт, восстановление, модернизация. – 2004. – № 3. – С. 7-10.; № 4. – С. 7-10.
3. Качество машин: справочник: в 2 т. / А.Г. Суслов, Э.Д. Браун, Н.А. Виткевич [и др.] – М.: Машиностроение, 1995. – Т. 1. – 256 с.
4. Горленко, О.А. Классификация модернизаций технологического оборудования машиностроительного предприятия / О.А. Горленко, И.М. Корсакова // Сборка в машиностроении, приборостроении. – 2002. – № 10. – С. 15-21.
5. Корсакова, И.М. Определение потребности в модернизации технологического оборудования / И.М. Корсакова
// Справочник. Инженерный журнал.– 2006.– № 2. – С. 58-62.
Материал поступил в редколлегию 27.02.07.
80
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2007. № 2(14)
УДК 686.5
И.Е. Золин
РЫНОК ТРУДА В УСЛОВИЯХ ГЛОБАЛИЗАЦИИ МИРОВОЙ ЭКОНОМИКИ:
ПРОБЛЕМЫ ТЕОРИИ И ПРАКТИКИ
Проанализирована ситуация, сложившаяся на рынке труда в условиях глобализации мировой экономики. Сформулированы основные методологические проблемы исследования рынка труда и международной миграции рабочей силы. Рассмотрены направления деятельности органов власти по регулированию
миграционных процессов и механизмы их реализации.
Проблемы формирования и функционирования рынка труда исключительно актуальны для российской экономики в связи с необходимостью сохранить, приумножить и
рационально использовать имеющийся трудовой потенциал. Без этого невозможно дальнейшее продвижение России по пути рыночных реформ и ее полноценная интеграция в
систему международных экономических отношений, где решающей предпосылкой конкурентоспособности страны является высококвалифицированная мобильная рабочая сила,
заинтересованная в результатах производства и обеспеченная устойчивой занятостью.
Актуальность представленной темы обусловлена еще и тем, что перед Россией все
острее встает проблема выработки по существу новой политики регулирования рынка
труда, адекватной выбранному курсу реформ. В последние годы рынок труда в России
претерпел существенные изменения, в связи с чем многие более ранние исследования в
определенной степени утратили актуальность.
В Российской Федерации, которая постепенно втягивается в новый виток процесса
глобализации, становление рынка труда, его атрибутов, отработка мер государственной
политики и теоретической концепции самого рынка труда происходят одновременно.
Сложность ситуации предопределяется и тем, что до сих пор нет единства как в научной
среде, так и среди практиков по таким фундаментальным вопросам, как сущность, содержание понятий «рынок труда» и «рынок рабочей силы». Остается открытым вопрос о роли государственных институтов, реализующих меры по противодействию безработице,
формированию эффективной занятости, регулированию международной миграции, обучению рабочей силы и ее социальной защите.
Государственные институты рынка труда России, прежде всего служба занятости,
миграционная служба, с одной стороны, все еще накапливают опыт работы в условиях
рыночной экономики. С другой стороны, эти институты вынуждены учитывать влияние
мировой экономической конъюнктуры, внешней трудовой миграции, а также «правила
игры», созданные международными организациями (например, Международной организацией труда, Международной организацией по миграции). В этой связи автор разделяет
точку зрения М.В. Ершова, который считает, что «в современном мире, где стираются
грани между национальными и международными факторами, атрибуты национальной
экономики утрачивают свою прежнюю роль, размываясь общим ходом мировых интеграционных процессов» [1].
Значимость международного аспекта анализа рынка труда определяется нарастанием современных тенденций интернационализации, глобализации мировой экономики. Интернационализация рынка труда представляет собой процесс роста взаимосвязи, взаимозависимости национальных рынков труда, проявляющийся как в формировании мирового
рынка труда, так и в развитии международных форм связей субъектов рынков.
Каждый исследователь, стараясь точнее и четче отразить специфику своего предмета исследования, предлагает собственное толкование сущности мирового рынка труда,
дает собственное определение. Однако все эти определения имеют общие и отличитель81
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2007. № 2(14)
ные черты. Представляется, что общность определений возникает как результат внутреннего единства всех объектов, наличия некоторого их общего начала, а отличия определений связаны с тем, что рассматриваются различные стороны этого общего, различные его
свойства и их проявления.
Так, одни авторы полагают, что мировой рынок труда – это «экономическое пространство мира, не имеющее четко обозначенных государственных или региональных
границ, формирующееся и развивающееся за счет международных миграционных процессов, в первую очередь в результате экспорта и импорта иностранной рабочей силы» [2].
Другие считают, что при рассмотрении сущности мирового рынка труда, помимо
предложения и спроса на иностранную рабочую силу в тех или иных регионах мира, необходимо учитывать влияние мировой динамики в политических, демографических и других процессах [3]. Третьи утверждают, что современный мировой рынок труда – это «новое качественное развитие рынка рабочей силы в условиях усиливающихся процессов интернационализации производства и роста общения между народами»; «наднациональное
образование, где на постоянной основе выступают покупатели и продавцы заграничной
рабочей силы, участвующие в процессе отбора необходимой рабочей силы в рамках межгосударственного регулирования спроса – предложения рабочей силы» [4]. Достаточно
распространен и институциональный подход, согласно которому мировой рынок труда –
это «система экономических механизмов, норм, инструментов, обеспечивающих взаимодействие спроса на труд и его предложения на межгосударственном уровне» [5].
По мнению автора, общность всех подходов к исследованию сущности мирового
рынка труда проявляется как в том, что основу современного мирового рынка труда формируют межстрановые потоки рабочей силы, так и в том, что конкретный практический
результат этих исследований видится в определении масштабов и потоков международной
миграции, а также в разработке действенного механизма ее регулирования и контроля.
Таким образом, можно сделать вывод, что отличия связаны прежде всего с дисциплинарным аспектом исследования проблематики мирового рынка труда. В одних случаях
подчеркивается значение экономических факторов, в других – социальных, в третьих –
политических.
По мнению автора, основные воздействия на процесс формирования и развития
мирового рынка труда идут от экономики. Без учета экономической составляющей утрачивает смысл основной постулат, подтверждающий объективный характер формирования
мирового рынка труда как неизбежного и прогрессивного процесса, хотя и крайне противоречивого.
С учетом проведенного исследования автор предлагает следующее определение.
Мировой рынок труда - это целостная система, опирающаяся на межстрановые потоки рабочей силы, ведущая к определенной утрате независимости стран и выражающая стремление экономически развитых государств ориентировать ее формирование в максимально
благоприятном для социально-экономической модели и конкретных интересов таких
стран направлении.
Как известно, движение рабочей силы на международном рынке труда осуществляется посредством трудовой миграции. Мировой миграционный процесс по содержанию и
массовости существенно отличается от аналогичных процессов середины XX столетия.
Главные его особенности заключаются в следующем.
Во-первых, миграция охватила все континенты, весь мир и обрела поистине глобальный характер. Численность международных мигрантов за 1965-2004 гг. увеличилась
более чем вдвое и на сегодняшний день оценивается примерно в 150 млн человек [6]. В
результате каждый десятый житель экономически развитых стран – мигрант, а направленность людских потоков позволяет говорить о существовании стран-доноров, странреципиентов и стран, одновременно выступающих в обеих этих ипостасях [7].
82
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2007. № 2(14)
При этом если в 50-70-х гг. миграция шла в основном из развивающихся стран в
индустриально развитые, то с 80-х гг. наблюдается и встречный миграционный процесс:
перемещение иностранной рабочей силы из более развитых стран в менее развитые.
Во-вторых, доминирующим мотивом трудовой миграции остается экономический.
В-третьих, миграции рабочей силы способствуют современные технологии производства, основанные на принципах международного разделения труда. Это связано прежде всего с деятельностью транснациональных компаний, организующих производство в
системе мирового хозяйства.
Лидером по привлечению иммигрантов в качестве рабочей силы является ЕС. При
этом «рекордсменом» по приему переселенцев является Испания (она принимает примерно 30% мигрантов, пересекающих границы ЕС). Происходящий в последнее время на фоне низкой рождаемости значительный рост населения страны в наибольшей степени связан с притоком мигрантов [8].
Таким образом, современная миграция является динамичной и сложной, что требует нового подхода от правительств разных стран к регулированию миграционных перемещений. Несмотря на большую экономическую и социальную значимость, трудовая миграция остается слабо изученной, а выводы исследователей зачастую носят противоречивый характер. С одной стороны, это можно объяснить тем, что миграционные процессы
влияют на различные стороны жизни общества, такие как экономика, социология, демография, политика, право, идеология, психология. С другой стороны, анализ размеров и
тенденций современной миграции осложнен несовершенством сбора информации, отсутствием надежных статистических показателей.
Кроме того, до настоящего времени недостаточно изученными остаются такие теоретические аспекты, как воздействие трудовой миграции (особенно международной) на
экономический потенциал страны, рынок труда и сферу занятости.
Данное обстоятельство предопределяет особую актуальность рассматриваемого
вопроса, тем более что в современной российской экономической литературе отсутствуют
комплексные исследования процессов трудовой миграции в России с учетом сложившейся миграционной ситуации на территориях страны. Единичные публикации по отдельным
вопросам миграции рабочей силы не дают полного представления о фактическом состоянии процессов в данной сфере, что ограничивает возможности осуществления адекватных
мероприятий государственной миграционной политики.
В связи с новизной для России возникающих в этой сфере проблем в центре внимания ученых и практиков находится миграционная ситуация в стране и ее влияние на
рынок труда и занятость населения.
Упоминая о новизне, автор имеет в виду тот фактор, что в России достаточно длительный период миграция большей части населения была ограничена (действием института прописки, статусом определенных категорий населения, отсутствием паспортов у колхозников, «железным занавесом» и т.д.). Кроме того, прежние идеологические стереотипы
ориентировали многих наших исследователей на поиски искусственно подобранных доказательств «порочности» международной миграции населения, в меньшей степени они занимались анализом реальных процессов, происходящих в мировой экономике.
В связи с этим огромное значение приобретает разработка и осуществление государственной миграционной политики России, создание условий для полноценного вхождения России в мировой рынок труда.
В своем Послании Федеральному Собранию Президент России В.В. Путин подчеркнул: «Что касается совершенствования миграционной политики, то приоритетом
здесь остается привлечение из-за рубежа наших соотечественников. При этом необходимо
все больше стимулировать приток в страну квалифицированной миграции, людей образо-
83
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2007. № 2(14)
ванных и законопослушных. Переезжающие в Россию люди должны с уважением относиться к российской культуре, к нашим национальным традициям» [9].
Проведенный автором анализ текущей миграционной ситуации в России и ее регионах позволил выявить следующие особенности:
1. Рост миграционной активности. Согласно цифрам официальной статистики, за
2006 г. число мигрантов внутри России увеличилось на 24,3 тыс. человек, или на 1,3 %, по
сравнению с предыдущим годом. При этом миграционный прирост населения России увеличился на 20,9 тыс. человек, или на 19,4 %.
На первый взгляд это может показаться некоторым стабилизирующим фактором,
однако направления миграционных потоков, их структура и качественный состав не отвечают стратегическим потребностям государства.
2. Миграция в Россию является важным фактором поддержания численности населения страны в условиях его естественной убыли. В 2006 г. было отмечено увеличение
миграционного прироста в обмене населением практически со всеми государствами - участниками СНГ, кроме Беларуси, Казахстана, Киргизии и Туркмении.
3. Продолжается стихийный отток населения Дальнего Востока, Крайнего Севера в
центральные регионы страны. Этот процесс усугубляет диспропорции регионального развития и превращается в фактор дисбаланса и рассредоточения рабочей силы.
4. Сохраняется значительная незаконная внешняя миграция, в том числе криминальная. По оценке Федеральной миграционной службы, в России проживает не менее
10 млн мигрантов, а по некоторым сведениям – 15 млн. При этом только 2 млн мигрантов
находятся в стране на законном основании, а официально платят налоги только 700 тыс.
иностранцев [10].
Проведенный анализ показал, что такое расхождение в количестве нелегальных
мигрантов объясняется разными подходами к их определению, поскольку нередко происходит смешение двух категорий: лиц, незаконно находящихся на территории РФ, и лиц,
прибывших законно, но работающих без разрешения миграционной службы. Так, большинство гастарбайтеров (так в средствах массовой информации именуют иностранных
работников) из Молдовы, Таджикистана, Украины приехали в Россию на законных основаниях, но незаконно трудятся. В то же время такие представители дальнего зарубежья,
как вьетнамцы и афганцы, остаются в России, въехав по туристической визе.
«Нелегалы» не платят налогов, не делают отчислений в страховые фонды и в результате сбивают уровень заработной платы, что негативно влияет на экономику и положение российских граждан. Как правило, эти явления сопровождаются втягиванием «нелегалов» в криминальные структуры.
За годы реформ наша страна вошла в число ведущих мировых центров иммиграции. В среднем в 1992-2002 гг. за год США «впитывали» 925 тыс. человек, Германия – 865
тыс. Для России данный показатель был на уровне 610 тыс.человек [11]. Таким образом,
можно утверждать, что в количественном плане эмиграция рабочей силы из России перекрывалась иммиграционным притоком, чего, однако, нельзя сказать о качественном соотношении указанных перемещений. Другими словами, участие России в мировом рынке
труда приняло достаточно уродливые формы, так как происходил активный отток высококвалифицированных кадров за рубеж. Как справедливо заметил А. Макарян, «утечка
умов» и межстрановая миграция специалистов – такова типичная характерная черта современного рынка труда России» [12].
Относительно последствий международной иммиграции необходимо сказать, что
мнения чрезвычайно разнообразны. Ряд исследователей видят в иммиграции единственный для нашей страны выход, благодаря которому в условиях естественной убыли коренного населения сохраняется неизменной его численность и тем самым обеспечивается необходимое для экономического роста количество рабочих рук. В связи с этим сложилось
84
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2007. № 2(14)
мнение, что использование иностранных рабочих содействует хозяйственному развитию
стран-реципиентов, помогая многим из них совершить «экономическое чудо» [13].
Их оппоненты придерживаются прямо противоположной точки зрения. Они убеждены, что появление у нас большого числа мигрантов наносит вред экономическому развитию России [11]. Существуют и более взвешенные взгляды на эту проблему, сводящиеся к утверждению, что в XXI в. реальный выбор для России состоит не в том, быть или не
быть иммиграции, а в том, в какой форме - легальной или нелегальной - она появится на
рынке труда страны, каковы качество и структура привлекаемой рабочей силы. В первом
случае страна приобретет дополнительные перспективы, а во втором - наоборот, столкнется с серьезными трудностями [2].
Для подкрепления данного постулата обычно обращаются к послевоенному опыту
стран Западной Европы, в частности Германии, где мигранты из Турции внесли определенный вклад в развитие экономики.
Возможно, данное утверждение в основе своей справедливо, но требует более рациональных подходов. Как показывает мировая практика, проблемы экономического и
демографического развития страны нельзя решить за счет иностранцев. Поэтому выход из
создавшейся ситуации, с одной стороны, банально прост, а с другой – чрезвычайно сложен: повышение уровня благосостояния граждан и рождаемости населения на базе эффективных программ социального развития. В этом процессе президентским национальным проектам принадлежит решающая роль. Их реализация – приоритетная долгосрочная
задача. Подтверждение этому – Программа социально-экономического развития РФ на
2006-2008 гг., где политика по реализации приоритетных национальных проектов в сфере
здравоохранения, образования, обеспечения жильем населения, развития агропромышленного комплекса названа в качестве ориентира на данный период [14].
Что касается последствий эмиграции из России человеческих ресурсов, то автор
убежден, что любые (как в количественном, так и в качественном отношении) потери
людских ресурсов, причем независимо от конкретных причин, способны обернуться для
страны комплексом серьезных социально-экономических и геополитических проблем,
привести к дестабилизации сферы занятости. Ситуация осложняется еще и тем, что среди
трудовых мигрантов из России значительна доля ученых, инженерно-технических работников, программистов, потенциальных специалистов (аспирантов, студентов), которые
составляют до 1/3 всех эмигрантов. Убытки, связанные с «утечкой умов», огромны и оцениваются специалистами в 45 млрд долл. в год [15].
Поэтому так важно уже сейчас сконцентрировать внимание ученых-экономистов
на малоизученных вопросах эмиграции и ее последствиях для России.
Зарубежная и отечественная практика свидетельствует, что для решения поставленных проблем трудовой миграции необходима эффективная миграционная политика,
которая должна быть нацелена на то, чтобы воздействовать на динамику человеческого
потенциала, направления миграции населения и интеграцию трудовых мигрантов с учетом
интересов пространственного развития страны. При этом для регулирования миграционных потоков могут быть использованы различные экономические, административные и
социально-психологические методы.
Безусловно, разные авторы предлагают по-разному расставить акценты при проведении государственной миграционной политики. Одни делают упор на необходимость
значительного увеличения бюджетных ресурсов, другие, апеллируя к ошибкам прежнего
руководства и его излишнему либерализму, предлагают в рамках имеющегося бюджетного финансирования усилить контроль за миграцией со стороны надзорных органов. Особняком стоят авторы из числа правозащитников, обращающие внимание на общую ограничительную направленность реальных миграционных потоков. Но в целом существующие
представления основаны на признании «ненормальности» сложившейся ситуации с ми-
85
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2007. № 2(14)
грантами и ее определенной "нормализации" за последнее время. Данный факт признают
и федеральные чиновники. Так, на заседании Правительства РФ 09.03.2007 г. М. Фрадков
дал положительную оценку работе кабинета министров по регулированию внешней трудовой миграции: «Можно сказать, что первоначальный этап мы прошли неплохо и достаточно организованно». Как отметил премьер, в результате постоянного мониторинга, который был организован Правительством РФ во взаимодействии с субъектами Федерации,
«мы чувствуем, что начинаем вытягивать целую цепочку вопросов занятости в широком
смысле… В этом - ключ к успеху всего дела» [16].
Таким образом, стратегию действий государства в сфере регулирования миграции
необходимо рассматривать в контексте общенациональной цели: безопасности и благополучия человека, построения сильного и самостоятельного государства.
Проведенное исследование позволяет сделать следующие выводы:
1. Проблема формирования концептуальных основ государственной политики на
рынке труда является для России фундаментальной, требует как теоретического осмысления, так и методических разработок, на основе которых возможна ее реализация. Поэтому
одним из основных шагов, которые необходимо сделать в рамках экономической теории,
является создание единой концепции, обеспечивающей совместимость западной и отечественной теорий рынка труда.
2. Современный этап развития российской экономики характеризуется усилением
ее интеграции в мировое хозяйство. Это дает нашей стране как новые шансы для развития,
так и неизвестные ранее риски и проблемы. Одно из самых ярких проявлений активного
включения России в мировой рынок труда и глобальную экономику – значительные по
своим масштабам объемы экспорта и импорта рабочей силы.
3. Выбор конкретных вариантов модернизации национальной экономики России в
условиях глобализации хозяйственных процессов обусловливает необходимость объективного научного раскрытия природы мирового рынка труда и анализа его фактически
сложившейся модели. Решение соответствующих теоретических задач – обязательная
предпосылка полноценного включения России в мировой рынок труда.
4. Миграционные процессы играют исключительно важную роль в экономическом
развитии страны, а миграционная политика является одним из важнейших направлений
государственной социально-экономической политики. Проблемы, связанные с трудовой
миграцией, становятся все более актуальными для России. Отсутствие жесткого регулирования оттока и притока рабочей силы обусловило во многом стихийный характер ее интеграции в мировой рынок труда, что привело к серьезным негативным последствиям.
5. Нелегальная миграция является особой проблемой, масштабной и не имеющей
тенденции к снижению. Россия стоит перед необходимостью не только совершенствовать
миграционное законодательство и ограничивать прибытие в страну нелегальной рабочей
силы, но и проводить активную социальную политику, способствуя адаптации иммигрантов и повышению их общеобразовательного, квалификационно-профессионального
и культурного уровней.
6. Проблемы миграции сложны, факторы, влияющие на ее структуру и темпы,
весьма многообразны; соответственно управление этой сферой требует системного и комплексного подхода. Происходящие в настоящее время изменения на рынке труда в России
требуют пересмотра теоретической базы реализации миграционной политики, поиска адекватных новым условиям концептуальных схем и моделей. Представляется, что без активных и системных мер по государственному регулированию миграционной политики
она качественно не изменится и не улучшит кардинальным образом российский рынок
труда, особенно в сфере наукоемких технологий, промышленного производства, рыночной инфраструктуры. Необходима разработка новой государственной миграционной стратегии, предусматривающей формирование комплексной программы действий по регули-
86
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2007. № 2(14)
рованию миграционного процесса в стране и ее регионах. При этом государственная политика по регулированию миграции может быть эффективна, если осуществляемые в ее
рамках действия разработаны в соответствии с правильно поставленными целями, трансформированы в конкретный набор адекватных мер, поддержаны соответствующими ресурсами, привязанными к институтам, способным достигать требуемых результатов. Совершенно очевидно, что в России назрел вопрос о разработке целостной системы государственного регулирования национального рынка труда с учетом влияния на него мирового
рынка труда. В связи с этим важнейшим направлением научных исследований в данной
сфере является изучение концептуальных и теоретико-практических связей между рынками труда на макро- и мегауровне.
7. Существующее в настоящее время в России законодательство в области регулирования внешней трудовой миграции нуждается в существенных изменениях и дополнениях. На сегодняшний день остро необходима разработка кодекса нормативно-правовых
актов, направленных на легализацию трудовой миграции, отмену морально устаревших
законов и приведение к единому знаменателю действующих.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
13.
14.
15.
16.
Ершов, М.В. Экономический суверенитет России в глобальной экономике / М.В. Ершов. – М.: Экономист, 2005. – С.7.
Ивахнюк, И.В. Международная трудовая миграция / И.В. Ивахнюк. - М.:ТЕИС, 2005. – С. 242, 270.
Ионцев, В.А. Международная миграция населения: теория и история изучения / В.А. Ионцев. – М.: Диалог-МГУ, 1999. – С. 93.
Мировой рынок труда: новая реальность для России и СНГ / под ред. Р.И. Цвылева. – М.: Наука, 1994. –
С. 7-8.
Мировая экономика / под ред. И.П. Николаевой. – М.: ЮНИТИ, 2000. – С. 256.
Клавдиенко, В. Государственное регулирование в экономике (некоторые аспекты теории и мировой
опыт) / В. Клавдиенко // Проблемы теории и практики управления. - 2005.- № 6. – С. 35.
Лундестад, Г. Восток, Запад, Север, Юг. Основные направления международной политики / Г. Лундестад. – М., 2002. – С. 42.
Хенкин, С. Иммиграционный вызов: испанский случай / С. Хенкин // МЭМО. - 2006. – № 7. – С. 117.
Послание Президента РФ Федеральному Собранию РФ от 10.05.2006 г. / Российская газ. – 2006. – 11
мая (№ 97). – С. 2.
Коршунов, А. Гастарбайтерам везде у нас дорога / А. Коршунов // Экономика и жизнь. – 2006. - № 30. –
С. 7.
Орешкин, В. Россия и международная миграция трудовых ресурсов / В. Орешкин // Мировая экономика
и международные отношения. – 2004. – С.76, 79.
Макарян, А.С. Глобализация и человеческий потенциал: демографическое измерение (международный
аспект) / А.С. Макарян. – М.: Экономика, 2003. – С. 51.
Зайончковская, Ж. Нормальной миграции люди не замечают / Ж. Зайончковская // Известия. – 2003. –
13 февраля. – С. 3.
Распоряжение Правительства РФ от 19.01.2006 г. № 38-р «Об утверждении Программы социальноэкономического развития РФ на среднесрочную перспективу (2006-2008 гг.) и плана действий Правительства РФ по реализации в 2006 г. положений Программы социально-экономического развития РФ на
среднесрочную перспективу (2006-2008 гг.)» / Собрание законодательства РФ. – 2006. – 30 янв. (№ 5). –
Ст. 589.
Россия в современном мировом хозяйстве. – М., 2003. – С. 149-150.
http://www.parlcom.ru
Материал поступил в редколлегию 28.03.07.
87
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ISBN 5-89838-272-0
Вестник Брянского государственного технического университета. 2007. № 2(14)
ОБРАЗОВАНИЕ
УДК 378.147:515
Е.В.Афонина
ОСОБЕННОСТИ ПРЕПОДАВАНИЯ ГРАФО-ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ
ДИСЦИПЛИН В ТЕХНИЧЕСКОМ ВУЗЕ
Рассматриваются отдельные аспекты преподавания графо-геометрических дисциплин в современном
техническом университете. Приводятся некоторые рекомендации по улучшению качества подготовки специалистов и совершенствованию преподавания дисциплин инженерно-графического цикла на основе опыта
работы кафедры «Начертательная геометрия и графика» БГТУ.
Начертательная геометрия и инженерная графика являются дисциплинами, составляющими общетехническую подготовку инженеров различных отраслей техники. Теоретической основой курса «Инженерная графика» служит начертательная геометрия, являющаяся одной из фундаментальных наук. Графические дисциплины учат будущих специалистов проективному воображению, оперированию мысленными образами, владению
языком техники – чертежом, способствуют раскрытию творческого потенциала первокурсников.
В настоящее время подготовленный и востребованный на рынке инженерного труда
специалист должен обладать не только знаниями и умениями в соответствующей предметно-отраслевой области. Большое значение имеет способность выпускника технического вуза работать в различных структурных подразделениях предприятия, быстро адаптироваться к специфическим требованиям рабочего места, способность и желание постоянно учиться.
Поэтому главной задачей преподавателя становится не просто передача знаний ученику, а формирование у него способностей и стремления самостоятельно получать знания,
умения и навыки. Необходимо разработать такие методы преподавания и методический
материал, чтобы стимулировать интеллектуальные способности студента, заставить его
работать с лекциями, учебником, справочниками, пробудить его интерес к предмету с целью максимального овладения теоретическими и практическими знаниями по инженерной
графике, компьютерной геометрии и графике, геометрическому моделированию.
Преподавание графо-геометрических дисциплин в вузе осложняется рядом негативных факторов.
1. Недостаточная базовая (школьная) подготовка по черчению и геометрии, плохо
развитые пространственное и логическое мышление, образное воображение.
На первом занятии по инженерной графике проводится, как правило, входной контроль знаний. Как показывает проверка работ, знания первокурсников составляют
10-15 % от общего объема материала школьного учебника «Черчение» за 9 класс. У многих отсутствуют элементарные знания по черчению. Осознание студентом своего низкого уровня подготовки резко снижает мотивацию к обучению графо-геометрическим дисциплинам. Предусмотреть в рабочей программе часть занятий для коррекции геометрографических знаний не представляется возможным из-за дефицита часов как на аудиторную, так и на самостоятельную работу.
2. Сокращение количества аудиторных часов на изучение начертательной геометрии и других общетехнических дисциплин.
Из 32 специальностей нашего университета, в учебных планах которых предусмотрена дисциплина «Начертательная геометрия. Инженерная и компьютерная графика», 6
специальностей изучают предмет за 1 семестр, 8 – фактически за 1,5 семестра: в первом
88
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ISBN 5-89838-272-0
Вестник Брянского государственного технического университета. 2007. № 2(14)
семестре предусмотрено 34 часа практических занятий (каждую неделю), во втором – 17
(один раз в две недели). Такая ситуация приводит к тому, что ряд тем излагается и усваивается лишь на уровне понятий.
Сокращение количества часов на аудиторную и самостоятельную работу при одновременном сохранении общего объема знаний, умений и навыков, которыми должен овладеть студент при изучении дисциплины, требует от преподавателей кафедры особого
мастерства.
3. Затрудненная социально-психологическая, организационная и профессиональная адаптация первокурсников к условиям обучения в вузе (различие в методах преподавания и контроля в школе и вузе, новый коллектив, новая территория, бытовые условия,
периодические стрессы и т.д.).
Сократить сроки адаптации и снизить её негативное влияние помогает активное вовлечение первокурсников в научную и внеучебную жизнь университета.
4. Чтение лекций в больших потоках (≈120…140 чел.).
Поток иногда составляют специальности, для которых содержание данной дисциплины в Государственных образовательных стандартах существенно различается.
Другим негативным фактором является неподготовленность первокурсников – вчерашних школьников – к восприятию информации в большом коллективе, где отсутствует
индивидуальный подход; темп чтения, метод подачи информации ориентированы на
среднего студента.
Затрудняет усвоение учебного материала однонаправленность передачи информации. Как правило, лекция – это монолог.
Преподавателю для изложения всего теоретического материала, предусмотренного
Государственным стандартом по курсу «Начертательная геометрия. Инженерная и компьютерная графика», отводится 8-9 лекций. В таких условиях задача сводится к интенсификации процесса обучения: тщательно подобрать и уплотнить информацию, при этом
сделав ее доступной для понимания и запоминания.
Повысить эффективность проведения лекции могут следующие приёмы.
1. Выработка у студентов положительного отношения к учебному предмету. Положительное отношение формируется путем повышения мотивации и активного участия в
освоении дисциплины. Для студентов всегда важен ответ на вопрос: «Зачем это нужно?».
Преподавателю необходимо приводить примеры связи изучаемого предмета с предстоящими и параллельно изучаемыми дисциплинами, со специальностью в целом, уделять
внимание прикладным вопросам геометрии и графики. Немаловажное значение в процессе формирования отношения к предмету имеет собственно личность лектора: его пунктуальность, подготовленность к чтению лекции, эрудиция, внешний вид, манера ведения
лекции и разговора со студентами.
2. Для увеличения насыщенности лекции информацией в начертательной геометрии для записи алгоритмов решения типовых задач используют алгоритмические символы, или знаки, и инициальные аббревиатуры. Используя подобные виды сокращений,
можно записывать достаточно большие информационные блоки. Важное значение имеет
цветовая кодировка – выделение цветом определенных линий при решении задач. Так как
линии в задачах пересекаются и накладываются друг на друга, лекторы используют цветной мел для иллюстрации решения задач на доске. Преподаватели, как правило, настаивают на оформлении студентами задач по начертательной геометрии карандашами разных цветов (как в лекциях, так и в индивидуальных заданиях) и объясняют целесообразность такого оформления.
3. Важным направлением в разработке методов повышения эффективности усвоения лекционного материала является использование технических средств обучения.
89
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ISBN 5-89838-272-0
Вестник Брянского государственного технического университета. 2007. № 2(14)
Преподаватели, работающие с небольшими потоками (как правило, на старших курсах), имеют возможность проводить лекции с помощью проектора в специализированных
аудиториях.
Для проведения лекции на современном уровне в большом потоке студентов от преподавателя потребуется переработка лекционного курса и построение его в форме презентации или любым иным образом, но так, чтобы слушателям материал был преподнесен в
простой и понятной форме. Краткий конспект в качестве раздаточного материала, содержащий основные понятия, заготовки рисунков, существенно сэкономит время на лекции.
Студент сможет дополнить во время лекции конспект своими записями, рисунками. Проведение таких лекций возможно при наличии оборудованных техническими средствами
поточных аудиторий.
Качественно улучшить процесс обучения графическим дисциплинам позволяет применение машинной (компьютерной) графики.
Компьютерные технологии являются мощным инструментом реализации методов
геометрии и графики. Вычислительная техника позволяет моделировать практически любые конструкции, практика проектирования на предприятиях и в фирмах полностью ориентирована на компьютерные методы построения чертежа.
С целью освоения студентами современных технологий проектирования преподавание раздела «Инженерная и компьютерная графика» дисциплины «Начертательная геометрия. Инженерная и компьютерная графика» на кафедре «Начертательная геометрия и
графика» БГТУ ведется с использованием системы «Компас-3D», разработанной российской компанией АСКОН. Система – с русским интерфейсом, полной поддержкой российских стандартов – предназначена для выполнения конструкторских и ряда технологических работ различного уровня сложности.
Традиционные задания курса «Инженерная графика» в настоящее время получили
новое наполнение. Как показывает практика, даже слабые студенты на занятиях по компьютерной графике работают с большим интересом. Особое значение имеет возможность
рассматривать с разных сторон построенную модель. Умение строить 3D- модели формируется за 2-3 занятия. Построение проекций, разрезов и сечений по 3D-модели в значительной степени автоматизировано (переход от объемной модели к плоскому чертежу),
поэтому, работая с двумерным чертежом, студенту легче выполнить обратную задачу –
мысленно представить геометрическую форму объекта. Таким образом, 3D-технологии
способствуют развитию пространственного восприятия объекта, в том числе у студентов
со слабой общей подготовкой.
Приобретение студентом навыков выполнения конструкторских работ с использованием автоматизированных систем подготовки чертежно-графической документации повышает его квалификацию как технического специалиста ([1, 2]).
Большое значение в совершенствовании подготовки специалистов имеет кружковая
и факультативная работа. Весь учебный год на кафедре ведется подготовка наиболее талантливых и заинтересованных студентов к участию в городских, областных и всероссийских олимпиадах. Нередко студенты нашего университета становятся призерами и победителями всероссийских и международных олимпиад по дисциплинам инженернографического цикла ([3]).
Совершенствование методики обучения – процесс непрерывный. Развитие графогеометрического образования в высшей школе, а также качество подготовки специалистов
инженерно-технического профиля зависит от многих составляющих. В качестве основных, нуждающихся в постоянном совершенствовании, необходимо выделить следующие:
− повышение научно-педагогической квалификации преподавателей. Переход к
электронному документообороту на предприятиях, практически полная автоматизация
проектно-конструкторских работ обязывает преподавателей высшей школы осваивать не
90
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ISBN 5-89838-272-0
Вестник Брянского государственного технического университета. 2007. № 2(14)
только получившие распространение графические системы КОМПАС и AutoCAD, но и
программы, предоставляющие возможность визуализации графических объектов;
− развитие материально-технической базы кафедры (оснащение современной техникой компьютерных классов, специализированных аудиторий);
− обновление научно-методического обеспечения учебного процесса (учебники,
наглядные пособия, методические указания, раздаточный материал, доступность справочников и ГОСТов);
− уровень взаимодействия кафедры «Начертательная геометрия и графика» с выпускающими кафедрами университета (должна присутствовать заинтересованность преподавателей выпускающих кафедр в быстрой профессиональной адаптации вчерашних
школьников, скорейшем включении их в учебный процесс, полноте освоения студентами
их специальности дисциплин инженерно-графического цикла);
− разработка программ и заданий учебного курса в зависимости от объема часов и
содержания дисциплины, регламентируемых ГОСами.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1.
2.
3.
Горшков, Г.Ф. Структура инновационной программы по «Инженерной геометрии» как идеальное представление опережающего развития инженерного геометрического образования / Г.Ф.Горшков,
В.И.Якунин // Актуальные проблемы графической подготовки в высшем профессиональном образовании: тез. докл. Всерос. совещания зав. каф. инж.-граф. дисциплин вузов РФ, 6–9 июня 2005 г. – Пермь:
Изд-во Перм. гос. техн. ун-та, 2005. – С. 7–9.
Ротков, С.И. Направления развития инженерной геометрии и компьютерной графики / С.И. Ротков //
Актуальные проблемы графической подготовки в высшем профессиональном образовании: тез. докл.
Всерос. совещания зав. каф. инж.-граф. дисциплин вузов РФ, 6–9 июня 2005 г. – Пермь: Изд-во Перм.
гос. техн. ун-та, 2005. – С. 24–26.
Герасимов, В.А. Всероссийские олимпиады по начертательной геометрии, инженерной и компьютерной графике в Брянском государственном техническом университете / В.А.Герасимов, А.В. Щеглова //
Качество инженерного образования: материалы 2-й междунар. науч.-метод. конф., 17–18 марта 2005 г. –
Брянск: БГТУ, 2005. – С. 170–172.
Материал поступил в редколлегию 20.02.07.
91
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ISBN 5-89838-272-0
Вестник Брянского государственного технического университета. 2007. № 2(14)
Афонина Елена Владимировна, канд.техн.наук, зав. кафедрой «Начертательная геометрия
и графика» БГТУ
Afonina E.V. Some aspects of teaching of graphic-geometrical disciplines at modern technical
university.
Separate aspects of teaching of graphic-geometrical disciplines at modern technical university
are considered. Some recommendations on improvement of quality of preparation of experts and
perfection of teaching of disciplines of an engineering-graphic cycle on the basis of an operational experience of faculty « Descriptive geometry and the schedule» are resulted.
92
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ISBN 5-89838-272-0
Вестник Брянского государственного технического университета. 2007. № 2(14)
УДК 42.07
И.В. Матюшина
КОМБИНАТОРНЫЕ СВОЙСТВА ЭЛЕМЕНТОВ КОНСТРУКЦИИ «ГЛАГОЛ В
НЕЛИЧНОЙ ФОРМЕ + ХАРАКТЕРИЗАТОР»
Определяется степень влияния морфолого-синтаксических характеристик элементов конструкции
«глагол в неличной форме + характеризатор» на комбинаторные свойства этих элементов. С помощью
метода корреляционного анализа выявляются статистически значимые корреляции разноуровневых
признаков у элементов анализируемой конструкции.
Элементы различных участков языковой системы, носящие переходный характер и
отличающиеся неясным статусом на фоне достаточно однозначно группируемых единиц и
признаков, представляют особый интерес для исследователей. Чрезвычайно большое
количество классификаций, выполненных для группировки и упорядочения этих
элементов, свидетельствует о том, что такие проявления синкретизма в языковой системе
по-прежнему попадают в центр лингвистических изысканий. Интерес к предложноименным сочетаниям с локативными предлогами в современном английском языке
объясняется не только их промежуточным статусом (эти формы структурно трактуются
как предложное дополнение, обстоятельство, обстоятельственное дополнение или
объектное обстоятельство), но и стремлением исследователей выявить диапазон
синкретизма в языковой системе и возможности сочетания свойств языковых единиц на
границе разных областей.
В большинстве случаев исследование данной синкретичной позиции, совмещающей
в себе признаки косвенного дополнения и обстоятельства места, проводилось в плане
выявления дифференциальных признаков, которые позволили бы разграничивать
косвенное (предложное) дополнение и обстоятельство (обстоятельство места,
обстоятельственное дополнение, объектное обстоятельство). Представляется более
целесообразным рассматривать анализируемую синтаксическую позицию, именуемую
характеризатором глагольного действия, не с целью разграничения в ней обстоятельства
места и дополнения, но как элемент целостного объекта в составе глагольно-именной
конструкции, представленной инвариантной моделью V+Ch, где V – ведущий элемент
конструкции, глагольное слово, Ch – зависимый элемент, характеризатор действия.
Комплексное изучение взаимодействия и взаимовлияния различных элементов
анализируемой конструкции предполагает определение соотношений структурносемантических признаков предложно-именного сочетания с локативным предлогом в
глагольной конструкции указанного вида на морфологическом, синтаксическом и лексикосемантическом уровнях описания [4]. В ряде случаев для удобства анализа к
исследованию также привлекается характеризатор, выраженный наречием.
Морфолого-синтаксическая
и
семантическая
обусловленность
элементов
анализируемой конструкции выявляется в ходе исследования статистически значимых и
лингвистически релевантных корреляций между признаками различных элементов
конструкции на морфолого-синтаксическом и семантическом уровнях [2].
Соотнесение групп признаков на большом эмпирическом материале и выявление
релевантности
устанавливаемых
зависимостей
осуществляется
при
помощи
коэффициента корреляции Коула, который позволяет эксплицировать наличие или
отсутствие статистически значимой зависимости между исследуемыми признаками[5].
Механизм взаимодействия этих признаков выявляется при помощи метода
корреляционного анализа, систематически применяемого к речевым данным.
Инвариантная конструкция «глагол + характеризатор» и два ее основных варианта –
92
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ISBN 5-89838-272-0
Вестник Брянского государственного технического университета. 2007. № 2(14)
«глагол в личной форме + характеризатор» (модель V f + Ch) и «глагол в неличной форме +
характеризатор» (модель V nf + Ch) – могут быть расширены путем введения других
синтаксических элементов с образованием при этом новых структурных вариантов
моделей V f + Ch и V nf + Ch.
Задача данной статьи – определить степень влияния морфолого-синтаксических
характеристик элементов конструкции «глагол в неличной форме + характеризатор» на
комбинаторные свойства этих элементов.
Морфолого-синтаксическая обусловленность синтагматических свойств элементов
конструкции «глагол в личной форме + характеризатор действия» анализировалась
автором ранее [3].
Морфологические (видовые и залоговые) особенности вербалий являются
нерелевантными для данного анализа ввиду их крайне редкой употребительности в
составе модели V nf + Ch, поэтому в дальнейшем простые и сложные морфологические
формы вербалий не дифференцируются.
Комбинаторика вербалий и характеризатора рассматривается в каждой из
выполняемых неличной формой синтаксических функций.
С целью определения степени влияния глагольного элемента конструкции на
синтагматические особенности характеризатора к исследованию привлекается ряд
морфолого-синтаксических признаков глагола: принадлежность к определенному
парадигматическому разряду (инфинитив, первое и второе причастия, герундий), способ
распространения глагольного элемента конструкции, тип характеризатора (предложноименной, адвербиальный, совмещение обоих типов),синтаксические функции,
местоположение и количество элементов распространения глагольного и субстантивного
компонентов конструкции.
Анализу подвергаются два варианта модели V nf + Ch: V nf + pN и V nf + Adv.
Mодель V nf + pN
Рассматриваются структурные варианты данной модели, образуемые причастием 1,
герундием, причастием 2 и инфинитивом во всех синтаксических функциях.
На примере этой модели определяется, в какой мере морфологическая форма
основного разряда влияет на объем и количество структурных вариантов модели.
Mодификация осуществляется с помощью процессов расширения и развертывания.
Известно, что расширение – это добавление к одной синтаксической единице других
синтаксических единиц, имеющих с первой одинаковый синтаксический cтатус [1, с.214].
С учетом семантики элементов расширения взаимные отношения между ними могут
квалифицироваться как аддитивные и спецификативные.
Первые предполагают самостоятельность каждого из элементов расширения и его
смысловую и синтаксическую независимость от соседних элементов, с которыми он
связан лишь общностью синтаксической позиции. Вторые предполагают уточнение,
смысловое развитие одного элемента другим.
Поскольку для данного исследования лексико-семантические отношения элементов
глагольной синтагмы являются нерелевантными, расширение не разделяется здесь на два
его вида – аддицию и спецификацию. Рассматриваются элементы, связанные
отношениями расширения, как последовательность синтаксических элементов общего
синтаксического статуса и синтаксической связи [1, с.215].
Процесс расширения изменяет структуру модели V nf + pN, содержащей любой из
локативных предлогов. Характеризатор, выраженный предложно-именным сочетанием,
может быть расширен за счет такого же характеризатора, связанного с первым
последовательной связью либо синтаксически автономного по отношению к нему.
Элементы расширения могут быть разнооформленными, т.е. характеризатор, выраженный
предложно-именным сочетанием, может расширяться за счет другого, выраженного
93
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ISBN 5-89838-272-0
Вестник Брянского государственного технического университета. 2007. № 2(14)
наречием.
В процессе развертывания происходит модификация одного элемента предложения
другим, занимающим по отношению к нему подчиненное положение. В пределах одной
группы возможно последовательное многократное развертывание.
V P + pN
Наибольшее число моделей причастие 1 образует в функции обстоятельства. В этих
моделях типовое трехчленное словосочетание V PD + pN подвергается дальнейшему
распространению компонентами объектного, обстоятельственного и атрибутивного
характера (здесь и далее приняты следующие обозначения синтаксических функций
вербалий: D – обстоятельство, A – определение, O – дополнение, CO – часть сложного
дополнения, AC – часть абсолютной причастной конструкции, Pr – часть сказуемого, S –
подлежащее).
Глагольный элемент подвергается развертыванию объектным элементом,
выраженным существительным или местоимением в позиции прямого или косвенного
дополнения:
Jimmy looked at him for one moment, furious and impotent, then without another word,
flung out of the room, slamming the door behind him [16, p.203].
При развертывании объектного компонента модели образуются следующие
структурные варианты:V PD Prn N pN, V PD Adj N рN, V PD Prn Adj N pN.
Модификация модели V PD + pN предусматривает также включение в ее состав
адвербиального компонента, распространяющего глагол:
V PD Adv pN
«I don't know», she said, glaring dangerously into his face with an expression that looked
sickly-eyed [24, p 31].
Именной компонент модели распространяется различного рода определениями,
выраженными прилагательными, притяжательными или указательными местоимениями,
существительными, предложно-именными сочетаниями, причастиями, порядковыми
числительными:
...he had become an athlete of the clock, bending odd hours into an unprecedented and
unsuspected second life [26, p.10].
Образующаяся в результате модификации конструкции V PD + рN причастная
синтагма строится по формулам V PD p Adj N, V PD p Prn N, V PD p N N, V PD p V P N pN, V PD
p V en V en Num N.
Определительный элемент может быть расширен:
It stood right at the sea-wardmost end, apparently leaning against an old cannon barrel
[12, p.11].
Синтаксическая конструкция с причастием 1 – атрибутом в роли ядра
подчинительного словосочетания – строится по модели V PA + pN. Модификация V PA p
Adj N следует за этой моделью по частоте употребления. Определение к компоненту N
выражается не только прилагательным, но и другими частями речи. Нижеследующие
варианты распространения конструкции «причастие 1 в атрибутивной функции +
предложно-именное сочетание» приведены в порядке частоты их употребления: V PA p Adj
N, V PA p Prn N, V PA pN N, V PA pN pN, V PA p V P N, V PA p V en N.
Развертывание глагольного элемента объектным и определение последнего влечет за
собой следующие модификации модели V PA + pN:
V PA N pN
20 October 1975: spoke to Jake. Very bitter, spewing venom in all directions [9, p.136].
V PA Prn Adj N pN
Calvinists like themselves... – with no priest, no ritual, no festivals, no ornament of any
kind, nothing but the Lord's Supper and the exposition of Holy Scripture drawing these austere
94
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ISBN 5-89838-272-0
Вестник Брянского государственного технического университета. 2007. № 2(14)
spirits into any sort of cohesion [13, p.10].
V PA N N pN pN
«God is a force throwing man's centre of gravity out of his own body» [16, p.128].
В составе абсолютной причастной конструкции причастие 1 образует модель V PАС +
pN, имеющую несколько структурных вариантов, число которых намного уступает
количеству моделей с атрибутивным причастием 1.
Наиболее употребителен структурный вариант, в котором именной компонент
определяется притяжательным местоимением:
V PAC p Prn N
...men stood before one another in primeval strength, the blood burning in their veins...
[16, p.57].
По частоте употребления этой модели уступает структурный вариант V PAC Adv pN, в
котором глагольный компонент подвергается развертыванию обстоятельственным,
выраженным наречием (как правило, это обстоятельство образа действия):
She leaned a little towards him, her dark and shining eyes gazing passionately into his, her
mouth a little open with desire [17, p.5].
Модель, в которой причастие распространяется объектным элементом, представлена
незначительным количеством примеров:
V PAC N pN
They turned and followed her past a deserted playground, one of them bump-bumping a
stick along an iron fence, the other whistling [10, p.102].
Являясь частью сложного дополнения, причастие 1 участвует в построении
причастной синтагмы по моделям V PCO pN, V PCO Prn N pN, V PCO pN pN, V PCO p Adj N,
V PCO p Prn N, V PCO Adv pN, представляющим собой структурные варианты модели V PCO +
рN:
She felt the tight mask of charm fitting across her face... [26, p.58].
Конструкция с причастием в любой синтаксической функции может
распространяться за счет расширения одного из элементов конструкции – характеризатора,
к которому прибавляется другой характеризатор, выраженный, как правило, предложноименным сочетанием:
I watched until they had galloped out of sight and until the noise of hoofbeats faded into a
soft dim drumming behind me in town [25, p.21].
Корреляционный анализ свойств сочетаемости причастия 1 выявил следующее:
данная морфологическая форма во всех синтаксических функциях не обнаруживает
положительной, статистически значимой корреляции с элементами глагольного и
субстантивного расширения, однако положительно коррелирует с таким признаком, как
количество элементов расширения характеризатора (коэффициент корреляции причастия 1
с четырьмя элементами расширения правостороннего именного компонента – 0,18).
V G + pN
Изучая комбинаторные свойства элементов конструкции «герундий + предложноименное сочетание», ограничимся рассмотрением тех синтаксических функций герундия,
которые не совпадают с функциями, выполняемыми причастием 1.
В функции предикатива герундий в сочетании с характеризатором – довольно редкое
явление. В таком случае ему часто предшествует like, и аппозитивное значение герундия
эксплицируется путем сравнения:
It was like throwing a lighted match into a gasoline tank [9, p.80].
Гораздо более употребителен герундий в сочетании с характеризатором в функции
части составного глагольного аспектного сказуемого. Возможности сочетаемости герундия
в этой функции представлены в следующих моделях: V GPr p Adj N, V GPr p Prn N, V GPr pV en
N pN.
95
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ISBN 5-89838-272-0
Вестник Брянского государственного технического университета. 2007. № 2(14)
Так же как и в конструкциях с причастием 1, глагольный элемент может
развертываться объектным элементом, сочетаться с наречием, выступать в функции
прямого или косвенного дополнения: V GPr Prn pN, V GPr Prn N рN, V GPr Adv pN, V GO p Prn
N, V GO N pN.
Корреляционный анализ синтагматических свойств герундия позволил установить
следующее: данная морфологическая форма не обнаруживает взаимосвязи с такими
признаками структурной модификации модели V G + pN, как субстантивное расширение и
количество элементов в расширении характеризатора, однако положительно коррелирует с
признаком «расширение глагольного элемента» (коэффициент корреляции с предложным
дополнением – 0,09, сочетанием косвенного и предложного дополнений – 0,08).
Анализ комбинаторных свойств –ing-формы позволяет сделать вывод о том, что
наибольшее число моделей сочетаемости –ing-форма образует в синтаксической позиции
обстоятельства, наименьшее – в позиции подлежащего. При этом основные структурные
варианты моделей V P + pN и V G + pN тождественны между собой, однако по количеству
образуемых вариантов и их объему различаются:
1) причастная форма в 3 раза превосходит герундиальную по количеству образуемых
структурных вариантов;
2) разные коэффициенты корреляции анализируемых морфологических форм с
элементами синтаксического распространения исходных моделей свидетельствуют о
разных возможностях сочетаемости причастия 1 и герундия.
В исследованных моделях сочетаемости –ing-формы она проявляет такие же
синтагматические свойства, которые свойственны глаголу в личной форме, а компоненты
Ch, N и Adv в моделях V f + Ch, V ing + Ch и их вариантах могут рассматриваться в
качестве функциональных вариантов, т.е. –ing-форма при данной дистрибуции
соотносится с характеризатором, субстанциональным и адвербиальным элементом так же,
как и глагол в личной форме.
Все элементы окружения –ing-формы в исследуемых моделях функционируют так
же, как и при любом финитном глаголе, превращаясь в средство сигнализации
глагольности –ing-формы, отражая внутреннюю реорганизацию, перераспределение ее
именных, адъективных, адвербиальных и глагольных свойств с повышением удельного
веса глагольности.
V en + pN
В распространении конструкции «причастие 2 + характеризатор» принимают участие
все те же синтаксические процессы: развертывание и расширение. Определение,
присоединяемое к именному компоненту, может быть расширено за счет элемента,
принадлежащего к той же части речи, либо за счет определения, выраженного другой
частью речи: V en p Prn Adj Adj N, V en A p Prn NN.
Атрибутивный компонент, распространяющий элементы N или Prn, может выходить
за рамки конструкции, находясь в постпозиции к характеризатору:
V en A pN pN
Mrs.Harter, submerged in a sea of words that she did not understand, surrended [6,
p.242].
V en A p Adj N pN
In modern times the bomb fabricated in the back workshops of imagination, can only take
one effective form: Ridicule [23, p.59].
Глагольный элемент V en может распространяться обстоятельственным элементом:
V en A Adv pN
Both the big pale faces turned anxiously to Missy fell instantly into repose [18, p.127].
V en A p Adj N pN
She heard the sound of chariot wheels driven at a furious pace down the courtyard [27,
96
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ISBN 5-89838-272-0
Вестник Брянского государственного технического университета. 2007. № 2(14)
p.130].
Все эти модели причастие 2 образует как глагольный компонент в функции
определения.
В составе конструкций «сложное дополнение» и «абсолютный причастный оборот»
причастие 2 находится в отношениях вторичной предикации со своим семантическим
субъектом, которым в первом случае является существительное в общем падеже или
местоимение в объектном падеже, а во втором – существительное в общем падеже или
местоимение в именительном падеже. В названных синтаксических функциях причастие 2
проявляет те же комбинаторные свойства, что и в функции определения: V en CO р Adj N, V en
AC p Prn N, V en CO p Prn Adj N, V en AC p Prn N N, V en CO pN pN, V en AC Adv pN.
Эти же модели применимы для построения причастной синтагмы, в которой
причастие 2 выполняет функцию части контаминированного сказуемого: V en Pr p Adj N рN,
V en Рг р Prn Adj Adj N, V en Pr p V P N.
По данным корреляционного анализа, морфологическая форма «причастие 2»
обнаруживает положительную взаимосвязь с таким признаком, определяющим
синтагматические свойства характеризатора в модели V en + pN, как его правостороннее
расширение (коэффициент корреляции – 0,45).
Поскольку причастие 2 не имеет собственной парадигмы, не может иметь при себе
прямого дополнения и употребляется в основном в адъективной функции, это дает
основания утверждать, что оно обладает главным образом именными чертами. Вместе с
тем способность иметь собственный семантический субъект в составе сложных
конструкций и распространяющую группу (характеризатор) позволяет причастию 2
проявлять глагольные свойства.
toV + pN
Инфинитив, как и все вербалии, обладая комплексной природой, совмещает в себе
глагольные и именные черты. Либо те, либо другие начинают преобладать при
определенных
синтаксических
условиях.
Экспликаторами
синтагматических
возможностей данной неличной формы, основанных на сочетаемости и определенном
соотношении ее именных и глагольных свойств, являются элементы ее окружения.
Рассмотрим комбинаторику инфинитива при выполнении им различных
синтаксических функций.
Больше всего моделей инфинитив образует в функции части усложненного
глагольного сказуемого.
to V Pr p Adj N
...I myself seemed to have lost my substance, to have become detached from concrete
things and the firm trodden pavement of everyday life [15, p.134].
Элемент N модели toV Pr + pN распространяется теми же элементами, которые
модифицировали конструкции с другими неличными формами в качестве глагольного
элемента: to V Pr p Prn N, to V Pr p Prn Adj N, to V Pr p N N, to V Pr p N N N, to V Pr p V P N, to
V Pr pN pN.
Модель to V Pr + рN расширяется далее за счет включения в нее объектного элемента,
который может находиться как в препозиции к характеризатору, так и в постпозиции к
нему:
I can hear behind my back the uncomradely scratching of many fountain pens on many
sheets of V-mail paper [21, p.88].
Объектный элемент может быть развернут за счет тех же атрибутивных элементов,
которые распространяют и правосторонний именной компонент в модели to V Pr + pN:
to V Pr p N N
It was a question Missy had no intention of answering aloud; how could one die in John
Smith's arms of a kinked spinal nerve [17, p.121]?
97
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ISBN 5-89838-272-0
Вестник Брянского государственного технического университета. 2007. № 2(14)
to V Pr N pN
... it's not going to earn you the price of a sausage outside this front door [22, p.44].
Глагольный элемент конструкции может определяться наречием, выполняющим
функцию обстоятельства образа действия. Эту же функцию выполняют предложноименные сочетания:
to V Pr pN pN
He began to tap with his knuckles on the window-pane, continuing this tattoo... [19, p.24].
to V Pr Adv p Prn N
He continued to drive slowly towards his home, at the Tiber Island Apartments... [7, p.75].
Иногда элемент toV Pr определяется наречиями и предложно-именными сочетаниями
с обстоятельственным значением времени:
His tarnished collar pin and his initialed, tie clip... had all been husbanded in the top
drawer of his bureau for year in the firm conviction that life would someday call him from
Wentworth [11, p. 48].
В последнем примере элемент, расширяющий конструкцию, находится за ее
пределами, передавая, таким образом, дополнительную обстоятельственную информацию
и реализуя левостороннюю валентность toV Рг .
В остальных функциях инфинитив реализует свои комбинаторные возможности в тех
же моделях сочетаемости, что и в функции V pr : to V D p Adj N, to V D Adj N p Adj N, to V O
Prn pN, to V A pN N, toV A Prn pN, to V A N p Prn N.
В инфинитивной синтагме характеризатор может быть расширен за счет
синтаксической единицы, имеющей такой же статус и подобное морфологическое
выражение:
Science eventually regained its hegemony, and he began to search among the beds of flint
along the course of the stream for his tests [12, p.60].
Из всех анализируемых признаков, привлекаемых к исследованию с целью
определения синтагматических свойств элементов конструкции, построенной по модели to
V + pN, инфинитив положительно взаимосвязан только с одним – количеством элементов
в расширении характеризатора (коэффициент корреляции с двумя элементами – 0,05, с
четырьмя – 0,17).
МодельV nf + Adv
Количество моделей сочетаемости, образуемых элементами конструкции «неличная
форма глагола + характеризатор, выраженный наречием», несомненно, уступает числу
модификаций конструкции, в которой характеризатор выражен предложно-именным
сочетанием (30 против 54). Тем не менее основные структурные варианты модели V nf +
Adv идентичны проанализированным выше. Практически в каждой синтаксической
функции неличная форма в данной конструкции сочетается с одними и теми же
элементами окружения, которые, в свою очередь, идентичны компонентам синтагм,
образуемых вербалиями в случае их сочетания с предложно-именными группами.
Больше всего моделей сочетаемости с характеризатором, выраженным наречием,
образует –ing-форма, причем, так же как и в конструкции с характеризатором-предложноименным сочетанием, в функции обстоятельства.
V PD N Adv
«Just as well horses aren't fussy», he grumbled, putting the scoop down and squeezing
behind the grocery counter [18, p.24].
V GD Prn Adv
That night he went up to Paul's flat after driving her back and clutched her to him in his
sleep, keeping her awake for hours [20, p.29].
V GD Prn Adj N Adv
It slipped into his belly at the side and moved straightaway to within an inch of his navel
98
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ISBN 5-89838-272-0
Вестник Брянского государственного технического университета. 2007. № 2(14)
before engaging some major obstruction there... [14, p. 429].
V PD Adv Prn N
He gave a groan, and pushing back his chair, stood up [16, p.255].
В последнем примере объектный элемент занимает правостороннюю позицию по
отношению к характеризатору, чего в модели V PD N pN не наблюдалось.
Характеризатор, выраженный наречием, может иметь при себе подчиненный
элемент, выраженный наречием степени, и образовывать подчинительную адвербиальную
группу:
V PD Adv Adv
She had sat upright in the chair, leaning slightly forward, and stopped rocking [8, p.57].
Обстоятельственный элемент, распространяющий глагол, может находиться в
постпозиции к характеризатору:
But now, driving away alone, there was a dull and hungry pain in her heart... [16, p.100].
В остальных синтаксических функциях –ing-форма, образуя меньшее количество
моделей сочетаемости ввиду меньшей своей употребительности в этих функциях,
модифицируется в ходе все тех же синтаксических процессов.
Справедливо это и для остальных вербалий. Помимо процесса развертывания в
модификации конструкций с неличными формами и характеризатором, выраженным
наречием, участвует процесс расширения, причем, как и в конструкциях с
характеризатором – предложно-именным сочетанием, расширению подвергаются не
только определительные элементы синтагмы, но и сам характеризатор:
But finally the idea came to Basil that it was not brave to remain there in concealment
[15,p. 57].
По данным корреляционного анализа, из всех вербалий только инфинитив и
герундий положительно коррелированы с таким синтагматическим признаком, как
совмещение двух характеризаторов (Adv + pN) (0,12 и 0,26 соответственно). С
остальными синтагматическими признаками вербалии в модели V nf + Adv не
обнаруживают ни положительной, ни отрицательной, статистически значимой
корреляции.
Анализ комбинаторных свойств элементов конструкции «глагол + характеризатор»
позволяет сделать следующие выводы:
1. Морфологическая форма глагольного элемента конструкции влияет на объем,
состав и количество структурных вариантов модели V nf + Ch, т.е. на синтагматические
свойства глагольного элемента конструкции и характеризатора.
2. Для неличных форм наиболее значимым в диагностическом плане оказывается
признак «глагольное расширение», однако в этом случае преобладают отрицательные
зависимости. Герундий – единственная морфологическая форма, положительно связанная
с описываемым признаком.
3. В модификации конструкции «неличная форма глагола + характеризатор»,
независимо от того, выражается последний предложно-именным сочетанием или
наречием, участвуют одни и те же синтаксические процессы: развертывание и
расширение.
4. Разные синтагматические свойства неличных и финитных форм объясняются, по
мнению автора, тем, что категориальное значение процессуальности, позволяющее
вывести инвариант «глагол + характеризатор», в неличных формах соседствует с
категориальными значениями предметности и адъективности. Эта гибридность
категориального значения вербалий сказывается на их диагностической силе.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1.
Иванова, И.П. Теоретическая грамматика современного английского языка/И.П. Иванова, В.В.
99
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ISBN 5-89838-272-0
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
13.
14.
15.
16.
17.
18.
19.
20.
21.
22.
23.
24.
25.
26.
27.
Вестник Брянского государственного технического университета. 2007. № 2(14)
Бурлакова, Г.Г. Почепцов. – М.: Высш. шк., 1981.
Матюшина, И.В. Структурно-семантические признаки глагольно-именных конструкций с локативными
предлогами в современном английском языке: дис. …канд. филол. наук / И.В.Матюшина. – Смоленск,
2005. – 151с.
Матюшина, И.В. Способы модификации инвариантной конструкции «глагол + характеризатор» (на
примере модели V f +Ch)/И.В.Матюшина//Вестн. Брян.гос. техни. ун-та. – 2006.– №3.– С.91-99.
Сильницкий, Г.Г. Соотношение глагольных признаков различных уровней в английском языке
/Г.Г.Сильницкий, С.Н. Андреев , Л.А.Кузьмин , М.И.Кусков . – Минск: Навука i тэхнiка, 1990.
Тулдава, Ю.А. Об измерении связи качественных признаков в лингвистике: Сопряженность
альтернативных признаков/Ю.А.Тулдава//Квантитативная лингвистика и автоматический анализ текстов:
Ученые записки Тартуского университета.– Вып.827. – Тарту, 1988.
Christie, A. Selected Stories/A.Christie. – Moscow, 1976.
Archer, J. Shall We Tell the President/J.Archer. – London, 1985.
Caldwell, E. Men and Women/E.Caldwell. – N.–Y., 1962.
Capote, T. Music for Chameleons/T.Capote. – N.– Y., 1981.
Capote, T. The Grass Harp and A Tree of Night/ T.Capote. – N.– Y., 1951.
Cheever, J. Nine Stories/J.Cheever. – N.–Y., 1978.
Fowles, J. The French Lieutenant’s Woman/J.Fowels. – N.– Y., 1970.
Gosse, E. Father and Son/E.Gosse. – London, 1976.
Irving, J. The World According to Garp/J.Irving. – N.– Y.,1974.
Lawrence, D.H.The White Peacock/D.H.Lawrence. – London, 1982.
Maugham, W.S. The Merry-Go-Round/W.S.Maugham. – London, 1978.
Maugham ,W.S. The Painted Veil/W.S.Maugham. – N.– Y., 1957.
McCullough,C. The Ladies of Missalonghi/C.McCullough. – N.– Y.,1988.
Powell , A. A Question of Upbringing/A.Powell. – London, 1978.
Sagan , F. Aimez – vous Brahms…/F.Sagan. – London, 1962.
Salinger, J.D. Nine Stories/J.D.Salinger. – N.– Y., 1977.
Shaffer, P. Five Finger Exercise/P.Shaffer//Modern English Drama.–Moscow, 1984.
Spark,M. The Girls of Slender Means/M.Spark. – London, 1977.
Spark, M. The Public Image/M.Spark. – Moscow, 1976.
Styron,W. The Confessions of Nat Turner/W.Styron. – N.– Y., 1968.
Updike, J. Marry Me/J.Updike. – London, 1978.
Woolf, V. Orlando/V.Woolf. – London, 1975.
Материал поступил в редколлегию 22.03.07.
100
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2007. № 2(14)
УДК 42.07
Ю. А. Воронцова
МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ПЕДАГОГИЧЕСКОГО ЭКСПЕРИМЕНТА И РАСЧЁТ
РЕЗУЛЬТАТОВ ОПЫТНО-ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ РАБОТЫ
Рассмотрен план проведения педагогического эксперимента с целью выявления практической целесообразности применения специально разработанных дидактических условий формирования специалистов
экономического профиля в процессе изучения иностранного языка в высшей технической школе. Представлены результаты тестирования испытуемых, объективно обработанные согласно статистической оценке согласованности мнений экспертов и с учётом значимости по критерию Стьюдента.
Педагогические эксперименты и опытно-экспериментальная работа имеют очень
большую значимость в усовершенствовании гуманитарной подготовки студентов экономического профиля в техническом вузе. Педагогический эксперимент позволяет проверить эффективность рекомендаций, выработанных на основе проведённых теоретических
исследований, т.е. насколько условия преподавания гуманитарных дисциплин и иностранного языка, в частности для специальностей экономического профиля, в техническом вузе адекватны современным требованиям.
Для проведения эксперимента используются разнообразные методы научного исследования:
• выявление знаний, умений и навыков;
• разработка функциональных моделей и психограммы менеджмента и менеджера;
• наблюдение за преподаванием дисциплин гуманитарного цикла в вузе (посещение занятий, заседаний методических комиссий, учебных конференций);
• ознакомление с нормативной документации по специальностям «Экономика и
управление на предприятии», «Прикладная информатика в экономике», «Менеджмент»,
«Маркетинг» (учебные планы, государственные требования к уровню профессиональной
подготовки, государственные стандарты) и дидактической базой (методическая литература, видеозаписи, компьютерные обучающие программы);
• проведение бесед с преподавателями и студентами, анкетных опросов, специальных контрольных срезов.
Педагогический эксперимент рекомендуется проводить в 4 этапа (рис. 1) [5, с.48].
Этапы
Организация
Реализация
Констатация
к
о
м
п
о
н
е
н
т
ы
Определение
задачи
Предэкспериментальный срез
Обработка
результатов
Анализ
данных
Разработка
гипотезы
Экспериментальное обучение
Формирование
выводов
Методические
рекомендации
Подготовка
экспериментальных материалов
Послеэкспериментальный
срез
Отбор участников
эксперимента
Конечный
результат
Отбор участников эксперимента
Рис. 1. Схема проведения эксперимента
101
Интерпретация
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2007. № 2(14)
При планировании эксперимента следует принять во внимание понятие кибернетической системы, называемой «чёрным ящиком» [1]. Входы «чёрного ящика» называются
факторами (факторный анализ). Каждый фактор может принимать определённое число
различных значений, называемых уровнями. Сочетание опредёлённых уровней всех факторов определяет возможное состояние «чёрного ящика». Выходы «чёрного ящика» выражают численные характеристики целей исследования и называются параметрами оптимизации.
Группу испытуемых студентов следует представить в виде содержимого «чёрного
ящика». В качестве входных факторов вводится новая рабочая программа по иностранному языку, а выходными параметрами (параметрами оптимизации) служат полученные коэффициенты (полноты усвоения знаний, качества усвоения системы знаний, степени научности усвоенных знаний, степени автоматизма усвоенных знаний).
Рассмотрим подробно каждый этап проведения эксперимента.
На первом этапе решаются следующие задачи:
• исследуется научная литература по проблеме профессиональной ориентации выпускников школ по специальности «Экономист - менеджер производства»;
• изучаются условия профессиональной подготовки специалистов экономического
профиля в техническом вузе;
• отбираются материалы для опытной и экспериментальной работы по выявлению
факторов, значимо воздействующих на дидактические условия процесса обучения менеджеров;
• подтверждается положительное влияние разработанной программы по иностранному языку на формирование умений и навыков будущих экономистов-менеджеров производства.
На данном этапе выбирается экспериментальная группа. Студентам экономических
специальностей предлагается входной тест, составленный в рамках традиционной программы обучения иностранному языку в техническом вузе, и все испытуемые, написавшие тест на положительную оценку зачисляются в экспериментальную группу.
На втором этапе проводится предэкспериментальный срез, в котором участвуют
лекционные потоки экономических специальностей: «Экономика и управление на предприятии», «Прикладная информатика в экономике», «Менеджмент», «Маркетинг», – всего
в составе не менее 53 человек. На обоих контрольных потоках материал излагается в рамках учебного процесса из расчёта четыре часа, или две пары в неделю. В этих условиях
должна проводиться оценка знаний при помощи тестирования.
В экспериментальном срезе участвуют ещё четыре лекционных потока четвёртого
курса следующего выпуска тех же специальностей (в составе не менее 55 человек).
Объём изученного материала и наполняемость учебных потоков, как в первом, так
и во втором случае должны быть примерно одинаковыми. Таким образом, первые лекционные потоки считаются контрольными, а следующие – экспериментальными. Необходимо ещё раз подчеркнуть, что именно в экспериментальном потоке применяется разработанная рабочая программа по усовершенствованию языковой подготовки экономистовменеджеров, в то время как в контрольном потоке обучение ведётся по традиционной программе.
Прирост знаний оценивается по двум срезам с интервалом в один год при помощи
целенаправленно созданного теста. В первом и втором срезах используется один и тот же
состав заданий теста, полностью охватывающий программу обучения иностранному языку.
На третьем этапе (констатация) освидетельствуются степень усвоения студентами
экономико-управленческой специализации анализируемого вида знаний. Для этой цели
необходимо представить обоснованные критерии качества подготовки, на основании ко-
102
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2007. № 2(14)
торых оценить способности студентов делать правильный выбор. Конечная цель подготовки будущих экономистов-менеджеров средствами дисциплины «Иностранный язык» –
дать обучаемым глубокое представление о реалиях страны изучаемого языка и сформировать основы практического владения английским языком для осуществления научной и
профессиональной деятельности.
Следовательно, общий критерий качества подготовки студентов определяет степень достижения поставленной цели, а система частных критериев раскрывает различные
аспекты подготовки выпускника втуза в процессе изучения иностранного языка, входящих в состав понятия общего критерия. Масштабность понятия «качество подготовки»
позволяет использовать следующие частные критерии знаний, характеризующие степень
усвоения изложенного материала. [2,3,6]:
• К s – полнота усвоения студентами системы знаний, умений и навыков по отдельной дисциплине, или степень сформированности системно-деятельностного мышления;
• К α − качество усвоения системы знаний, умений и навыков по отдельной дисциплине;
• К β − степень научности усвоенной выпускником системы знаний;
• К τ − степень автоматизма в усвоении системы знаний или сформированности необходимой динамичности в ориентировке и принятии решений применительно к проблемным ситуациям.
Для определения степени усвоения получаемых знаний по дисциплине «Иностранный язык» необходимо использовать коэффициент полноты усвоения понятий, рассчитываемый по формуле [2, с.58]
n
∑ ni
K s = i =1 , К s ≥1,
N
где n – количество элементов в системе «метазнаний» выпускника по данной дисциплине
при подготовке высококвалифицированного специалиста–менеджера; N – количество
обучаемых, выполнявших работу; n i − фактическое количество усвоенных элементов системы «метазнаний», подтверждённое i-ым обучаемым.
Для раскрытия следующего критерия – критерия качества усвоения системы знаний – используется тест, выявляющий постепенное накопление студентами знаний. В
данном случае коэффициент уровня усвоения может быть определён по следующей зависимости [2, с.58]:
а
Кα = р ,
где К α – коэффициент усвоения; α - условное обозначение уровня деятельности; а - количество правильно выполненных решений; р - общее число предложенных заданий.
Опыт проведения эксперимента показывает, что удовлетворительным результатом
можно считать К α >0,7 [2, с.59].
Другим параметром оценки знаний служит критерий научности, который выделяет
условное различие в четырёх способах описания явлений действительности как объективных ступенях абстракции (β) в развитии науки [5, с.145].
Ступень А (феноменологическая, β = 1) − внешнее, описательное, феноменологическое изложение явлений, каталогизация объектов, констатация их свойств.
Ступень Б (аналитико-синтетическая, предсказательная, β = 2) – элементарное объяснение природы, свойств объектов и закономерностей явлений; предсказания направленности и возможных исходов явлений и процессов.
Ступень В (аналитическая, прогностическая, β = 3) – объяснение явлений данной
области, с созданием их количественной теории, моделированием основных процессов,
103
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2007. № 2(14)
аналитическим представлением их законов и свойств; создание возможности для прогноза
сроков и конечных показателей процессов и явлений.
Ступень Г (аналитическая, аксиоматическая, β = 4) – объяснение явлений с использованием математического или логического анализа, более широко охватывающего материал и проникающего в его сущность; создание возможности для точного и долгосрочного прогноза.
Степень научности апробированной рабочей программы по иностранному языку,
рассчитывается с помощью коэффициента научности К β [2, с.72]:
β пр
,
Кβ =
βн
где β пр − ступень абстракции, на которой представлен разработанный материал; β н − ступень абстракции, на которой находится соответствующая отрасль науки.
Опыт проведения эксперимента показывает, что удовлетворительным результатом
можно считать К β > 0,7 [2, с.59].
Для того чтобы дать полное разъяснение заключительного критерия - критерия автоматизма, – представляем компоненты профессиональной деятельности:
Д= О д + И д + К д ,
где Д – деятельность данного вида; О д − ориентировочные действия (осмысление ситуации, выбор плана и способа действия); И д − исполнительные действия (выполнение действий и операций, преобразующих исходные условия в конечный результат); К д − контрольные действия (сопоставление результата для принятия решения о завершении или
продолжении действия).
Рассматриваемый критерий автоматизма находится в прямой зависимости от выполнения ориентировочных действий, а именно: чем лучше испытуемый ориентируется в
ситуации, тем быстрее он начинает выполнение исполнительных операций деятельности.
Следовательно, при автоматизации деятельности сокращается время (τ) на выполнение
одного и того же действия за счёт сокращения ориентировочной части (О д) .
Для того чтобы вычислить критерий автоматизма, необходимо принять во внимание анализ бюджета времени испытуемых, т.е. какое его количество затрачивается на выполнение одного и того же действия [8, с.75].
На основе вычисленных для каждого испытуемого затрат времени T i нужно определить среднее значение Т, затем вычислить разницу ∆i = T i – T и сумму ∑ ∆i.
Средняя квадратичная ошибка вычисляется по формуле [1, с.122]
δχ =
2
n
∑ (Ti −T )
1
,
n −1
где n – генеральная совокупность, т.е. количество испытуемых.
Отсюда следует вычислять коэффициент вариации:
ν вар =
100δ χ
Т
≅ 1.
Опрос испытуемых позволяет получить точность результатов не ниже 1%.
Таким образом, для вычисления допустимого для обучаемого времени на выполнение действия − τ обуч – нужно его сравнить с затратами времени на выполнение того же
действия группой специалистов в этой области − τ спец . Исходя из этого, получаем [2, с.81]
Кτ =
τ спец .
τ обуч
104
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2007. № 2(14)
Степень автоматизма в освоении изучаемой дисциплины должна соответствовать
неравенству 0,5≤ K τ ≤1 [2, с.82].
На основе приведенных частных критериев формируется критерий эффективности
использования предлагаемой программы обучения, и затем рассчитывается коэффициент
эффективности
η = К эксп ,
К конт р
где К эксп − коэффициент, полученный в экспериментальной группе; К контр − коэффициент,
полученный в контрольной группе.
Таким образом, если коэффициент эффективности больше единицы, то апробируемая методика обучения считается более эффективной и качественной по сравнению с традиционной.
Заключительным (четвёртым) этапом является интерпретация, которая позволяет
сделать выводы и получить конкретные результаты и педагогического эксперимента по
апробированию и выявлению положительных сторон созданной рабочей программы обучения иностранному языку студентов экономического профиля.
Значения коэффициента эффективности для всех частных критериев качества подготовки экономистов-менеджеров в процессе изучения иностранного языка должны быть
выше единицы (η>1). Это будет свидетельствовать о том, что процесс обучения по предложенной усовершенствованной рабочей программе способствует большему приросту
знаний.
Результаты тестирования испытуемых должны объективно обрабатываться согласно статистической оценке согласованности мнений экспертов (преподавательского состава кафедры «Иностранные языки» вуза) и с учётом значимости по критерию Стьюдента.
Полученные в результате тестирования данные представляют в порядке возрастания по признаку существенного прироста знаний; далее рассчитывается разность между
средними значениями показателей эффективности в первом и втором срезах.
Результаты предэкспериментального среза представляют в виде таблицы (табл. 1).
xi*
nx*
45
1
49
2
Результаты тестирования (первый срез)
50
50
52
54
54
3
4
5
6
7
Таблица 1
54
8
…
…
х i – число правильных ответов одного студента в первом срезе; *n x – число студентов, у каждого из которых х i правильных ответов.
Зависимость числа правильных ответов от числа студентов, давших эти ответы в
первом срезе, можно представить схематически (рис. 2).
Среднее число правильных ответов одного студента равно приблизительно [2,
с.122]
*
x=
1
n
x
∑x
i
= 61,32.
i
Выборочная дисперсия равна приблизительно [1, с.122]
S
2
x
=
1
∑i ( xi − x )2 ≈ 42,85
1
−
nx
105
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2007. № 2(14)
7
Количество студентов
6
5
4
3
2
1
0
45 49 50 52 54 57 59 60 62 63 64 66 67 69 71 74 75
Количество правильных ответов
Рис. 2. Соотношение числа студентов и количества
правильных ответов
Результаты экспериментального среза представляют в виде таблицы (табл. 2).
Таблица 2
Результаты тестирования (второй срез)
xi*
63
63
63
64
65
65
65
67
...
nx*
1
2
3
4
5
6
7
8
…
y j − число правильных ответов одного студента во втором срезе; *n x - число студентов, каждый из которых имеет yj правильных ответов.
Зависимость числа правильных ответов от числа студентов, давших эти ответы во
втором срезе, можно представить схематически (рис. 3).
Количество студентов
*
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0
63 64 65 67 69 70 72 73 74 76 77 78 79 80 82 83 84
Количество правильных ответов
Рис. 3. Гистограмма зависимости числа правильных ответов
от числа студентов
Среднее число правильных ответов одного студента приблизительно равно [1,
c.122]
y=
1
n
y
∑j x j n j = 75,18.
Выборочная дисперсия равна приблизительно [1, с.122]
106
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2007. № 2(14)
S
2
y
=
1
∑j (y − y )2 ≈ 46,929.
−
1
ny
Анализ приведённых результатов должен свидетельствовать о том, что выборочные средние, вычисленные по данным таблицам, подтверждают неравенство y > x [9,
с.64].
Далее следует подтвердить предположение о том, что различие между средними
величинами является значимым. Для этого проверяется определённое предположение относительно свойств генеральной совокупности, из которой извлекается выборка для проверки гипотез относительно основных параметров нормальных распределений [4, с. 76]:
Н о : М(х) = М(y) при проверяемой и альтернативной гипотезах; Н 1 : М(х)<М(y), согласно
критериям значимости, где М(х), М(y) – математические ожидания случайных величин;
х,y – количества правильных ответов одного студента в первом и во втором срезах.
Для проверки гипотезы Н 0 используется статистика, т.е. функции результатов наблюдений, составляющих выборку:
t=
y−x
2
n +n
x
2
y
n n
n +n
x.
(n x − 1) S x + (n y − 1) S y
x
y
.
y
(1)
−2
Так как объём выборок достаточно высок и составляет не менее n x = 53, n y = 55 и
Н о является справедливой, то t имеет t-распределение с υ=n x +n y -2 = 105 степенями свободы, следовательно, гипотеза о педагогической целесообразности применения специально
разработанных дидактических условий формирования специалистов экономического профиля в процессе изучения иностранного языка в высшей технической школе верна.
Таким образом, согласно t-распределению Стьюдента, значения t m,α в зависимости
от числа степеней свободы m и вероятности α определяются как P {t> t m,α } = α [4, с. 292].
Так, при α = 0,05 и m = 105 t 105;0,05 = 1,66; при α = 0,025 и m = 105 t 105;0,025 = 1,98.
Для того чтобы получить итоговое значение t, следует подставить в равенство (1)
значения: n x = 53; n y = 55; S2 x = 42,85; S2 y = 46,929; x = 61,32; y = 75,18.
Определенные значения t должны быть больше критических значений t m, α на принятых уровнях значимости из числа традиционно используемых в математической статистике (α = 0,05 и α = 0,025), в этом случае гипотеза Н о отвергается, а верной считается
альтернативная гипотеза Н 1.
Таким образом, неравенство y > x является статистически значимым, и использованный критерий устойчив при умеренных отклонениях от нормальности исходного распределения [7,9 c.64]. Непрерывность исходных распределений доказывает тот факт, что
число правильных ответов одного студента определяется количеством его знаний, которое
является величиной с непрерывным распределением; дискретность числа правильных ответов связана не с природой самой величины, а со способом её измерения [5, с.153].
Итак, проводя данный педагогический эксперимент и используя материалы экспериментального исследования уровня знаний будущих экономистов-менеджеров можно
подтвердить положительные результаты внедрения целевой комплексной программы по
иностранному языку (или другим дисциплинам гуманитарного цикла).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1.
2.
Адлер, Ю.П. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий/ Ю.П.Адлер, Е.В. Маркова,
Ю.В. Грановский. – М.: Наука, 1976. − 279 с.
Беспалько, В.П. Слагаемые педагогические технологии/ В.П.Беспалько. − М.: Педагогика, 1989. −
191 с.
107
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2007. № 2(14)
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
Квалификационные характеристики специалистов с высшим образованием. Материалы к их разработке
и использованию / Н.А.Селезнёва, В.М.Соколов, Л.И.Романкова [и др.]. − М.: Высш. шк., 1997. − 49 с.
Красовский, Г.И. Планирование эксперимента/ Г.И. Красовский, Г.Ф. Филаретов. − Минск: Изд-во БГУ,
1982. − 302 с.
Николаева, Т.А. Дидактические условия подготовки будущих инженеров энергомашиностроительного
профиля безопасности жизнедеятельности: дис … канд. пед. наук / Т.А.Николаева. − Брянск, 1999. − 190
с.
Об утверждении общих требований и основных мероприятий по разработке нового поколения квалификационных характеристик специалистов с высшим образованием: бюллетень Гос. комитета СССР по
нар. образованию. − 1988. − №3. − 52 с. - (Серия «Высшее и среднее специальное образование»)
Поллард, Д. Справочник по вычислительным методам статистики/ Д.Поллард. − М.: Финансы и статистика, 1982. − 344 с.
Семышев, М.В. Дидактические основы подготовки инженеров в сельскохозяйственном вузе средствами
гуманитарных дисциплин: дис … канд. пед. наук / М.В.Семышев. − Брянск, 1997. − 160 с.
Черепанов, В.С. Экспертные оценки в педагогических исследованиях/ В.С.Черепанов. − М.: Педагогика,
1989. − 150 с.
Материал поступил в редколлегию 12.02.07.
J.A.VORONTSOVA
Plan of carrying out the pedagogical experiment and calculating the research work results.
There is considered the plan of carrying out the pedagogical experiment with the purpose
of revealing practical expediency of applying specially developed didactic conditions of forming
experts in the economic field while studying a foreign language at a higher technical school.
There are submitted results of the examinees’ testing objectively processed according to a statistical estimation of experts’ opinions coordination and Student’s criterion of value.
108
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ISBN 5-89838-272-0
Вестник Брянского государственного технического университета. 2007. № 2(14)
УДК 511.36
Е.С. Сальникова
ОЦЕНКА СНИЗУ ПРИБЛИЖЕНИЯ log 2
КВАДРАТИЧНЫМИ ИРРАЦИОНАЛЬНОСТЯМИ
Получена оценка снизу для приближения числа log 2 квадратичными иррациональностями.
В 1987 г. Е. Рухадзе [1] была получена оценка меры иррациональности числа log 2
вида µ (log 2) ≤ 3,891..., являющаяся наилучшей на данный момент. Цель работы – получить оценку снизу приближения log 2 числами вида
p1 2 + p2
, где p1 , p2 ∈ Z, q ∈ N.
q
При доказательстве используются конструкции, введенные в работе [2].
Сформулируем основной результат работы.
Теорема. Пусть µ > 9,307, p1 , p2 ∈ Z, q ∈ N; Q = max ( p1 , p2 , q ), Q > Q0 (µ ). Тогда
справедливо неравенство
log 2 −
p1 2 + p2
1
> µ.
q
Q
Пусть везде далее n ∈ N. Для доказательства теоремы рассмотрим интеграл
I =2
− (4 n − 2 )
(x − 2 2 ) (6 − x − 2 2 )
24 n
3
∫
24 n
(3 − x )18n dx .
(x − 2)22n +1 (4 − x )22n +1
2 2
(1)
Пусть K – кольцо чисел вида a 2 + b, a, b ∈ Z. Обозначим для M ∈ N
qM = НОК (1,2 ,...M ).
Докажем сначала лемму, позволяющую получить представление интеграла (1) в
виде линейной формы от 1 и log 2 с коэффициентами из K .
Лемма 1. Для интеграла (1) справедливо представление вида
q22 n I = λ1 2 + λ2 log 2 + λ3 2 + λ4 ,
где все λi ∈ Z.
Доказательство. Рассмотрим подынтегральную функцию интеграла (1)
(
)
(x − 2 2 ) (6 − x − 2 2 )
R(x ) =
24 n
Так как R(6 − x ) = R(x ) , то
I=
Разложим
24 n
(3 − x )18n .
(x − 2)22n +1 (4 − x )22n +1
R(3 − x ) = R(3 + x ) . Следовательно,
1 6−2 2
1
R( x )dx =
∫
2 2 2
2
2 2
2
(
(
)
2 −1
∫ R(t + 2)dt.
)
(2)
2 −1
(t + 2 − 2 2 ) (4 − t − 2 2 )
R(t + 2 ) =
24 n
24 n
t 22 n +1 (2 − t )
(1 − t )18n
22 n +1
в сумму простейших дробей
R(t + 2) = P(t ) +
22 n +1
∑
i =1
1
1 
,
ai ⋅  i +
i 
 t (2 − t ) 
109
(3)
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2007. № 2(14)
ISBN 5-89838-272-0
где P(t ) =
22 n − 2
∑ bi ⋅ t i ,
i =0
bi ∈ K .
1 dk
f (t ) . По формуле Лейбница
k! dt k
t =0
Найдём ai . Пусть D k ( f (t )) =
)
(
ai = D 22 n +1−i R(t + 2 )t 22 n +1 =
(
D m1  t + 2 − 2 2

m1 + m2 + m3 + m4 = 22 n +1− i
∑
)
24 n 
⋅D

m2 
(
 4−t −2 2

)
24 n 
×

m j ≥0
(
× D m3 (1 − t )
18 n
)D ((2 − t )
− 22 n −1
m4
) = ∑ω ⋅ (
m
)
2 −1
48 n − m1 − m2
2
3
38 n − m1 − m2 − m4 −1
2
,
m
где m = (m1 , m2 , m3 , m4 ), ωm ∈ Z.
Проинтегрируем слагаемое в (3) при i = 1. Имеем
2 2
1
2 2(
Тогда
1
2
2 2
(
(
) 1
2 −1
1 
1
 +
dt = log 2.
t 2−t 
2
2 −1) 
∫
)
2 −1
(
)
3
48 n − m1 − m2 38 n − m1 − m2 − m4 − 2
1 
1
2
a
ω
dt
2
1
2
log 2 =
+
=
−


∑
1
∫
m
t
t
2
−


m1 + m2 + m3 + m4 = 22 n
2 ( 2 −1)
= 24 n − 2 k1 log 2, k1 ∈ K ,
3
3


так как m1 + m2 + m4 ≤ 33n и 34n − m1 − m2 − m4  > 0.
2
2


Далее при i ≥ 2
(
) 1
(4)

1 
1
1 −


dt
=
+
∫  t i (2 − t ) i 
i −1 
i −1
(i − 1)2
2 −1 

2 ( 2 −1) 
Следовательно,
1
2
1
2
2 2
2
(
(
∫
)
2 2
2 −1 22 n +1
)
1
∑ ai ⋅ t i +
i=2
2 −1
2 −1

(
)

.
i −1 
2

1
( )
(
)
22 n +1
48 n − m1 − m2 − i +1
1 
1

ω
dt
.
2
1
=
⋅
−
×
∑
∑
m
(2 − t )i 
i = 2 i − 1 m1 + m2 + m3 + m4 = 22 n +1− i
3
3 1
 38n − m1 − 3 m2 − m4 −i
38 n − m1 − m2 − m4 − i + 
2
2
2 2  = 24 n − 2 k , q

(5)
× 2
−2
2
22 n k 2 ∈ K ,




3
3
3
3 3



так как m1 + m2 + m4 ≤ 33n − i +
и 34n − m1 − m2 − m4 − i  > 0 , 34n − m1 − m2 −
2
2
2
2 2



3 1
− m4 − i +  > 0 .
2
2
Далее действуем в точности как при доказательстве леммы 1 [2]. Имеем
2
− (4 n − 2 )
R(t + 2 ) = 2
− (4 n − 2 ) 22 n − 2 
t
Поэтому
bi =
∑ϖ l ⋅ 2
− (4 n − 2 )
m1 + m2 + m3 + m4 = 22 n − 2 − i
m j ≥0
(
2 2 −2
1 −



t


⋅ 2 2 −2
24 n
) (4 − 2 2 )
m1
 4−2 2 
1 −



t


m2
2
m4
= ∑ϖ m
m
110
24 n
18 n
 1
1 − 
 t
 2
1 − 
 t
3
m1 + m2 + m4 − 4 n + 2
⋅2 2
(
− 22 n −1
.
)
2 −1
m1
×
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2007. № 2(14)
ISBN 5-89838-272-0
×
Вычислим
1
2
2 2
2
(
(
)
2 −1
bit i dt
2 −1
∫
=
)
(
1
bi ⋅ 2i +1 ci , ci = 2 − 2
2(i + 1)
)
i +1
−
(
(
)
2 −1
)
2 −1
m2
i +1
, ϖ m ∈ Z, m3 ≤ 18n.
∈ K.
3


Необходимо показать, что m1 + m2 + m4 − 4n + 2 + i  ≥ 0. Это выполнено, так как
2


3
i + m1 + m2 + m4 ≥ i + m1 + m2 + m4 ≥ 22n − 2 − 18n = 4n − 2.
2
Следовательно,
1
2
2 2
2
(
(
)
2 −1
∫ P(t )dt = 2
4n − 2
)
k3 , q22 n k3 ∈ K .
(6)
2 −1
Из (1), (2), (3), (4), (5), (6) следует утверждение леммы 1.
Докажем лемму, позволяющую уточнить знаменатель q22 n линейной формы, построенной в лемме 1.
(9n )!⋅(22n )!⋅(22n )! = An , A , B ∈ N, ( A , B ) = 1. Тогда
Лемма 2. Пусть
n
n
(11n )!⋅(18n )!⋅(24n )! Bn n n
)
(
q24 n Bn −1I = Λ1 2 + Λ2 log 2 + Λ3 2 + Λ4 ,
(7)
где все Λi ∈ Z.
Доказательство. Приведём интеграл (1) к гипергеометрическому типу с помощью
замены x = 3 − 3 − 2 2 t :
(
)
(
I = 3−2 2
)
66 n +1 − (4 n −1)
1
∫
t
9n −
1
2
(1 − t )24n
(8)
dt.
22 n +1
1 − 3 − 2 2 2 t 


Применив лемму 3 работы [2], получим
1

1
Γ  9n + Γ (24n + 1) 1 11n − 2
22 n
66 n +1 − (4 n −1)
2n
(
t
1 − t ) dt
2

=
I = 3−2 2
2
4 2 3−2 2
2  24 n +1
1  ∫0 

Γ (22n + 1)Γ 11n +  1 − 3 − 2 2 t 
2 


2
0
(
( (
)
(
= 3−2 2
)
)
(
))
68 n +1 5 n +1
2
(
11n −
1
2
(11n )!⋅(18n )!⋅(24n )!
(1 − t )22n dt =
t
(9n )!⋅(22n )!⋅(22n )! ∫0 1 − (3 − 2 2 )2 t 24n +1
1


(
= 3−2 2
Пусть
Тогда
Таким образом,
)


(11n )!⋅(18n )!⋅(24n )! 3 (x − 2 2 ) (6 − x − 2 2 ) (3 − x )22n dx.
(9n )!⋅(22n )!⋅(22n )! 2 ∫ 2
(x − 2)24n +1 (4 − x )24n +1
22 n
2 n 5n + 2
2

I = 25 n + 2
(
)
(x − 2 2 ) (6 − x − 2 2 )
22 n
3
∫
2 2
)
22 n
(3 − x )22n dx.
(x − 2)24n +1 (4 − x )24n +1




 
q24 n I = λ1 2 + λ2 log 2 + λ3 2 + λ4 , где все λi ∈ Z.

2 n (11n )!⋅(18n )!⋅(24n )!
q 24n I = 3 − 2 2
g 24 n I ,
(9n )!⋅(22n )!⋅(22n )!
(
22 n
)
111
или
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2007. № 2(14)
ISBN 5-89838-272-0
(λ′
1
)
2 + λ2′ log 2 + λ3′ 2 + λ4′ =
Значит,
λi′
(
)




Bn 
λ1′ 2 + λ2′ log 2 + λ3′ 2 + λ4′ , где все λi′, λi′ ∈ Z.
An
∈ Z.
Bn
Следовательно, для интеграла (1) справедливо представление вида (7).
Лемма доказана.
Пусть
(9)
ln = Λ1 (n ) 2 + Λ2 (n ) log 2 + Λ3 (n ) 2 + Λ4 (n ) ,
где n ∈ N, все Λi (n ) ∈ Z, не все Λi (n ) = 0 .
1
Лемма 3 (см. лемму 2 работы [2]). Пусть lim log Λ1 (n ) 2 + Λ2 (n ) = γ 1 , γ 1 > 0;
n →∞ n
1
1
2(γ 1 + γ 3 )
lim sup log max Λi (n ) ≤ γ 2 ; lim log ln = −γ 3 , γ 3 > γ 2 ; µ >
; числа p1 , p2 , q,
n →∞
n →∞ n
1≤ i ≤ 4
n
γ3 − γ2
Q, Q0 (µ ) определены как в теореме. Тогда
(
)
log 2 −
(
)
p1 2 + p2
1
> µ.
q
Q
Вычислим последовательно числа γ 1 , γ 2 , γ 3 .
1. Вычисление γ 3 .
Рассмотрим ln = q24 n Bn −1I . По лемме 2 ln имеет вид (9).
1
1.1. Вычислим lim log Bn .
n →∞ n
Рассмотрим для x ∈ [0;1)
f ( x ) = [11x ] + [18 x ] + [24 x ] − [9 x ] − [22 x ] − [22 x ].
 1 1   1 1  1 3   1 2   5 2   2 5   7 7 
f ( x ) = 1 при x ∈  ;  ∪  ;  ∪  ;  ∪  ;  ∪  ;  ∪  ;  ∪  ;  ∪
 24 22  12 11   8 22   6 11   24 9   9 22   24 22 
 7 9   13 6   7 13   5 7   2 15  13 8   3 17   5 19 
∪ ; ∪ ; ∪ ; ∪ ; ∪ ; ∪ ; ∪ ; ∪ ; ∪
18 22   24 11  12 22   8 11   3 22  18 11   4 22   6 22 
17 21 
∪  ; .
18 22 
  21 
  1 
1
 17  
 1 
log Bn = ψ   − ψ    + ... + ψ   − ψ    = 5,3860.
n →∞ n
 18  
 24  
  22 
  22 
1
1.2. Рассчитаем lim log I , используя теорему Лапласа.
n →∞ n
Следовательно, lim
1
I1 = ∫
Пусть
0
Тогда
t
9n −
(
1
2
(1 − t )24n
)
1 − 3 − 2 2 2 t 


22 n +1
(10)
dt.
1
t 9 (1 − t )24
log I1 = log max f (t ), где f (t ) =
.
22
 0≤t ≤1

n →∞ n
1 − 3 − 2 2 2 t 


Наибольшее значение функции f (t ) на отрезке [0;1] достигается при t = 0,2767.
lim
(
112
)
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2007. № 2(14)
ISBN 5-89838-272-0
Следовательно,
lim
n →∞
Согласно (8)
1
log I1 = log( f (0,2767 )) = −19,1578.
n
(
)
1
log I = 66 log 3 − 2 2 − 4 log 2 − 19,1578 = −138,2717.
n
Таким образом,
γ 3 = −(24 − 5,3860 − 138,2717 ) = 119,6577.
lim
n →∞
2. Вычисление γ 1.
Из (3), (4), (7) имеем
1
1
γ 1 = lim log Λ1 2 + Λ2 = 24 − 5,3860 − 4 log 2 + lim log a1 .
n →∞ n
n →∞ n
Последний предел можно вычислить методом перевала, используя корень уравнения f ′( x ) = 0 , где
(x − 2 2 ) (x + 2
f (x ) =
)
2 − 6 ( x − 3)18
.
(x − 2)22 (x − 4)22
24
Имеем
24
1
⋅ log a1 = log f ( x0 ) ,
n →∞ n
γ 1 = 24 − 5,3860 − 4 log 2 + log f (x0 ) = 36,6080.
x0 = 4,7196, lim
3. Вычисление γ 2 .
(
Рассмотрим интеграл (10). Положим 3 − 2 2
)
2
= z , тогда
1
9n −
1
t 2
n
(24n )!
(s + 1) ⋅ ... ⋅ (s + 22n ) z s
(
1 − t )24
I1 = ∫
dt = ∑
=
22 n +1
1
1
(22n )!


s ≥0
0 (1 − zt )
 s + 9n +  ⋅ ... ⋅  s + 33n + 

2
2

(s1 − 22n + 1) ⋅ ... ⋅ s1 z s1 − 22n
(24n )!
= ∑
=
1
1
(22n )!


s = s1 − 22 n
 s1 − 13n +  ⋅ ... ⋅  s1+11n + 
s1 ≥ 0
2
2


(− 1)9n 1 ⋅ ... ⋅  22n − χ − 1  1 ⋅ ... ⋅  χ − 1 
13n
(
z s1 − 22 n
24n )!
2
22
2


=
⋅
+
∑
1
(13n − χ )!⋅(11n + χ )!
(22n )! s∑

1 ≥ 0 χ =1
 s1 − χ + 
2

(− 1)9n − k1  k + 1  ⋅ ... ⋅  k + 22n − 1 
11n
(24n )!
z s1 − 22 n
2
2


(11)
+
⋅
.
∑
1
(k + 13n )!⋅(11n − k )!
(22n )! s∑

1 ≥0 k =0
 s1 + k + 
2

2
1
1 1+ z
zj
и ϕ  3 − 2 2  =
Пусть ϕ ( z ) = ∑
log 2.
, тогда ϕ ( z ) =
ln
1

 2 3−2 2
z 1− z
j ≥0 j +
2
Имеем для рядов из (11):
χ
k −1
z s1 + k
zj
z s1 − χ
z− j
1) ∑
.
= ϕ (z ) − ∑
= −∑
+ ϕ ( z ); 2) ∑
1
1
1
1
s1 ≥ 0 s − χ +
j =1 j −
s1 ≥ 0 s + k +
j =1 j +
1
1
2
2
2
2
(
113
)
(
)
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2007. № 2(14)
ISBN 5-89838-272-0
Следовательно, учитывая (7), (8), (10) и (11), получим
2 χ + 22 n
 13n
11n
3− 2 2
~ 3− 2 2
−1
− (4 n −1) (24n )! 
ln = q24 n Bn ⋅ 2
Ω
⋅
+
Ωk ⋅
∑
∑
χ
(22n )!  χ =1
2
2
k =0
(
13n
− ∑ Ωχ
χ =1
где
(3 − 2 2 )
⋅∑
)
2 χ − 2 j + 22 n +1
χ
j−
j =1
Ωχ =
~
11n
(
~
− ∑ Ωk
1
2
k =0
(3 − 2 2 )
⋅∑
)
22 n − 2 k

 log 2 −


2 j − 2 k + 22 n +1
k −1
,
1
2
j+
j =0
(12)
(− 1)9n 1 ⋅ ... ⋅  22n − χ − 1  1 ⋅ ... ⋅  χ − 1 
Ωk =
2
22


(13n − χ )!⋅(11n + χ )!
2
,
(− 1)9n − k  k + 1  ⋅ ... ⋅  k + 22n − 1 

2

2
.
(k + 13n )!⋅(11n − k )!
(24n )! ; t = max Ω (3 + 2
Обозначим t1 = q24 n Bn −1 ⋅ 2− 4 n + 2
(22n )! 2 1≤ χ ≤13n χ
(
~
t3 = max Ω k 3 + 2 2
1≤ k ≤11n
)
22 n −1
2
)
2 χ + 22 n
;
.
Тогда из (12) простыми оценками по модулю имеем
Λ(n ) = max Λi (n ) ≤ 2(13n )2 t1 ⋅ max(t2 , t3 ).
1≤ i ≤ 4
Вычисления показывают, что t2 достигается при χ 0 = 12,4722n + o(n ), а t3 − при
k0 = 6,5300n + o(n ), t2 > t3 . Но тогда γ 2 = 86,0775.
Следовательно, в лемме 3 можно взять γ 1 = 36,6080, γ 2 = 86,0775, γ 3 = 119,6577,
т.е.
2(36,6080 + 119,6577 )
µ>
= 9,307.
119,6577 − 86,0775
Таким образом, теорема доказана.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1.
2.
Рухадзе, Е. А. Оценка снизу приближения ln 2 рациональными числами/Е.А. Рухадзе// Вестник Моск.
ун-та. Сер. I, Математика. Механика, 1987. − № 6, 25-29, 97.
Салихов, В.Х. Диофантовы приближения логарифма «золотого сечения»/В.Х. Салихов, Е.С. Сальникова// Вестник БГТУ, 2007. − № 1. – С. 111-119.
Материал поступил в редколлегию 13.11.06.
114
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2007. № 2(14)
ЕСТЕСТВЕННЫЕ НАУКИ
УДК 620.9.008
А.В. Тотай, С.С. Филин, Е.С. Зяблова
ГЛОБАЛЬНАЯ ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ПРОБЛЕМА ЦИВИЛИЗАЦИИ
Рассмотрены основные причины возникновения глобальной экологической проблемы существования
современной цивилизации.
Человек с незапамятных времен оказывал влияние на природу. Обладая разумом, он
последовательно и неуклонно подчинял своим потребностям природные ресурсы и изменял окружающую среду. Качественный скачок науки и техники в ХХ столетии привел к
тому, что антропогенные воздействия на биосферу стали сопоставимы с природными экологическими факторами.
В.И. Вернадский по этому поводу писал: «Все человечество, вместе взятое, представляет ничтожную массу вещества планеты. Мощь его связана не с его материей, но с
его мозгами, разумом и направленным этим разумом его трудом» [1].
В результате этого труда сложилась парадоксальная ситуация: получив неограниченную власть над природой, люди по-варварски используют ее ресурсы, и современная
цивилизация, достигнув небывалых высот, в то же время находится «на краю пропасти».
Экологические проблемы в современном мире стали особенно острыми и вышли на первое место.
Всестороннее математическое исследование этих проблем проведено группой крупнейших ученых мира под руководством Д. Медоуза [2], известной под названием Римского клуба. При этом показатели развития цивилизации (энергопотребление и промышленное производство на одного человека, загрязнение окружающей среды и т.д.) рассматривались как взаимосвязанные, а все глобальные процессы (рост производства, добычи полезных ископаемых, народонаселения и др.) - как инерционные.
Конечность ресурсов Земли и их грядущее исчерпание при возрастающем загрязнении биосферы учитывались как решающий фактор развития цивилизации.
Авторами данного исследования были рассчитаны несколько моделей развития человеческого общества. Первой была исследована «стандартная» модель, сущность которой можно выразить принципом «что произойдет, если ничего не предпринимать». Результаты исследования производят устрашающее впечатление: после 2030 г. наступит
критическая ситуация, так как из-за уменьшения ресурсов резко снизится количество
промышленной продукции и пищи на одного человека, а затем, примерно к 2050 г., существенно уменьшится численность населения и как следствие снизится загрязнение окружающей среды.
Кроме того, исследована модель развития общества при количестве ресурсов, удовлетворяющем растущие потребности человечества, и неконтролируемом загрязнении окружающей среды. В этом случае из-за резкого роста загрязнения возможно разрушение
цивилизации к концу 2100 г. При контроле за загрязнением процесс разрушения откладывается на 1-2 столетия.
Участники Римского клуба проводили свои исследования около 30 лет назад, и сегодня есть некоторая возможность сравнить их теоретические результаты с реальным состоянием дел. Пока реальная действительность больше всего соответствует «стандартной»
модели. По народонаселению реальные показатели даже выше прогнозных более чем на
115
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2007. № 2(14)
36 %. Выбросы загрязнителей в окружающую среду также несколько больше расчетных
значений.
Для решения изложенной проблемы авторы предложили концепцию «равновесной
цивилизации»: полная остановка роста производственных сил и их точная регулировка.
Однако практически это невозможно или очень трудноосуществимо из-за резкого различия жизненного уровня населения разных стран нашей планеты. Можно было бы полностью остановить рост производственных сил в высокоразвитых странах, но в слаборазвитых это практически невыполнимо, так как они будут стремиться повысить свой жизненный уровень, приблизить его к уровню жизни высокоразвитых стран.
Можно предположить и такой вариант: высокоразвитые страны поделятся своим национальным доходом с другими, менее развитыми странами при условии, что они также
приостановят рост производственных сил. Теоретически такой вариант возможен, но
практически – нереален, что мы и видим в настоящее время: высокоразвитые страны не
стремятся приостанавливать рост производственных сил и тем более делиться своим национальным доходом.
Рост населения на нашей планете также определяет будущее цивилизации, так как
повышается нагрузка на биосферу, иссякают природные ресурсы, увеличивается производство, а соответственно и загрязнение окружающей среды. За последние 100 лет прирост населения составил почти 4,4 млрд человек, в то время как за 1900 лет от Рождества
Христова до начала ХХ в. – всего 1,4 млрд человек.
Таким образом, рост населения во второй половине ХХ в. приобрел взрывной характер и получил название «демографического взрыва» [3].
Существует несколько причин настоящего «демографического взрыва». В первую
очередь это колоссальные достижения медицины. Тысячелетиями средняя продолжительность жизни человека не превышала 30-35 лет. Всего около 250 лет назад на первом году
жизни умирало до 85 % детей, сейчас – не более 2 %.
Кроме того, достижения в области техники, земледелия существенно облегчили труд
человека и позволили улучшить условия жизни и качество питания, что положительно повлияло на продолжительность жизни.
Вместе с тем следует отметить, что в последнее время наблюдается снижение темпов
прироста населения. Многие демографы полагают: в ближайшем будущем рождаемость в
мире стабилизируется на уровне, обеспечивающем лишь обновление поколений, при общей стабильной численности населения 11-13 млрд человек. Если это произойдет, то возникает вопрос: как долго эта стабильность может просуществовать? Для обеспечения
жизнедеятельности такого количества людей необходимы колоссальные ресурсы. По
оценкам ученых, к концу ХХI в. потребности человека при нынешних темпах развития
производства перерастут земные ресурсы. В этом и состоит основная проблема существования современной цивилизации.
«Демографический взрыв» создает дополнительные проблемы недоедания и голода,
которые самым непосредственным образом связаны с прогрессирующим ростом численности населения Земли. В настоящее время, по оценкам ООН, число голодающих в мире
достигает 800 млн человек, а 64 страны не в состоянии обеспечить себя продовольствием.
Еще большее число людей недоедает. По различным оценкам, таких людей на планете от 2 до 3 млрд. Каждый год в мире умирает от голода до 30 млн детей.
Напрашивается вывод: так как численность населения на нашей планете непосредственно влияет на степень воздействия общества на природу, то не пора ли на межгосударственном уровне разработать и узаконить меры, ограничивающие увеличение численности землян. Быстрый рост численности людей грозит непредсказуемыми последствиями.
Итак, создается впечатление, что человечество само себя загнало в тупик и гибель
цивилизации неминуема. Возникает вопрос: возможно ли решить рассматриваемую про-
116
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2007. № 2(14)
блему другими путями, отличающимися от предложенной концепции «равновесной цивилизации»? Здесь необходимо отметить, что аналогичные теоретические исследования
проводились и советскими учеными (В.А. Егоров и В.А. Геловани). Они доказали, что
концепция «равновесной цивилизации» не предотвращает кризис, а лишь отодвигает его
на 2-3 столетия. В качестве альтернативы ученые предложили концепцию развития, при
которой значительная часть инвестиций направляется на борьбу с загрязнением окружающей среды, восстановление ресурсов и ликвидацию эрозии обрабатываемых земель.
По сути, они предложили установить на нашей планете режим космического корабля в
неограниченно длительном плавании, когда все ресурсы регенерируются и загрязнение
окружающей среды сведено если не к нулю, то к очень незначительной величине.
Возможно, существуют и другие пути выхода из сложившегося кризиса, но любой из
них сводится к тому, что необходимо изменить в лучшую сторону отношение к природе,
взяв за основные показатели оценки деятельности человека (человечества) не экономические, а экологические критерии. Это необходимо сделать как можно быстрее, иначе кризис может перейти в экологическую катастрофу, при которой разум человека окажется
бессилен решить возникшую проблему цивилизации.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Вернадский, В.И. Биосфера / В.И. Вернадский. – М.: Мысль, 1967. – 280 с.
2. Медоуз, Д.Х., За пределами роста / Д.Х. Медоуз, Д.А. Медоуз, Й. Рандерс. – М.: Прогресс – Пангея,
1994. – 304с.
3. Степановских, А.С. Прикладная экология: охрана окружающей среды: учеб. для вузов / А.С. Степановских. – М.: ЮНИТИ – ДАНА, 2003. – 751с.
Материал поступил в редколлегию 27.02.07.
117
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2007. № 2(14)
СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРАХ
(статья "Глобальные экологические проблемы цивилизации)
Тотай Анатолий Васильевич, академик РАЕН, д.т.н., профессор, зав. кафедрой "Безопасность жизнедеятельности и химия"
Филин Семен Семенович, к.т.н., доцент кафедры "Безопасность жизнедеятельности и
химия"
Зяблова Елена Семеновна, ассистент кафедры "Безопасность жизнедеятельности и химия"
118
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2007. № 2(14)
ABSTRACT
Totai A.V., Filin S.S., Zyablova E.S. Global environmental problem of civilization. There
are considered principal causes of a global environmental problem of existence of a modern civilization.
119
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ISBN 5-89838-272-0
Вестник Брянского государственного технического университета. 2007. № 2(14)
УДК 538.915
Е.А. Кульченков, А.А. Сидоров
РАСЧЕТ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОННОЙ ПЛОТНОСТИ И ПОТЕНЦИАЛА
ПО ДАННЫМ УПРУГОГО РАССЕЯНИЯ РЕНТГЕНОВСКИХ ЛУЧЕЙ
В КРИСТАЛЛАХ СО СТРУКТУРОЙ АЛМАЗА
Разработана методика расчета электронной плотности и потенциала в кристаллической решетке со
структурой алмаза по экспериментальным значениям интегральной интенсивности рентгеновских дифракционных максимумов. Построены карты распределения электронной плотности в кремнии в кристаллографических плоскостях (100), (110), (111), на которых видны «электронные мостики».
Изучение процессов рассеяния рентгеновских лучей веществом дает обширную информацию о строении и свойствах вещества. Исследование интенсивности рассеянного
излучения при упругом (когерентном) рассеянии рентгеновских лучей является наиболее
прямым методом нахождения функций распределения электронной плотности и потенциала в кристаллической решетке.
Распределение электронной плотности задается рядом Фурье:
 
1
(1)
ρ ( x, y, z ) = ∑ F e − 2πiH hkl R ,
V
hkl
hkl

где F hkl — измеренные экспериментально величины структурных амплитуд; H – вектор

обратной решетки, абсолютная величина которого задается соотношением H = 2 sin ϑ ;
λ

R – радиус-вектор точки с координатами (x,y,z), для которой определяется электронная
плотность; V – объем элементарной ячейки.
Структурная амплитуда определяется по интегральной интенсивности дифракционных максимумов I hkl из соотношения
1
Fhkl
I
2
=  hkl A*  = Bhkl f
 I0

,
где I 0 – интенсивность первичного рентгеновского пучка, падающего на исследуемый образец [2]; А* - произведение всех коэффициентов, входящих в выражение для интенсивности брегговского рефлекса [1]; Bhkl = e −2π ( hα + kβ + lγ ) – структурный коэффициент, αn , β n , γ n –
координаты атомов в элементарной ячейке; f – атомно-рассеивающий фактор.
Как показывает практика, ряд (1) оказывается слабо сходящимся, и его вычисление
для известных значений структурных амплитуд может привести к непредсказуемым погрешностям. С другой стороны, распределение плотности заряда как во всем кристалле,
так и в его элементарной ячейке может быть описано уравнением Пуассона:
∇ 2ϕ = −4πρ ,
(2)
n
n
где ϕ - электростатический потенциал.
Представим ϕ рядом Фурье вида (1):
ϕ ( x, y , z ) =
n
 
1
Ghkl e − 2πiH hkl R .
∑
V hkl
(3)
Подставляя ряд (3) в уравнение (2) и сравнивая с рядом (1), приходим к соотношению, выражающему Ghkl через структурные амплитуды F hkl :
Ghkl =
Fhkl .

πH 2
С учетом соотношения (4) ряд (3) принимает вид
118
(4)
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2007. № 2(14)
ISBN 5-89838-272-0
ϕ ( x, y , z ) =
1
πV

F
∑ Hhkl2 e− 2πiH

hkl R
=
hkl
1
πV
f

∑ H 2 Bhkl e−πiH

hkl R
.
(5)
hkl
Полученный ряд (5) сходится существенно быстрее, чем ряд (1).
Представим ряд (5) в интегральной форме. Для этого воспользуемся функцией
Эвальда:
 

1
Z (H ) = ∑ B δ (H − H ) .
V
hkl
hkl
hkl
Тогда выражение для потенциала ϕ(x,y,z) = ϕ (R ) принимает вид

( )( )

 
 1 f H

ϕ R = ∫  2 Z H e − 2πiHR dH ,
π H
()
(6)
где f (H ) – функция, достаточно хорошо сглаживающая значения атомных амплитуд в


точках H = H hkl .
Правая часть равенства (6) представляет собой преобразование Фурье произведе
 
ния двух функций: f (H )/ H 2 и Z (H ). Применяя к выражению (6) теорему о свертке
функций, получим
 1

  
(7)
ϕ (R ) = ∫ ℑ(R')g (R − R')dR' ,
π
 



где функции ℑ (R ) и g (R ) находятся Фурье-преобразованием функций f (H )/ H 2 и Z (H ).
Чтобы использовать выражение (7) для непосредственных расчетов φ(x,у,z), необхо
димо знание аналитического вида функции f (H ), которая из опыта известна только в дис
кретных точках, где она имеет значение f. Для нахождения f (H ) воспользуемся методом
аппроксимации. В качестве аппроксимирующей функции удобно взять следующее выражение:
n

zi
,
(8)
f (H ) = ∑

i =1
1 + α i2 s 2
где z i – число электронов на i-й оболочке в атоме;


sin ϑ
.
s = 2π H = 4π
λ
Для функции f (H ), заданной выражением (8), может быть найдена функция ℑ (R ),
входящая в выражение для φ(х,у,z). Эта функция находится Фурье-преобразованием вы 
ражения f (H )/ H 2 . В случае кубических решеток Фурье-преобразование может быть све
дено к синус-преобразованию, тогда для ℑ (R ) получим следующее выражение:

R
∞
− 


zi
sin sRds π
2 n
= ∑ zi 1 − e αi  .
ℑ R = ∫∑
2 2
s
R
R 0 i =1 1 + α i s



()
Функция g (R ) обычно называется решеточной и находится Фурье-преобразованием

Z (H ). Соответствующие вычисления для кристаллической решетки со структурой алмаза,
имеющего в элементарной ячейке 8 атомов с координатами αn , β n , γ n , принимающими
значения (0,0,0), (1/2,1/2,0), (1/2,0,1/2), (0,1/2,1/2), (1/4,1/4,1/4), (3/4,3/4,1/4), (3/4,1/4,3/4),
(1/4,3/4,3/4), приводят к следующему выражению:

g (R ) =
1
1
1




∑ δ ( x − m1 a )∑ δ ( y − m2 a )∑ δ ( z − m3 a ) + ∑ δ  x − a − m1 a ∑ δ  y − a − m2 a ∑ δ ( z − m3 a ) +
a  m1
2
2
 m3
 m2 

m2
m3
m1
1
1
1
1








+ ∑ δ  x − a − m1a ∑ δ ( y − m2 a )∑ δ  z − a − m3 a  + ∑ δ (x − m1a )∑ δ  y − a − m2 a ∑ δ  z − a − m3 a  +
2
2
2
2

 m2

 m1

 m3 

m1
m3
m2
119
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ISBN 5-89838-272-0
Вестник Брянского государственного технического университета. 2007. № 2(14)
1
1
3
3
1
1












+ ∑ δ  x − a − m1a ∑ δ  y − a − m2 a ∑ δ  z − a − m3 a  + ∑ δ  x − a − m1a ∑ δ  y − a − m2 a ∑ δ  z − a − m3 a  +
4
4
4
4
4
4
 m2 
 m1 

 m3 
 m2 
 m3 

m1
3
1
3
1
3
3











 ,
+ ∑ δ  x − a − m1 a ∑ δ  y − a − m 2 a ∑ δ  z − a − m3 a  + ∑ δ  x − a − m1 a ∑ δ  y − a − m 2 a ∑ δ  z − a − m3 a 
4
4
4
4
4
4












m1
m2
m3
m1
m2
m3
где а — постоянная решетки; m 1 , m 2 , m 3 — целые числа (начиная с нуля); δ(x-m 1 a),
δ(y-m 2 a), δ(z-m3 a) — δ-функции.
Выполнив необходимые вычисления в выражении (7), получим следующее выражение для функции распределения потенциала:
a
a
a
a
a
− A1 
− A2  
− A3 
− A4 
− A5 




α
α
α
α
α
1 n
1 − e i  1 − e i  1 − e i  1 − e i  1 − e i 
ϕ (R ) = ∑∑∑∑ zi 
+
+
+
+
+
a i =1 m1 m2 m3
A1   A2   A3   A4   A5 

 
 
 
 


 
 
 
 

a
a
a
− A6 
− A7 
− A8 



α
α
α
1 − e i  1 − e i  1 − e i  .
+
+
+




A6
A7
A8 

 
 


 
 

Здесь через A 1 , А 2 , А 3 , А 4 , А 5 , А 6 , A 7 , А 8 обозначены выражения:
2
2
2
 x
 y
 z
 
A1 =  − m1  +  − m2  +  − m3  
 a
 a
 
 a
1
2
,
2
2
2
 x
 z 1
 
 y 1
A2 =  − m1  +  − − m2  +  − − m3  
 a 2
 a 2
 
 a
1
2
2
2
 x 1
 
 z 1
 y
A3 =  − − m1  +  − m2  +  − − m3  
 
 a 2
 a
 a 2
1
2
2
,
,
1
2
2
2
 x 1
 
 z 1
 y 1
A4 =  − − m1  +  − − m2  +  − − m3  
 
 a 2
 a 2
 a 2
2
2
2
 x 1
 
 z 1
 y 1
A5 =  − − m1  +  − − m2  +  − − m3  
 
 a 4
 a 4
 a 4
1
2
2
2
2
 x 1
 y 3
 z 3
 
A6 =  − − m1  +  − − m2  +  − − m3  
 a 4
 a 4
 
 a 4
1
2
2
2
 x 3
 y 1
 z 3
 
A7 =  − − m1  +  − − m2  +  − − m3  
 a 4
 a 4
 
 a 4
1
2
2
2
 x 3
 y 3
 z 1
 
A8 =  − − m1  +  − − m2  +  − − m3  
 a 4
 a 4
 
 a 4
1
2
2
,
,
2
2
(9)
,
,
.
Величина электростатического потенциала, созданного электронами, получается ум
ножением φ (R ) на заряд электрона -е. Потенциал ядер в любой точке ячейки V находится
суммированием кулоновских потенциалов отдельных ядер и имеет вид
 ze
1
1
1
1 
1
1
1
1
+
+
+
+
+
+ ,
V (R ) = ∑∑∑  +
a
m1
m2
m3
A
 1
A2
A3
A4
A5
A6
A7
A8 
где A j задаются выражениями (9).


Полный потенциал решетки находится суммированием eφ (R ) и V (R ), т. е.



Φ (R ) = V (R ) − eϕ (R ) .
Описанный метод был использован для нахождения электронной плотности и потенциала в кристаллической решетке кремния. Значения атомно-рассеивающего фактора были
получены по экспериментально определенным на автоматизированном рентгеновском дифрактометре ДРОН-3 значениям интегральной интенсивности 15 дифракционных максимумов и первичного пучка [2, 3].
120
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2007. № 2(14)
ISBN 5-89838-272-0
Параметры аппроксимации α i находились методом градиентного спуска по специально составленной программе на ЭВМ.
Таким образом, кривая атомно-рассеивающего фактора кремния (рис. 1) аппроксимируется выражением
2
8
4
,
f Si =
+
+
1 + α12 s 2
1 + α 22 s 2
где α1 = 0,1533; α 2 = 0,15199; α3 =0,7181.
1 + α 32 s 2
Рис. 1. Атомно-рассеивающий фактор кремния: ○ – экспериментальные данные [3], × – экспериментальные данные [4], – – кривая, построенная
аналитически
Используя формулы (9), а также значения z i и найденные значения α i 2, для потенциала кристаллической решетки получаем следующее выражение:
−
ez
Φ (R ) = 1
a
8
∑∑∑∑
e
a
α1
Aj
j =1 m1 m2 m3
Aj
−
ez
+ 2
a
8
∑∑∑∑
e
j =1 m1 m2 m3
a
Aj
α2
Aj
−
ez
+ 3
a
8
∑∑∑∑
j =1 m1 m2 m3
e
a
α3
Aj
.
Aj
Аналогичные вычисления для электронной плотности дают
−
z
ρ (R ) = 2 1 2
4π aα 1
8
∑∑∑∑
j =1 m1 m2 m3
e
a
α1
Aj
Aj
−
z2
+
4π 2 aα 22
8
∑∑∑∑
j =1 m1 m2 m3
e
a
α2
Aj
Aj
−
z3
+
4π 2 aα 32
8
∑∑∑∑
j =1 m1 m2 m3
e
a
α3
Aj
.
(10)
Aj
Распределение электронной плотности вычислялось по формуле (10) с помощью
ЭВМ по написанной нами программе.
Суммирование проводилось по m 1 , m 2 , m 3 до значений m = ±2, поскольку члены с
m = ±3 дают незначительный вклад в сумму.
На рис. 2 показано распределение электронной плотности по кристаллографическим
направлениям [100], [110] и [111].
Для плоскостей (100), (110) и (111) построены карты распределения электронной
плотности в кремнии (рис. 3), на которых отчетливо видны «электронные мостики» между
соседними атомами (их центры выделены черными точками).
121
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ISBN 5-89838-272-0
Вестник Брянского государственного технического университета. 2007. № 2(14)
Рис. 2. Распределение электронной плотности в кристалле кремния вдоль направлений:
а – [100]; б – [110]; в – [111]
Рис. 3. Карты распределения электронной плотности в кристалле кремния:
а – плоскость (100), б – плоскость (110), в – плоскость (111).
122
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ISBN 5-89838-272-0
Вестник Брянского государственного технического университета. 2007. № 2(14)
Электронная плотность ρ (R ) для данных направлений нигде в нуль не обращается.

Наибольшее значение ρ (R ) между атомами кремния наблюдается в направлении
[111], поэтому связь в этом направлении наиболее сильная.
Описанный метод нахождения распределения электронной плотности в кристалле
может оказаться полезным для понимания природы отрицательного коэффициента теплового расширения с точки зрения электронной структуры вещества.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1.
2.
3.
4.
Вейс, В. Физика твердого тела/ В. Вейс. – М.: Атомиздат, 1968. - 456 с.
Сидоров, А.А. Прецизионные измерения структурного фактора/ А.А. Сидоров, Е.А. Кульченков, С.Е.
Малофеев// Актуальные проблемы физики твердого тела. – Минск: Изд. центр БГУ,
2003. – С. 271-272.
Кульченков, Е.А. Структурный множитель и атомно-рассеивающий фактор кремния: дис. магистра/ Е.А.
Кульченков. – Брянск, 2001. – 76 с.
Gottlicher, S. Rontgenographische Bestimmung der Elektronenverteilung in Kristallen/ S. Gottliher, E.
Wolffel// Z. Electrochem. – 1959. - № 8. - С. 891-901.
Материал поступил в редколлегию 26.04.07.
123
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ISBN 5-89838-272-0
Вестник Брянского государственного технического университета. 2007. № 2(14)
Сидоров Александр Алексеевич, к.ф-м.н, доцент, заведующий кафедрой теоретической
физики БГУ.
Тел.: рабочий
66-61-53,
домашний 56-95-94.
Кульченков Евгений Александрович, аспирант кафедры теоретической физики БГУ,
старший преподаватель кафедры общей физики БГТУ.
Тел.: 8-920-605-57-28
Е.А. Кульченков
А.А. Сидоров
124
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ISBN 5-89838-272-0
Вестник Брянского государственного технического университета. 2007. № 2(14)
125
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2007. № 2(14)
СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРАХ
Афонина Елена Владимировна, к.т.н., доцент, зав. кафедрой «Начертательная геометрия и графика» БГТУ.
Бишутин Сергей Геннадьевич, д.т.н., профессор кафедры «Триботехнология» УНТИ БГТУ.
Бойков Дмитрий Алексеевич, студент спец. «Материаловедение в машиностроении» БГТУ.
Буглаев Владимир Тихонович, д.т.н., профессор кафедры «Тепловые двигатели» БГТУ, засл. деятель науки и техники РФ.
Воронцова Юлия Александровна, к. п. н., доцент кафедры «Иностранные
языки» БГТУ.
Говоров Игорь Витальевич, к.т.н., доцент кафедры «Экономика, организация производства, управление», руководитель НИС БГТУ.
Горленко Александр Олегович, д.т.н., профессор, зав. кафедрой «Триботехнология» УНТИ БГТУ.
Гулаков Василий Константинович, к.т.н., доцент, зав. кафедрой «Информатика и программное обеспечение» БГТУ.
Гулаков Константин Васильевич, аспирант кафедры «Компьютерные технологии и системы» БГТУ.
Давыдов Сергей Васильевич, д.т.н., профессор, зав. кафедрой «Технология
металлов и металловедение» БГТУ.
Ерохин Виктор Викторович, к.т.н., доцент, докторант кафедры «Технология машиностроения» УНТИ БГТУ.
Золин Игорь Евгеньевич, к.э.н., доцент Волго-Вятской академии государственной службы.
Зяблова Елена Семеновна, ассистент кафедры «Безопасность жизнедеятельности и химия» БГТУ.
Казаков Валерий Сергеевич, к.т.н., доцент кафедры «Промышленная теплоэнергетика» БГТУ.
Карташов Алексей Леонидович, начальник филиала ООО «Мострансгаз»
Брянского ЛПУ.
Кешенкова Валентина Григорьевна, инженер-программист кафедры АиАХ
БГТУ.
Клименко Татьяна Викторовна, студентка спец. «Промышленная теплоэнергетика» БГТУ.
Корсакова Ирина Майоровна, к.т.н., доцент кафедры «Металлорежущие
станки и инструменты» УНТИ БГТУ.
Коченкова Наталья Ивановна, к.т.н., доцент кафедры «Экономика, организация производства, управление» БГТУ.
Кульченков Евгений Александрович, ст. преп. кафедры «Общая физика»
БГТУ.
124
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2007. № 2(14)
Матлахов Виталий Павлович, аспирант кафедры «Триботехнология» УНТИ БГТУ.
Матюшина Ирина Викторовна, к.филол. н., доцент кафедры «Иностранные
языки» БГТУ.
Михальченко Георгий Сергеевич, д.т.н., профессор, зав. кафедрой «Локомотивы» БГТУ.
Пахомов Юрий Алексеевич, к.т.н., доцент кафедры «Тепловые двигатели»
БГТУ.
Перевезенцев Виктор Тимофеевич, к.т.н., доцент кафедры «Тепловые двигатели» БГТУ.
Рогалев Владимир Владимирович, к.т.н., доцент, зав. кафедрой «Тепловые
двигатели» БГТУ.
Сальникова Екатерина Сергеевна, аспирант кафедры «Высшая математика» БГТУ.
Сидоров Александр Алексеевич, к.ф.-м.н., доцент, зав. кафедрой «Теоретическая физика» БГУ.
Ступак Александр Александрович, студент спец. «Материаловедение в
машиностроении» БГТУ.
Тотай Анатолий Васильевич, д.т.н., профессор, зав. кафедрой «Безопасность жизнедеятельности и химия» БГТУ.
Тюльпинова Нина Владимировна, аспирант кафедры «Триботехнология»
УНТИ БГТУ.
Филин Семен Семенович, к.т.н., доцент кафедры «Безопасность жизнедеятельности и химия» БГТУ.
Шатов Андрей Яковлевич, к. т. н., доцент кафедры «Технология металлов и
металловедение» БГТУ.
Шец Сергей Петрович, к.т.н., доцент кафедры «Автомобили и автомобильное хозяйство» БГТУ.
Юршин Андрей Сергеевич, аспирант кафедры «Локомотивы» БГТУ.
125
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2007. № 2 (14)
ABSTRACTS
Bishutin S.G., Tulpinova N.V. Forecasting of heat separation in contact zone of stock and
abrasive disk with taking in account its wear process. The original methodology of forecasting of heat separation during grinding of the constructional materials with taking into account
change of state of working surface of abrasive tool during its usage is present.
Gorlenko A.O., Matlakhov V.P. Maintenance of wear resistance of surfaces of friction by
controlled technological action. In given article the model of contact interaction and wear process of cylindrical surfaces is considered in view of a roughness, a sinuosity, macrodeviations
and physicomechanical properties of a superficial layer. According to kinetic model of wear process parameters of quality of the superficial layer, controlled with the help of various technological methods are chosen. Possibilities of technological methods of direction in these parameters
are considered.
Erohin V. V. Maintenance of parameters of quality surfaces of adaptations for machine
tool. In clause substantive provisions on maintenance of parameters of quality of functional surfaces of details adaptations depending on their set of operational properties and are stated to demanded accuracy of installation of preparation in the adaptation.
Shatov A.J., Boikov D.A., Stupak A.A. Linear shrinkage steel casting, its communication
with the diagram of a condition. In work сalculations of stage-by-stage measurement of the
linear sizes steel casting are carried out. Influence peretective transformations is revealed
Feδ → Feγ on sizes beforperlitive and full linear shrinkage. The comparative estimation of the received settlement results with experimental data is carried out.
Shec S.P. Increasing of cuff proofing capacity by combining with magnetic fluid seal. Different modes of operation are considered. The bases of the calculation on hermetic of cuff seal
acting in combinations with sealing-lubricating magnetic liquid are presented. The defects in the
work of separately installed cuff of the seal are revealed and the possibility of their compensation
by unique characteristics of sealing-lubricating magnetic liquid is presented.
Davidov S. V., Keshenkova V.G. Modern structural materials for turbo blade row. The main
groups of modern structural materials of turbo blade row are described and their structural stability is estimated
Mikhalchenko G.S., Yurshin A.S. Estimation of wearing the wheels of freis locomotive with
radial steering design of bogies. Analysis of dependence of work of friction forces in the contact between wheels and rail on tractive force, vehicle velocity, curve radius and cant considered.
Impact analysis of wearing the wheels of freight locomotive with traditional and radial steering
design of bogies is given.
Pakhomov Y.A., Rogalev V.V. 50 years anniversary of the Internal combustion engines
speciality in Bryansk state technical university. The article views the stages of formation and
development of educational and scientific basis of the internal combustion engines speciality, its
contribution to preparation of high qualified specialists for engine engineering. Fundamental
scientific achievements and future researches directions are reflected.
Buglaev V.T., Kartashov A.L., Perevezentsev V.T. Increase of reliability and profitability
of steam turbines with use cellular condensation. Modernization of sealing in a flowing part
of steam turbines is offered due to application of cellular sealing with optimum ratio of cells. The
way of sealing repair on a shaft of the turbine and, ending sealing of turbines for nuclear power
plants is examined.
Kazakov V.S., Klimenko T.V. Diagnostic vibroacoustic performances of designed engine
installations. The article considers the modern methods of estimating the performances of technological noise and vibration from power equipment, it also carries out calculating, diagnosing
and rationing the level of the noise generated by a compressor station at the stage of designing.
126
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2007. № 2 (14)
Gulakov K.V., Gulakov V. K. Techniques of improving performance of OLTP-systems
based on Microsoft SQL Server 2000. The purpose of this article is to provide helpful information on how to improve Microsoft SQL Server's performance.
Kochenkova N.I. The problem of introduction of ideology Lean on the Russian manufactures. The ideology of manufacture lost-free, the so-called economical manufacture, known as
Lean Production, with reference to the Russian conditions is considered.
Korsakova I.M., Govorov I.V. Economic aspects of modernization of the equipment. The
are considered the possible ways of industrial equipment improvement by the example of the test
bed intended for check of geometrical accuracy of track measurement carriages. Calculations of
comparative efficiency of work on manufacturing and operating appropriate test bed modifications are carried out.
Zolin I. E. Labour Market under Globalization of the World Economy: Problems of Theory and Practice. This article analyses the existing situation on the labour maket under globalization of world economy; defines the major current methodologic problems of labour market /
international labour migration research; presents the principle directions of the authorities activities to regulate the migration processes along with the mechanisms of their realization.
Afonina E.V. Some aspects of teaching of graphic-geometr ical disciplines at modern technical university. Separate aspects of teaching of graphic-geometrical disciplines at modern
technical university are considered. Some recommendations on improvement of quality of preparation of experts and perfection of teaching of disciplines of an engineering-graphic cycle on the
basis of an operational experience of faculty « Descriptive geometry and the schedule» are resulted.
Matyuishina I.V. Syntagmatic properties of the elements in phrases «Verb + prep Noun»
(model V nf + Ch). Morphological and syntactical factors relevant for syntagmatic properties of
the elements in phrases «Verb+ prep Noun» (model V nf + Ch) are dealt with. To find out statistically relevant correlations of verbal and nominal morphological and syntactical features in the
phrases under investigation correlation analysis is used.
Vorontsova J.A. Plan of carrying out the pedagogical experiment and calculating the research work results. There is considered the plan of carrying out the pedagogical experiment
with the purpose of revealing practical expediency of applying specially developed didactic conditions of forming experts in the economic field while studying a foreign language at a higher
technical school. There are submitted results of the examinees’ testing objectively processed according to a statistical estimation of experts’ opinions coordination and Student’s criterion of
value.
Salnikova E.S. A lower bound for approximation of number log 2 by square-law irrationalities. A lower bound for approximation of number log 2 by square-law irrationalities has been
received.
Totai A.V., Filin S.S., Zyablova E.S. Global environmental problem of civilization. There
are considered principal causes of a global environmental problem of existence of a modern civilization.
Kulchehkov E.A., Sidorov A.A. Calculation of electron density and potential distribution
on experimental data of elastic scattering of X-rays in crystals with diamond structure. A
method of calculation of electron density and potential in a crystal lattice with diamond structure
on experimental values of integral intensities of X-ray diffraction peaks is developed. Maps of
electron density distribution in silicon in crystallographic planes (100), (110), (111) are made.
Electron bridges are visible in these maps.
127
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Памяти Петра Гавриловича Алексеева
В этом году исполнилось 95 лет доктору технических наук,
профессору Петру Гавриловичу Алексееву.
Петр Гаврилович родился 12 июня 1912 г. в г. Мещевске
Калужской губернии. После окончания семилетки в 1930 г. он
начал свою трудовую деятельность в качестве слесаря – машиниста.
В 1932 г. П.Г.Алексеев поступил в Минский торфяной
техникум, а в 1935 г. закончил его, получив звание техникамеханика. В 1935 – 37 гг. Петр Гаврилович – красноармеец,
сержант прожекторной части Красной Армии. В 1937 г. он поступил в Бежицкий машиностроительный институт, окончить
обучение в котором ему помешало начало Великой Отечественной войны. 15 августа 1941 г. Петр Гаврилович добровольцем
уходит на фронт. В качестве солдата, офицера, командира автороты он прошел Польшу,
Венгрию, Чехословакию и закончил боевой путь в Германии в должности помощника командира артполка.
После демобилизации в 1946 г. вся дальнейшая жизнь Петра Гавриловича Алексеева связана с нашим университетом. В 1947 г. он закончил Бежицкий институт и в течение
некоторого времени работал технологом на Брянском паровозостроительном заводе. В
1948 – 50 гг. обучался в аспирантуре, после окончания которой в течение 5 лет - с 1950 по
1955 г. - работал в качестве ассистента, а затем старшего преподавателя кафедры «Технология машиностроения». С 1956 г. Петр Гаврилович работал на кафедре «Металлорежущие станки и инструменты», с которой связана его основная педагогическая и научная
деятельность. В 1958 г. ему присуждена ученая степень кандидата технических наук, в
1975 г. – степень доктора технических наук, а в 1977 г. присвоено звание профессора.
Работы П.Г.Алексеева тесно связаны с развитием научного направления «Повышение долговечности деталей машин поверхностным пластическим деформированием». Им
опубликовано более 100 печатных работ, в том числе 4 монографии, основной из которых
является книга «Машинам быть долговечными», изданная в 1977 г.
Под его руководством подготовлено 6 кандидатов наук, в том числе преподаватели
нашего университета Р.В. Кареев, А.В.Щеглова.
В период с 13.03.62 г. по 19.11.65 г. П.Г. Алексеев был деканом вечернего, заочного
факультетов, а затем до 31.12.68 г. – деканом механико - технологического факультета.
Более 10 лет - с 1975 по 1986 г. - Петр Гаврилович был заведующим кафедрой «Металлорежущие станки и инструменты», а затем, вплоть до своего ухода на заслуженный отдых в
1995 г., работал профессором кафедры.
Родина высоко оценила боевые и трудовые заслуги Петра Гавриловича. Он награжден орденами Красной Звезды, Отечественной войны II степени, медалью «За боевые заслуги» и многими другими, в том числе «За оборону Кавказа », «За взятие Будапешта»,
«За победу над Германией». За вклад в подготовку специалистов П.Г. Алексеев награжден
грамотой Президиума Верховного Совета РСФСР.
Когда верстался номер журнала, Петра Гавриловича Алексеева не стало. Память об
ученом сохранится в сердцах его многочисленных учеников и коллег.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
В.Ф. Безъязычный – почетный профессор Брянского государственного
технического университета
В этом году исполняется 70 лет почетному профессору университета, заместителю
генерального директора ОАО «НПО «Сатурн»
по научной деятельности, академику Академии
проблем качества РФ, Международной академии информатизации, Нью-Йоркской академии
наук, Академии наук высшей школы, Академии науки и практики организации производства, члену-корреспонденту Академии технологических наук, Академии инженерных наук,
вице-президенту Ярославского регионального
отделения Академии проблем качества, заведующему кафедрой «Технология авиационных
двигателей, общего машиностроения и управления качеством» Рыбинской государственной
технологической академии им. П.А. Соловьева,
доктору технических наук, профессору, заслуженному деятелю науки Российской Федерации Безъязычному Вячеславу Феоктистовичу!
Вячеслав Феоктистович с 1987 по 2005
г. был ректором Рыбинской государственной технологической академии им. П.А. Соловьева.
Профессор В.Ф. Безъязычный – известный в стране ученый в области технологического обеспечения качества деталей изделий машиностроения и авиастроения. Он является основателем научно-педагогической школы «Технологическое обеспечение и автоматизированное управление параметрами качества поверхностного слоя деталей и точности
обработки газотурбинных двигателей». Им впервые разработаны принципы расчетного
определения параметров качества поверхностного слоя и точности обработки при механической обработке с учетом одновременного воздействия на поверхностный слой как тепловых, так и силовых факторов, обусловленных процессом резания.
В.Ф. Безъязычный – автор более 500 научных работ, в том числе свыше 30 в зарубежных изданиях (Италия, Польша, Словакия, Болгария и др.), его разработки удостоены
двух медалей ВДНХ. Он является соавтором нескольких справочников по машиностроению, в том числе 40-томной энциклопедии, членом редколлегий журналов: «Инженерный
журнал. Справочник», «Сборка в машиностроении, приборостроении», «Полет», – а также
редактором серии «Библиотека технолога» издательства «Машиностроение», членом экспертного совета ВАК по машиностроению и Головного совета по машиностроению Министерства образования и науки РФ.
В.Ф. Безъязычный много внимания уделяет подготовке научных кадров. Под его
научным руководством защищено 6 докторских и 25 кандидатских диссертаций.Он активно работает в области международного сотрудничества, являясь членом научного комитета постоянно действующего Международного симпозиума INSICONT (Польша).
Коллектив Брянского государственного технического университета желает Вячеславу Феоктистовичу Безъязычному здоровья, счастья, отличного настроения, благополучия, успехов во всех направлениях деятельности!
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ПАМЯТИ ПРОФЕССОРА И.И. КИРИЛЛОВА
(к 105-летию со дня рождения)
Иван Иванович Кириллов – имя, широко известное отечественным турбинистам на протяжении всей второй половины
XX в.
Он родился 30 марта 1902 г. в Санкт-Петербурге. В 1924
г. окончил Ленинградский технологический институт и уже в
30-е гг. заявил себя серьезным специалистом в области расчетов и проектирования паровых турбин.
Начало инженерной карьеры для Кириллова складывалось удачно: он работал на Ленинградском металлическом заводе, принимая активное участие в строительстве турбинного
цеха, проектировании паротурбинных установок, освоении
приобретенной у английской фирмы «Метрополитен-Виккерс»
лицензии на производство мощных паровых турбин.
В 1932г. Иван Иванович становится сотрудником научно-исследовательского котлотурбинного института (ЦКТИ им. И.И. Ползунова). Здесь у него
появилась возможность заниматься научной работой, о чем он мечтал со времени окончания
института, что стало главным делом всей его жизни. В это же время он начал преподавать в
Ленинградском политехническом институте (ЛПИ).
В 1935г. Кириллов выпускает свою первую книгу «Паровые турбины» (в соавторстве), а в 1938г. выходит в свет монография «Автоматические устройства паровой турбины», в
которой изложены как основы теории регулирования паровых турбин, так и результаты собственных исследований. За этот научный труд ему без защиты была присуждена степень
кандидата технических наук.
Принятый в молодые годы темп творческой работы Иван Иванович не сбавлял до
глубокой старости. В 1940г. он успешно защитил докторскую диссертацию, а в 1941г. получил звание профессора. Он возглавлял в это время лабораторию регулирования паровых турбин в ЦКТИ и продолжал преподавать в ЛПИ. К началу войны И.И. Кириллов – сложившийся ученый, хорошо известный в среде коллег -турбинистов.
В конце 1941 г. И.И. Кириллов был откомандирован на Урал и в течение трех лет руководил группой по модернизации и наладке паротурбинных установок электростанций. Результаты напряженной работы привели к снижению перебоев в энергоснабжении и повышению производства электроэнергии, столь необходимой размещенному там военному производству.
По возвращении в 1944г. в Ленинград Иван Иванович возглавил кафедру турбиностроения ЛПИ, на которой сразу же развернул научную работу в двух направлениях: аэродинамики ступеней турбомашин и автоматического регулирования паровых турбин. В этот же
период он начал заниматься проблемами газовых турбин и газотурбинных установок. Тогда
же был заложен фундамент научной школы И.И. Кириллова.
В начале 50-х гг. была начата подготовка к производству паровых турбин на Брянском машиностроительном заводе (БМЗ), для чего в соседствующем институте транспортного машиностроения (БИТМ) была открыта новая инженерная специальность с кафедрой
«Турбиностроение».
Профессор Кириллов получил приглашение от руководства БИТМа, согласованное с
Министерством образования СССР, возглавить кафедру «Турбиностроение». Приглашение
Иваном Ивановичем было принято, и уже с сентября 1951г. он начал читать лекции в Бежице.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
В Брянске Иван Иванович со свойственной ему энергией и целеустремленностью развернул работу по развитию кафедры и созданию лаборатории аэродинамики турбин. В этих
вопросах он встретил полную поддержку и получил неоценимую помощь как со стороны
министерств высшего образования и тяжелого машиностроения, так и со стороны областных
властей, а также руководства БМЗ и БИТМа.
Сколь значительных результатов проф. Кириллову И.И. удалось добиться за десятилетний период жизнедеятельности на Брянщине (1951-61гг.), всем хорошо известно. По его
мнению, это был самый плодотворный и эффективный период в его жизни.
За три года была проделана грандиозная работа по созданию на кафедре турбиностроения БИТМа многопрофильной научной лаборатории аэродинамических исследований
турбомашин по заказам многих заводов страны (прежде всего БМЗ, а также ЛМЗ, ХТЗ, КТЗ
и др.). Это стало возможным благодаря тому, что в лаборатории были пущены в эксплуатацию три экспериментальные турбины, работающие на сжатом воздухе и оснащенные современной измерительной техникой. При этом использовалась методика эксперимента, основанная на соблюдении теории гидродинамического и теплового подобия, с целью внедрения
в натурные конструкции проточных частей тепловых турбин.
Всеми работами в лаборатории постоянно и активно руководил профессор Кириллов,
привлекая, кроме преподавателей и аспирантов, студентов специальности турбиностроения
(начиная с 1-3 курса). Продолжал формироваться инженерно-технический состав лаборатории, укреплялась и расширялась ее материальная база.
Слава о научно-педагогическом коллективе кафедры турбин БИТМа и его достижениях быстро распространялась по стране.
Иван Иванович был любимцем студенческой аудитории и снискал большое уважение
у турбинистов разных лет выпуска энциклопедическими знаниями и высокой культурой общения. Его лекции были строго научны, в меру эмоциональны и отличались ярко выраженной целеустремленностью. Талант убеждения аудитории, авторитетность доказательств увеличивали число поклонников его научного мировоззрения и вызывали восхищение эрудицией профессора. Ясность и четкость выводов, принципиальность замечаний, бескомпромиссность и доброжелательность предложений – характерные особенности его выступлений перед самыми разными аудиториями: студенческой, преподавательской, научной, производственной и т.п.
Иван Иванович длительный период (с 1961г.), уже работая в Ленинграде заведующим
кафедрой турбиностроения ЛПИ, не терял деловых связей с созданным им научнопедагогическим коллективом родной для него кафедры, оставленной в БИТМе. Посещения
БИТМа на несколько дней обычно были связаны с внутриинститутскими мероприятиями
(работой научно-технических конференций, выпусками специалистов по турбиностроению),
участием в работе ГАК (зачастую в качестве её председателя), проведением научных консультаций и семинаров для соискателей ученых степеней, выступлениями с лекциями перед
сотрудниками кафедры и студентами по актуальным проблемам развития парогазотурбостроения в стране и энергетики в мире и др.
Такие посещения вуза профессором Кирилловым вызывали серьезный резонанс в
среде преподавателей, сотрудников и особенно студентов. Эти встречи, настоящие творческие дискуссии, научные консультации продолжались более двух десятилетий (до 1985г.) и
приносили пользу молодежи в отношении избранной специальности.
Приведу лишь одно интервью проф. Кириллова И.И., данное корреспонденту областной газеты, после завершения работы Государственной аттестационной комиссии по специальности «Турбиностроение», которую он возглавлял в июне 1981г.
О тенденциях развития энергетики в стране И.И. Кирилов сказал: «Современная
энергетика, как всегда, стоит в центре внимания государства, как важная отрасль, на базе которой развивается наше народное хозяйство.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Особая роль отводится развитию атомной энергетики, которая будет значительно возрастать в связи с топливной проблемой. Очень важным вопросом является повышение маневренности выпускаемого энергетического оборудования. Эта проблема связана с неравномерным графиком загрузки установок. В связи с этим большое значение приобретает развитие производства газовых турбин...
Другая, не менее важная проблема, - выпуск мощных атомных турбин. Строительство
атомных электростанций – единственно правильный путь решения энергетической проблемы
в европейской части России».
Насколько реалистично представлял ученый перспективы развития энергомашиностроения! (А ведь это было сказано почти три десятилетия тому назад).
Свыше трех десятилетий в постоянном общении с Иваном Ивановичем Кирилловым
проходил свой творческий и жизненный путь его выдающийся ученик – выпускник БИТМа
1957г., соавтор по ряду совместных трудов, зав. каф. «Атомные электростанции» ЛПИ, д-р
техн. наук, проф. Иванов В.А. Валерий Алексеевич по достоинству оценил роль своего учителя в развитии многосторонней отрасли турбиностроения: «И.И. Кириллов – один из величайших ученых – турбинистов, чье имя по праву вписано золотыми буквами в историю мировой турбинной науки рядом с именами Л. Эйлера, А. Стодолы, Г. Флюгеля». Сказано убедительно!
В турбинной науке нет ни одной области, которой не затронул бы И.И. Кириллов. Но
работать в направлениях аэродинамики, влажнопаровых турбин, нестационарных процессов
и др. он начал, уже будучи зрелым ученым, и в подходе к ним был реалистом.
Регулирование же было его «первой любовью», которую в душе он пронес сквозь всю
жизнь. В подходе к нему (регулированию) он всегда оставался романтиком. Уходя на годы с
головой в работу по другим разделам науки, ученый постоянно возвращался к дням своей
научной молодости, и, думается, не случайно его последней книгой, его лебединой песней
стал учебник по регулированию. Речь идет об учебном пособии проф. Кириллова И.И. «Автоматическое регулирование паровых и газотурбинных установок» (Л.: Машиностроение,
1988).
В заключение хочется призвать инженеров – специалистов по турбиностроению почаще обращаться к научным трудам проф. Кириллова И.И., что поможет значительно улучшить конструкции тепловых турбоустановок и поднять уровень экономичности отечественного энергомашиностроения. Это будет достойным памятником ученому.
Профессор И.И. Кириллов за многолетний плодотворный труд был отмечен государственными наградами: орденом «Знак Почета» (дважды); Золотой медалью Выставки достижений народного хозяйства страны; Государственной премией СССР; орденом Ленина. Ему
было присвоено почетное звание «Заслуженный деятель науки и техники РСФСР».
Хотелось бы назвать только часть фундаментальных публикаций проф. Кириллова
И.И. по основным научным направлениям отрасли турбиностроения: «Регулирование паровых и газовых турбин» (М.; Л.: ГЭИ, 1952); «Газовые турбины и газотурбинные установки»
(М.: Машгиз, 1956); «Автоматическое регулирование паровых и газовых турбин» (М.: Машгиз, 1961); «Теория турбомашин» (М.; Л.: Машиностроение, 1964); «Основы теории влажнопаровых турбин» (И.И. Кириллов, Р.М. Яблоник. – Л.: Машиностроение, 1968).
И.И. Кириллов – автор 25 монографий, учебников и учебных пособий, свыше 350 статей в отечественных и зарубежных журналах, 80 изобретений и патентов.
Среди учеников И.И. Кириллова – академики и члены-корреспонденты РАН, более 20
докторов и 100 кандидатов наук, тысячи инженеров – специалистов по турбиностроению.
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа