close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

242.Вестник Брянского государственного технического университета №4 2010

код для вставкиСкачать
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ВЕСТНИК
БРЯНСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО
ТЕХНИЧЕСКОГО УНИВЕРСИТЕТА
Научно-технический журнал
Издается с февраля 2004 г.
Периодичность – 4 номера в год
№ 4 (28) 2010
Журнал включён в Перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, в которых
должны быть опубликованы основные научные результаты диссертаций на соискание ученых
степеней кандидата и доктора наук
Учредитель – Государственное
образовательное учреждение
высшего профессионального
образования «Брянский
государственный технический
университет»
Редакционная коллегия:
Главный редактор
А.В.Лагерев, д.т.н., проф.
Зам. гл. редактора
С.П.Сазонов, к.т.н., доц.
Отв. секретарь
В.А.Татаринцев, к.т.н., доц.
Члены редколлегии
В.И.Аверченков, д.т.н., проф.
В.Т.Буглаев, д.т.н., проф.
О.А.Горленко, д.т.н., проф.
Д.В.Ерохин, к.э.н., доц.
Б.Г.Кеглин, д.т.н., проф.
В.В.Кобищанов, д.т.н., проф.
В.И.Попков, к.т.н., доц.
А.Ф.Степанищев, д.ф.н., проф.
О.Н.Федонин, д.т.н., проф.
Г.А.Федяева, д.т.н., проф.
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
тел. (4832) 58-82-77
e-mail: vestnik@tu-bryansk.ru
Подписные индексы каталога
«Пресса России» - 18945- п/г
15621 – годовая
Брянский государственный
технический университет, 2010
СОДЕРЖАНИЕ НОМЕРА
Машиностроение
Технология, инструменты и оборудование
машиностроительных производств
Сосновский В.Я., Чайка О.Р. Новая конструкция
рабочих органов лесной фрезы……………………….
Мирошников В.В., Филипчук А.А. Управление
качеством конструкторско-технологической подготовки производства на основе применения комплексной FMEA-методологии………………………..
Гуров Р.В. Методология проектирования операций
отделочно-упрочняющей обработки деталей машин
поверхностно-пластическим деформированием…….
Тихомиров В.П., Измеров М.А. Модель инженерной поверхности……………………………………….
Бишутин С.Г. Износостойкость шлифованных поверхностей деталей…………………………………….
Транспортное машиностроение
Тарасик В.П., Курстак В.И., Пузанова О.В. Адаптивное управление блокированием гидротрансформатора гидромеханической передачи………………...
Тихомиров В.П., Кондратович А.В., Стриженок
А.Г. Качество поверхности металлокерамического
материала……………………………………………….
Аксютенков В.Т., Титенок А.В., Тимаков А.К.
Буксовая направляющая с элементами качения……..
4
7
17
24
30
34
44
50
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2010. № 4(28)
Болдырев А.П., Жиров П.Д. Разработка математической модели и расчет характеристик поглощающего аппарата автосцепки с полимерными элементами при различных температурах окружающей среды………………………………………………
Лагерев А.В., Лагерев И.А., Говоров В.В. Модернизация крана-манипулятора самоходной энергетической машины АСТ-4-А……………………………………………
Управление, вычислительная техника
и информатика
Серпик И.Н., Шевченко К.В. Разработка генетического алгоритма слабовзаимодействующих популяций для оптимизации несущих систем………………………….
Гулаков В.К., Буйвал А.К., Паршиков П.А. Математическое обеспечение управления процессом согласования интересов субподрядчиков при выполнении работ
по проекту………………………………………………………………………………….
Федонин О.Н., Петрешин Д.И., Хандожко В.А., Агеенко А.В. Повышение эффективности работы токарно-револьверного станка с ЧПУ 1В340Ф30 путем модернизации и настройки его системы управления…………………………………………….
Экономика и менеджмент
Новикова А.В., Панченко В.М., Исайченкова В.В. Инновационное развитие и
модернизация экономики РФ как факторы повышения национальной конкурентоспособности в условиях глобализации…………………………………………………..
Ефимова Г.В. Управление процессами аутсорсинга в системе менеджмента качества организации……………………………………………………………………………..
Образование
55
59
67
75
82
88
96
Черенкова С.Л. Система мониторинга компетентности студентов технического
вуза в сфере здоровья……………………………………………………………………...
104
Холодовский В.Е., Мачихина И.О., Кульченков Е.А. Поправка на электронный
вклад в теплоемкость металлов в модели ван-дер-ваальсовских взаимодействий….
115
Афонина Л.И., Трифанков Ю.Т., Дзюбан В.В. Исследование патерналистской
системы управления в Мальцовском промышленном округе…………………………
124
Abstracts…………………………………………………………………………………...
130
Сведения об авторах……………………………………………………………………..
133
Естественные науки
Общественные науки
2
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2010. № 4(28)
CONTENTS
Mechanical engineering
Technology, tools and equipment of mechanical engineering factories
Sosnovsky V. J., Chayka O.R. New design of timber cutters……………………………..
Miroshnikov V.V., Filipchuk A.A. Quality management design technological preparation of production through an integrated fmea-technologies………………………………..
Gurov R. V. Methodology for the design of operations finish-hardening treatment machine parts surface plastic deformation……………………………………………………..
Tikhomirov V.P., Izmerov M.A. Model of engineering surface………………………….
Bishutin S.G. Wear resistance of the ground surfaces of details…………………………...
Transport mechanical engineering
Tarasik V.P., Kurstak V.I., Puzanova O.V. Hydromechanical transmission torque converter lockup adaptive control………………………………………………………………
Tikhomirov V.P., Kondratovich A.V., Stryszenock A.G. Quality of the surface of the
ceramic-metal material. …………………………………………………………………….
Aksyutenkov V.T.; Titenok A.V.; Timakov A.K. Axle guard with rolling elements……
Boldirev A.P., Girov P.D. Development of mathematical model and calculation of
characteristics of spring buffer with polymeric components at different environmental
temperatures…………………………………………………………………………………
Lagerev A.V., Lagerev I.A., Govorov V.V. Crane-manipulator of mobile energy unit
ast-4-a modernization……………………………………………………………………….
Management, computer facilities аnd computer science
Serpik I. N., Shevchenko K.V. Receach of genetic algorithm of weakly cooperating
populations for optimization of construction………………………………………………..
Gulakov V.K., Buyval A.K., Parshikov P.A. Mathematical model of management process of the coordination interests of subcontractors at performance of works under the
project……………………………………………………………………………………….
Fedonin O.N., Petreshin D.I., Khandozhko V.A., Ageenko A.V. Increase of overall
performance of the tokarno-capstan lathe with CNC 1В340Ф30 by modernization and
adjustment of its control system…………………………………………………………….
Economy and management
Novikova A.V., Panchenko V.M., Isaychenkova V.V. Innovation development and
modernization of russian federation’s economics as factors of increase national competitiveness in terms of globalization…………………………………………………………...
Efimova G.V. Outsourcing process management in the quality management system of the
organization…………………………………………………………………………………
Education
Tcerenkova S.L. The monitoring system the technical higher student's capacity in
sphere of health……………………………………………………………………………..
Natural sciences
Kholodovskij V.E., Machikhina I.O., Kulchenkov E.A. Correction for the electronic
contribution to the heat capacity of metals in the model of van der waals interaction……..
Public sciences
Afonina L.I., Trifankov Y.T., Dzyuban V.V. Research of Paternalistic Management
System in Maltsov's Industrial District……………………………………………………...
Abstracts …………………………………………………………………………………...
3
4
7
17
24
30
34
44
50
55
59
67
75
82
88
96
104
115
124
130
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2010. № 4(28)
МАШИНОСТРОЕНИЕ
ТЕХНОЛОГИЯ, ИНСТРУМЕНТЫ И ОБОРУДОВАНИЕ
МАШИНОСТРОИТЕЛЬНЫХ ПРОИЗВОДСТВ
УДК
634*0.036
В.Я. Сосновский, О.Р.Чайка
НОВАЯ КОНСТРУКЦИЯ РАБОЧИХ ОРГАНОВ ЛЕСНОЙ ФРЕЗЫ
Приведены результаты исследований, направленных на обоснование параметров новой конструкции ножа
лесной фрезерной почвообрабатывающей машины для полосной обработки почвы на вырубках с дренированными почвами.
Ключевые слова: лесная фреза, параметры ножа, обработка почвы, кинематика движения, угол отгиба крыла.
Обработка почвы играет важнейшую роль в выращивании высокопродуктивных насаждений. Лесные фрезы применяют для полосной обработки почвы на вырубках. По качеству подготовки почвы они существенно превосходят плуги лемешного типа, однако
имеют ряд недостатков. Главными из них являются высокая энергоемкость и сравнительно низкая производительность [1].
На основании анализа конструкций современных лесных фрез и патентной документации была предложена новая конструкция ножа для фрезерных почвообрабатывающих
машин типа ФБН-1,5 или ФЛУ-0,8. В стойке ножа сделан П-образный вырез. Вырезанная
часть, отогнутая на определённый угол, образует дополнительное крыло, ширина полки
которого меньше или равна ширине выреза, что исключает возможность залипания почвы
(рис.1). Дополнительному крылу необходимо придать угол наклона в вертикальной плоскости, а его кромкам – заточку. Использование ножа новой
конструкции позволит увеличить производительность фрезерных машин за счет повышения скорости движения агрегата без снижения качества обработки почвы.
Основными параметрами ножа почвообрабатывающей
фрезы являются длина стойки ножа L и угол отгиба крыла β.
Рабочие органы ротационных машин совершают сложное
движение, состоящее из относительного (вращательного вокруг оси фрезерного барабана со скоростью V 0 ) и переносного (поступательного со скоростью V n ) движений. Различные
соотношения скоростей относительного и переносного
движений λ = V O /V n определяют траекторию движения рабочего органа и высоту гребня на дне борозды. Чем больше
λ , тем сильнее траектория по форме приближается к окружности и тем меньше h гp - высота гребней. Элементы траектории движения лезвия ножа фрезы приведены на рис. 2.
Рис. 1. Г-образный нож
Особенностью кинематики почвообрабатывающих
с дополнительным крылом
фрезерных машин является то, что с изменением траектории
движения лезвия ножа в почве изменяется и угол резания α . Это изменение тем значительнее, чем меньше λ .
4
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2010. № 4(28)
Обозначив угол заострения лезвия ножа через i, а задний угол, обеспечивающий зазор между необработанной почвой и затылком ножа, через ∆ξ , получим минимальный
угол резания в точках Aц (Aц′ ) :
α min = i + ∆ξ .
Изменение угла резания
зависит от λ и угла поворота
фрезерного барабана ϕ . Если
V n =0, т. е. λ = ∞ , то изменение угла резания ∆α =0, a
траектория движения - окружность. С уменьшением λ
величина
изменения угла
резания возрастает: для λ =1
∆α = ϕ
. Оно
достигает
2
своего предельного значения
π при ϕ = π .
2
Угол резания
α (α 0 ) изменяется от минимума в точке входа ножа в
почву до максимума в самой
нижней точке.
α = α min + ∆α .
Рис. 2. Элементы траектории движения ножа
Анализируя зависимость
∆α = f (λ ) , можно рекомендовать оптимальные значения λ в пределах
4...6. Дальнейшее уменьшение λ вызывает
более значительное увеличение ∆α , а следовательно, и пределов изменения угла резания.
Угол γ между радиусом R, проходящим
через наиболее удаленную от центра фрезерного барабана точку N ножа, и отрезком, соединяющим ось переднего болта крепления
ножа с точкой N (рис. 3):
 R 2 + l 2 − Rq2 
,
γ = ar cos

Rl
2


где l =L – (0,015…0,02).
Угол отгиба крыла:
- при внешней заточке
β=
π
+ γ −α − i ;
2
- при внутренней заточке
β=
Рис. 3. Кинематическая схема ножа
5
π
2
+ γ − α0 .
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2010. № 4(28)
ды:
В результате анализа кинематики движения ножа можно сделать следующие выво-
1. Угол отгиба дополнительного крыла β 2 мало зависит от радиуса фрезерного барабана, в отличие от угла отгиба основного крыла β1 . Угол β1 изменяется в пределах
75...89°, а угол β 2 =73...74° (в зависимости от значения радиуса фрезерного барабана R,
которое изменяется в интервале 0,2...0,5 м). Разница между углами составляет 2...15°.
2. Величина изменения угла резания зависит от угла поворота фрезерного барабана
ϕ и соотношения скоростей λ = Vn V . Можно рекомендовать оптимальные значения λ
0
в интервале 4...6. Дальнейшее уменьшение λ вызовет увеличение ∆α , a следовательно, и
пределов изменения угла резания, что приведет к быстрому износу рабочего органа фрезы.
3. Углы отгиба основного и дополнительного крыльев существенно зависят от соотношения скоростей λ , в отличие от радиуса R. Угол отгиба основного крыла β1 =68...92°,
а угол отгиба дополнительного крыла β 2 =54...76°. Разница между углами составляет
14...16°.
4. Нож новой конструкции должен иметь угол отгиба основного крыла β1 =87°, а
угол отгиба дополнительного крыла – β 2 =73° при значении радиуса фрезерного барабана
R=0,4 м. Такая конструкция ножа позволяет повысить подачу на нож при неизменном качестве обработки почвы. При этом будет уменьшено значение λ , что позволит увеличить
скорость поступательного движения агрегата V 0 и его производительность.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Гаджиев, П.И. Конструктивные особенности фрезы для сплошной обработки почвы / П.И. Гаджиев, К.Л.
Коваль// Вестн. Рос. гос. аграр. заоч. ун-та. - 2008. - №4. - С.123-126.
Материал поступил в редколлегию 6.10.10.
6
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2010. № 4(28)
УДК 658.562
В.В.Мирошников, А.А.Филипчук
УПРАВЛЕНИЕ КАЧЕСТВОМ КОНСТРУКТОРСКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ
ПОДГОТОВКИ ПРОИЗВОДСТВА НА ОСНОВЕ ПРИМЕНЕНИЯ
КОМПЛЕКСНОЙ FMEA-МЕТОДОЛОГИИ 1
Предложен комплексный подход к применению FMEA-анализа в области конструкторско-технологической
подготовки производства, который включает проведение DFMEA-анализа конструкции изделия, PFMEAанализа технологии производства изделия и MFMEA-анализа оборудования (оснастки).
Ключевые слова: управление качеством, конструкторско-технологическая подготовка производства, FMEA,
DFMEA, PFMEA, MFMEA.
Почти на любом отечественном предприятии, выпускающем конечную продукцию
или компоненты к ней, на стадии серийного производства существует по крайней мере
три проблемы. Первая – достаточно высокий уровень несоответствий (брака). Вторая –
довольно высокий процент рекламаций от потребителя, что также ложится экономическим бременем на предприятие, но главное – сильно подрывает репутацию как продукции,
так и предприятия. Третья проблема: продукция плохо продается, особенно при наличии
конкурентного товара. В большинстве случаев эти проблемы вызваны низким уровнем
разработки и подготовки производства продукции [1].
В автомобилестроении для повышения качества процессов разработки и подготовки
производства стал применяться метод анализа отказов и последствий потенциальных отказов (FMEA-анализ) [2]. В мире накоплен значительный опыт разработки и успешного
применения методов FMEA-анализа. На сегодняшний день в развитых странах не менее
80% разработок технических изделий проводится с применением FMEA-методологии.
В данной статье авторами предлагается комплексный подход к применению FMEAанализа в области конструкторско-технологической подготовки производства, который в
настоящее время приобретает все большую актуальность.
Комплексный подход к проведению FMEA-анализа включает проведение DFMEAанализа конструкции изделия, PFMEA-анализа технологии производства изделия и
MFMEA-анализа оборудования (оснастки). Особенность такого комплексного анализа заключается в соподчинённости и последовательности выполнения различных видов FMEA:
FMEA изделия – FMEA сборочной единицы (СЕ) – FMEA детали. Все виды FMEA связаны и зависят один от другого (рис. 1)[3]. Результат FMEA конструкции изделия, узла является основой для FMEA процесса сборки изделия, узла. Очевидно, что последний
должен проводиться после ввода изменений в конструкцию узла по результатам
FMEA конструкции. FMEA оборудования должен проводиться после ввода изменений в
технологический процесс по результатам FMEA процесса. Учитывая это, сначала надо
проводить FMEA конструкции, затем FMEA процесса, а завершать цепочку анализов
должен FMEA оборудования. Ниже более подробно рассмотрены первые две стадии комплексного FMEA-анализа.
DFMEA-анализ конструкции. Предложенный конструкторами эскизный вариант
конструкции (изделия, узла, детали) подвергается всестороннему анализу по методу
DFMEA. Здесь работает межфункциональная DFMEA-команда, в которую, как правило,
1
Работа выполнена в рамках реализации ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 гг. (контракт №П770 от 20.05.10).
7
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2010. № 4(28)
входят: конструктор; технолог (если функции технолога-проектировщика и цехового технолога разделены, то оба технолога); представитель маркетинговой службы, знающий, как
подобные изделия ведут себя в эксплуатации и сервисной мастерской; представитель
службы качества; испытатель, имевший дело с подобными конструкциями; представитель
производства; представитель потребителя; представители других подразделений, полезные при рассмотрении конструкции.
Рис. 1. Схема комплексной FMEA-методологии
Согласно предлагаемому авторами алгоритму работы DFMEA-команды (рис. 2),
DFMEA-анализ складывается из следующих основных этапов:
1. Ознакомление с предложенным проектом конструкции (изделия, узла, детали). Ведущий DFMEA-команды представляет для ознакомления членам своей команды комплект
документов по предложенному проекту конструкции.
2. Определение видов потенциальных дефектов, их последствий и причин. Для конкретного технического объекта с его конкретной функцией определяют, пользуясь имеющейся информацией и предшествующим опытом, все возможные виды дефектов. Описание каждого вида дефекта заносят в протокол анализа видов, причин и последствий потенциальных дефектов, составленный, например, в виде таблицы. Форма протокола должна быть предварительно выбрана и утверждена.
3. Для всех описанных видов потенциальных дефектов определяют их последствия
на основе опыта и знаний DFMEA-команды. Для каждого вида дефекта может быть несколько потенциальных последствий, все они должны быть описаны.
4. Для каждого последствия дефекта экспертно определяют балл значимости S при
помощи таблицы баллов значимости. Балл значимости изменяется от 1 (для наименее значимых по ущербу дефектов) до 10 (для наиболее значимых по ущербу дефектов). Для
конкретного предприятия эта таблица должна быть пересмотрена в соответствии с его
спецификой и конкретными последствиями дефектов.
При составлении таких таблиц необходимо иметь в виду, что по мере снижения значимости последствий дефектов при их описании следует переходить от терминов безо8
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2010. № 4(28)
пасности и экологии к терминам утраты основных функций объекта, далее к терминам потерь (на устранение дефекта и др.), затем к терминам неудовольствия (неудобства) потребителя, включая в число потребителей и персонал, участвующий в процессе изготовления,
а также персонал, обслуживающий технический объект в эксплуатации.
Типовые значения баллов значимости приведены в табл. 1[1].
В дальнейшем при работе DFMEA-команды используется один, максимальный балл
значимости S из всех баллов для последствий данного дефекта.
Таблица 1
Рекомендуемая шкала баллов значимости S для FMEA-конструкции
Последствие
Опасное без предупреждения
Опасное с предупреждением
Очень важное
Важное
Умеренное
Слабое
Очень слабое
Незначительное
Очень незначительное
Отсутствует
Критерии значимости последствия
Очень высокий ранг значимости, когда вид потенциального дефекта ухудшает безопасность работы конструкции и/или вызывает
несоответствие обязательным требованиям безопасности и экологии без предупреждения
Весьма высокий ранг значимости, когда вид потенциального дефекта ухудшает безопасность работы конструкции или вызывает
несоответствие обязательным требованиям безопасности и экологии с предупреждением
Конструкция неработоспособна с потерей основной функции
Балл S
10
Конструкция работоспособна, но снижен уровень эффективности.
Потребитель неудовлетворен
Конструкция работоспособна, но системы комфорта и удобства
неработоспособны. Потребитель испытывает дискомфорт
7
Конструкция работоспособна, но системы комфорта и удобства
работают малоэффективно. Потребитель испытывает некоторое
неудовлетворение
Отделка и шумность конструкции не соответствуют ожиданиям
потребителя. Дефект замечает большинство потребителей
Отделка и шумность конструкции не соответствуют ожиданиям
потребителя. Дефект замечает средний потребитель
Отделка и шумность конструкции не соответствуют ожиданиям
потребителя. Дефект замечают придирчивые потребители
Нет последствия
5
9
8
6
4
3
2
1
5. Для каждого дефекта определяют потенциальные причины. Для одного дефекта
может быть выявлено несколько потенциальных причин, все они должны быть по возможности полно описаны и рассмотрены отдельно.
6. Для каждой потенциальной причины дефекта экспертно определяют балл возникновения О. При этом экспертно оценивается частота данной причины, приводящей к рассматриваемому дефекту.
Балл возникновения изменяется от 1 (для самых редко возникающих дефектов) до 10
(для дефектов, возникающих почти всегда). Типовые значения баллов возникновения приведены в табл. 2 [1].
7. Для данного дефекта и каждой отдельной причины определяют балл обнаружения
D в ходе предполагаемого процесса изготовления.
Балл обнаружения изменяется от 10 (для практически необнаруживаемых дефектов
и причин) до 1 (для практически достоверно обнаруживаемых дефектов и причин). Типовые значения баллов обнаружения приведены в табл. 3 [1].
8. После получения экспертных оценок S, О, D вычисляют приоритетное число риска
(ПЧР) по формуле [1]
ПЧР = S∙O∙D.
9
(1)
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2010. № 4(28)
Рис. 2. Блок-схема алгоритма проведения DFMEA-анализа конструкции
10
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2010. № 4(28)
Таблица 2
Рекомендуемая шкала баллов возникновения О для FMEA-конструкции
Вероятность дефекта
Очень высокая: дефект почти неизбежен
Высокая: повторяющиеся дефекты
Умеренная: случайные дефекты
Низкая: относительно мало дефектов
Малая: дефект маловероятен
Возможные частоты дефектов
Более 1 из 2
1 из 3
Более 1 из 8
1 из 20
Более 1 из 80
1 из 400
1 из 2 000
Более 1 из 15 000
1 из 150 000
Менее 1 из 1 500 000
Балл О
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
Для дефектов, имеющих несколько причин, определяют соответственно несколько
ПЧР. Каждое ПЧР может иметь значения от 1 до 1000.
Таблица 3
Рекомендуемая шкала баллов обнаружения D для FMEA-конструкции
Обнаружение
Критерии: правдоподобность обнаружения при проектируемом контроле
Абсолютная
неопределенность
Проектируемый контроль не может обнаружить потенциальную причину
(механизм) и последующий вид дефекта или контроль не предусмотрен
Очень плохие шансы обнаружения потенциальной причины (механизма)
и последующего вида дефекта при предлагаемом контроле
Плохие шансы обнаружения потенциальной причины (механизма) и последующего вида дефекта при предлагаемом контроле
Очень ограниченные шансы обнаружения потенциальной причины (механизма) и последующего вида дефекта при предлагаемом контроле
Ограниченные шансы обнаружения потенциальной причины (механизма) и последующего вида дефекта при предлагаемом контроле
Умеренные шансы обнаружения потенциальной причины (механизма) и
последующего вида дефекта при предлагаемом контроле
Умеренно высокие шансы обнаружения потенциальной причины (механизма) и последующего вида дефекта при предлагаемом контроле
Очень плохое
Плохое
Очень слабое
Слабое
Умеренное
Умеренно хорошее
Хорошее
Очень хорошее
Почти наверняка
Высокие шансы
Очень высокие шансы
Проектируемые действия (контроль) почти наверняка обнаруживают
потенциальную причину и последующий вид дефекта
Балл D
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
9. Для приоритетного числа риска должна быть заранее установлена критическая
граница (ПЧР гр ). Для определения ПЧР гр можно использовать карты риска [5]. На практике обычно ПЧР гр определяют экспертно в пределах от 100 до 125. По усмотрению службы
маркетинга и других служб предприятия для некоторых возможных дефектов значение
ПЧР может быть установлено менее 100. Снижение ПЧР гр соответствует созданию более
жестких требований для обеспечения высококачественных и надежных объектов и процессов.
10. Составляют перечень дефектов и причин, для которых значение ПЧР превышает ПЧР гр . Именно для них и следует далее вести доработку конструкции.
Для каждого дефекта или причины с ПЧР > ПЧР гр команда должна прилагать усилия
к снижению этого расчетного показателя посредством доработки конструкции.
11. После того как действия по доработке определены, необходимо оценить и записать значения баллов значимости S, возникновения О и обнаружения D для нового предложенного варианта конструкции. Следует проанализировать новый предложенный вариант и подсчитать и записать новое значение ПЧР (в соответствии с рис. 2).
11
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2010. № 4(28)
Все новые значения ПЧР следует рассмотреть и, если необходимо дальнейшее их
снижение, повторить предыдущие действия. Руководитель DFMEA-команды должен подтвердить, что все предложения членов команды по доработке конструкции были рассмотрены.
12. В конце работы DFMEA-команды должен быть составлен и подписан протокол,
в котором отражены основные результаты работы команды, включающие:
• состав DFMEA-команды;
• описание технического объекта и его функций;
• перечень дефектов и/или причин для первоначально предложенного варианта конструкции;
• экспертные баллы S, О, D и ПЧР для каждого дефекта и причины первоначально
предложенного варианта конструкции;
• предложенные в ходе работы DFMEA-команды корректирующие действия по доработке первоначально предложенного варианта конструкции;
• экспертные баллы S, О, D и ПЧР для каждого дефекта и причины доработанного
варианта конструкции.
При необходимости к протоколу работы DFMEA-команды прилагают соответствующие чертежи, таблицы, результаты расчета и т. д.
PFMEA-анализ технологии. Этап проектирования технологии производства необходим для всех предприятий, в том числе и для тех, которые используют готовые конструкции и технологии. Реализация даже идеальной технологии в новых условиях, с другими исполнителями, сырьем и т. д. может преподнести сюрпризы, поэтому в любом случае
предложенная технология должна быть подвергнута PFMEA-анализу.
При проектировании технологии необходимо пройти два шага [1]:
1. Создание эскизного варианта технологии.
2. Анализ и доработка технологии по методу PFMEA.
На первом шаге технолог разрабатывает эскизный вариант технологии.
На втором шаге предложенный эскизный вариант технологии подвергается всестороннему анализу по методу PFMEA. В соответствующую PFMEA-команду, как правило,
входят: технолог — автор представленной технологии; цеховой технолог; конструктор;
представитель службы качества; представитель производства; метролог; конструкторы
технологической и метрологической оснастки; представители других подразделений, полезные при рассмотрении технологии.
На рис. 3 представлена блок-схема предлагаемого авторами алгоритма работы
PFMEA-команды. PFMEA-анализ проводится в таком же порядке,. как и DFMEA-анализ
(рис. 2).
Для каждого последствия дефекта экспертно определяют балл значимости S при
помощи таблицы баллов значимости. Типовые значения баллов значимости приведены в
табл. 4 [1].
Для каждой потенциальной причины дефекта экспертно определяют балл возникновения О. При этом рассматривается предполагаемый процесс изготовления и экспертно
оценивается частота данной причины, приводящей к рассматриваемому дефекту. Также
учитывается статистический индекс С пк , который определяет возможности технологического процесса по обеспечению установленного допуска на показатель качества. Типовые
значения баллов возникновения приведены в табл. 5 [1].
Для данного дефекта и каждой отдельной причины определяют балл обнаружения D
в ходе предполагаемого процесса изготовления. Типовые значения баллов обнаружения
приведены в табл. 6 [1].
После получения экспертных оценок S, О, D вычисляют приоритетное число риска
по формуле (1). Для дефектов, имеющих несколько причин, определяют соответственно
12
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2010. № 4(28)
Рис. 3. Блок-схема алгоритма проведения PFMEA-анализа технологии
13
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2010. № 4(28)
несколько ПЧР. Каждое ПЧР может иметь значения от 1 до 1000.
Критическая граница ПЧР гр определяется по той же методике, что и в DFMEAанализе.
Таблица 4
Рекомендуемая шкала баллов значимости S для PFMEA-процесса
Последствие
Критерии значимости последствия
Балл S
Может подвергнуть опасности персонал у станка или на сборке. Очень высокий
Опасное без пре- ранг значимости, когда вид потенциального дефекта ухудшает безопасность
дупреждения
работы изделия и/или вызывает несоответствие обязательным требованиям
безопасности и экологии без предупреждения
Может подвергнуть опасности персонал у станка или на сборке. Весьма высоОпасное с преду- кий ранг значимости, когда вид потенциального дефекта ухудшает безопаспреждением
ность работы изделия и/или вызывает несоответствие обязательным требованиям безопасности и экологии с предупреждением
Очень важное
Важное
9
Большое нарушение производственного процесса. Может браковаться до 100 %
продукции. Изделие неработоспособно с потерей главной функции. Потребитель очень недоволен
Небольшое нарушение производственного процесса. Часть продукции бракуется. Изделие работоспособно, но эффективность понижена. Потребитель неудовлетворен
8
7
Небольшое нарушение производственного процесса. Часть продукции необходимо забраковать. Изделие (узел) работоспособно, но некоторые системы комфорта и удобства не работают. Потребитель испытывает дискомфорт
Умеренное
Слабое
Очень слабое
Незначительное
Очень
незначительное
Отсутствует
10
6
Может потребоваться переделка продукции. Изделие (узел) работоспособно, но
некоторые системы комфорта и удобства работают с пониженной эффективностью. Потребитель испытывает некоторое неудовлетворение
Небольшое нарушение производственного процесса. Может потребоваться
частичная переделка продукции. Отделка и шумность изделия не соответствуют ожиданиям потребителя. Этот дефект замечает большинство потребителей
Небольшое нарушение производственного процесса. Может потребоваться переделка части продукции на специальном участке. Отделка и шумность не соответствуют ожиданиям потребителя. Дефект замечает средний потребитель
Небольшое нарушение производственного процесса. Может потребоваться доработка части продукции. Отделка и шумность не соответствуют ожиданиям
потребителя. Дефект замечает разборчивый потребитель
5
4
3
2
Нет последствия
1
Составляют перечень дефектов и причин, для которых значение ПЧР превышает
ПЧР гр . Именно для них и следует далее вести доработку технологического процесса. Для
каждого дефекта или причины с ПЧР > ПЧР гр команда должна прилагать усилия к снижению этого расчетного показателя посредством доработки технологического процесса.
Таблица 5
Рекомендуемая шкала баллов возникновения O для PFMEA-процесса
Вероятность дефекта
Очень высокая: дефект почти неизбежен
Высокая: ассоциируется с аналогичными
процессами, которые часто отказывают
Возможные частоты дефектов
Более 1 из 2
1 из 3
Более 1 из 8
1 из 20
14
Индекс С пк
Балл О
Менее 0,33
0,33
Менее 0,51
0,67
10
9
8
7
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2010. № 4(28)
Окончание табл. 5
Вероятность дефекта
Умеренная: в общем ассоциируется с
предыдущими процессами, при которых
наблюдались случайные дефекты, но не в
большой пропорции
Низкая: отдельные дефекты, связанные с
подобными процессами
Очень низкая: отдельные дефекты, связанные с почти идентичными процессами
Малая: дефект маловероятен. Дефекты
никогда не связаны с идентичными процессами
Возможные частоты дефектов
Индекс С пк
Балл О
Менее 0,83
1,00
1,17
6
5
4
Более 1 из 15 000
Менее 1,33
3
Более 1 из 150 000
Менее 1,50
2
Менее 1 из 1 500 000
Более 1,67
1
Более 1 из 80
1 из 400
1 из 2 000
В конце работы РFMEA-команды должен быть составлен и подписан протокол, в котором отражены основные результаты работы команды.
Таблица 6
Рекомендуемая шкала баллов обнаружения D для PFMEA-процесса
Обнаружение
Критерии
Балл D
Почти невозможно
Нет известного метода контроля для обнаружения вида дефекта в производственном процессе
10
Очень плохое
Вероятность обнаружения вида или причины (ошибки) отказа невысокая
9
Плохое
Обнаружение вида отказа после завершения процесса оператором с помощью
органолептических методов
8
Очень слабое
Обнаружение вида отказа оператором в ходе процесса с помощью органолептических методов или после завершения процесса с помощью контроля по
альтернативному признаку
7
Слабое
Обнаружение вида отказа по завершении процесса оператором с применением контроля по количественному признаку или на месте путем контроля по
альтернативному признаку
6
Умеренное
Обнаружение вид отказа или ошибки на месте оператором с применением
контроля по количественному признаку или системой автоматического
встроенного контроля, которая выявляет несоответствующие детали и предупреждает оператора
5
Умеренно хорошее
Обнаружение вида отказа после завершения процесса автоматическим контролем, который блокирует несоответствующие детали, чтобы предотвратить
их дальнейшую обработку
4
Хорошее
Обнаружение причины (ошибки) отказа на месте автоматическим контролем
3
Очень хорошее
Обнаружение причины (ошибки) отказа на месте автоматическим контролем
и предотвращение производства отличающейся детали
2
Предупреждение ошибки как результат проектирования оснастки, станков
или деталей. Несоответствующие детали не производятся.
1
Почти наверняка
Опытная проверка изложенной в статье методики проводилась на электрических соединителях производства ФГУП «Карачевский завод «Электродеталь» [4].
15
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2010. № 4(28)
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Горленко, О.А. Управление качеством в производственно-технологических системах: учебник / О.А.
Горленко, В.В. Мирошников, Н.М. Борбаць. – Брянск: БГТУ, 2009. – 312 с.
2. ГОСТ Р 51814.2-2001. Системы качества в автомобилестроении. Метод анализа видов и последствий потенциальных дефектов.
3. Годлевский, В.Е. Применение метода анализа видов, причин и последствий потенциальных несоответствий (FMEA) на различных этапах жизненного цикла автомобильной продукции / В.Е. Годлевский, А.Я.
Дмитриев, Г.Н. Изюменко, А.В. Литвинов, Г.Л. Юнак. – Самара: Перспектива, 2002. – 160 с.
4. Филипчук, А.А. Менеджмент качества технологической подготовки производства на основе применения
FMEA-методологии / А.А. Филипчук, Т.П. Дементьева, В.С. Ликсанова // Менеджмент качества продукции и услуг: материалы 3-й Междунар. науч-техн. конф. (г. Брянск, 27-28 апр. 2010 г.): в 2 т. / под ред.
О.А. Горленко. - Брянск: БГТУ, 2010.
5. Зинкевич, В.А. Карта рисков – эффективный инструмент управления / В.А. Зинкевич // Франклин &
Грант. Риск-консалтинг.- 2004.
Материал поступил в редколлегию 10.09.10.
16
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2010. № 4(28)
УДК 621.787
Р.В. Гуров
МЕТОДОЛОГИЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ОПЕРАЦИЙ
ОТДЕЛОЧНО-УПРОЧНЯЮЩЕЙ ОБРАБОТКИ ДЕТАЛЕЙ МАШИН
ПОВЕРХНОСТНО-ПЛАСТИЧЕСКИМ ДЕФОРМИРОВАНИЕМ
Описана методология выбора методов отделочно-упрочняющей обработки рабочих поверхностей деталей
машин ППД, определения параметров инструмента и режимов обработки в зависимости от функционального назначения поверхности. Приведены некоторые справочные материалы. Представлен пример результатов
расчетов по предлагаемой методологии.
Ключевые слова: поверхностное пластическое деформирование, шероховатость, упрочнение, инструмент,
режимы обработки.
Широкое применение в промышленности для повышения долговечности деталей
машин получили методы отделочно-упрочняющей обработки поверхностно-пластическим
деформированием (ОУО ППД). К ним относятся все методы обработки деталей, связанные с пластическим деформированием только их поверхностных слоев и практически не
изменяющие исходную точность размеров. Это накатывание, выглаживание, вибронакатывание, виброобработка, дробеструйная, центробежно-ударная, статико-импульсная обработка и др. виды обработки различных поверхностей деталей машин.
Выбор методов ОУО ППД осуществляется в зависимости от размеров деталей, формы и функционального назначения обрабатываемой поверхности. Выбор методов обработки деталей малых размеров (до 100 мм) представлен в табл. 1. Аналогичные таблицы
составляются для деталей средних (от 100 до 300 мм) и крупных (более 300 мм) размеров.
В зависимости от точности обрабатываемой поверхности выбирается метод предшествующей обработки, который, в свою очередь, достаточно однозначно определяет исходную для ОУО ППД шероховатость поверхности.
В зависимости от функционального назначения обрабатываемой поверхности детали
ОУО ППД можно выполнять на отделочных, отделочно-упрочняющих и упрочняющих
режимах.
Отделочная обработка ППД выполняется с целью уменьшения исходной шероховатости поверхности и увеличения ее несущей способности, т.е. увеличения параметра шероховатости t p или уменьшения параметра Rр, практически без упрочнения поверхностного слоя детали. Это необходимо для повышения износостойкости детали при жидкостном
трении, контактной жесткости, герметичности и коррозионной стойкости. Процесс отделочной обработки ППД деталей осуществляется при рабочем давлении, обеспечивающем
частичное сглаживание выступов шероховатости при контактном сближении у к ≤ 0,5 Rр исх
Отделочно-упрочняющая обработка ППД выполняется с целью уменьшения исходной шероховатости поверхности, увеличения ее несущей способности и частичного поверхностного упрочнения детали. Это необходимо для повышения износостойкости при
граничном трении, контактной жесткости, герметичности и частично усталостной прочности деталей. Процесс отделочно-упрочняющей обработки ППД деталей осуществляется
при рабочем давлении, обеспечивающем контактное сближение в пределах 0,5 Rр исх ≤ у к ≤
Rр исх .
Упрочняющая обработка ППД выполняется с целью упрочнения поверхностного
слоя детали. Это необходимо для повышения износостойкости при сухом трении и усталостной прочности деталей. При этом происходит полное переформирование исходной
шероховатости, вплоть до формирования нового регулярного профиля. Процесс упрочняющей обработки ППД осуществляетcя при у к > Rр исх .
17
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2010. № 4(28)
Таблица 1
Выбор методов ОУО ППД для деталей малых размеров (менее 100 мм)
Виды поверхностей
Функциональное назначение поверхностей
Работающие в условиях
Воспринимающие стаОбеспечивающие гертрения и изнашивания
тические и динамичеметичность
ские нагрузки
Наружные
поверхности
вращения
Алмазное выглаживание
и виброобработка на отделочно-упрочняющих
режимах
Внутренние
поверхности
вращения
Плоские поверхности
Раскатывание и калибрование на отделочноупрочняющих режимах
Алмазное вибровыглаживание и виброобработка на отделочноупрочняющих режимах
Фасонные поверхности
Алмазное выглаживание
и виброобработка на отделочно-упрочняющих
режимах
Мелкие зубья
и шлицы
Формообразующее накатывание и ЭМО
Наружные
мелкие резьбы
Формообразующее накатывание плоскими
плашками и роликами,
ЭМО
Формообразующее раскатывание резьбы
Внутренние
мелкие резьбы
Алмазное выглаживание, виброобработка и
центробежно-ударная
обработка на упрочняющих режимах
Раскатывание, калибрование и дорнование на
упрочняющих режимах
Алмазное вибровыглаживание, виброобработка, центробежноударная и импульсная
обработка на упрочняющих режимах
Алмазное выглаживание, виброобработка,
ударно-импульсная обработка на упрочняющих режимах
Формообразующее накатывание и виброобработка
Формообразующее накатывание плоскими
плашками и роликами
Алмазное выглаживание
на отделочных режимах
Формообразующее раскатывание резьбы и создание гладкорезьбовых
соединений
Создание гладкорезьбовых соединений
Раскатывание на отделочных режимах
Алмазное выглаживание
и накатывание шариком
на отделочных режимах
Алмазное выглаживание
и накатывание шариком
на отделочных режимах
Формообразующее накатывание
Формообразующее накатывание плоскими
плашками и роликами
При выборе приведенного радиуса необходимо учитывать вид обработки. Так, при
отделочной и отделочно-упрочняющей обработке приведенный радиус целесообразно определять, исходя из требуемых и исходных параметров качества поверхностного слоя, максимальной производительности. При этих видах обработки в основном происходит деформация исходных неровностей шероховатости. Наиболее оптимальной для
обеспечения уменьшения волнистости,
стабильности усилия, повышения производительности представляется ширина контакта не менее 3 Sm (рис. 1).
Рис. 1. Взаимосвязь радиуса инструмента с параметраТогда величина приведенного
ми шероховатости
радиуса определяется из геометриче18
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2010. № 4(28)
ских соображений по зависимости
1
r=
( 3 ⋅ Sm)2
.
8 yk
(1)
Так как при отделочных режимах y к достигает 0,5 Rp ≈ 0,25 Rz, то выражение (1) после преобразования принимает вид
r = 4,5
Sm 2
.
Rz
При отделочно-упрочняющих режимах y к достигает Rp ≈ 0,5 Rz, следовательно, выражение (1) принимает вид:
r = 2,25
Sm 2
.
Rz
Учитывая наиболее часто получаемые сочетания Sm и Rz при предварительной лезвийной обработке, получаем следующие диапазоны радиусов: r = 4,5…45 мм – для отделочной обработки; r = 2,25…22,5 мм – для отделочно-упрочняющей обработки. При предварительной абразивной обработке: r = 0,9…6,75 мм – для отделочной обработки;
r = 0,45…3,35 мм – для отделочно-упрочняющей обработки.
Выбор величины приведенного радиуса при упрочняющих режимах обработки в зависимости от характеристик обрабатываемого материала, требуемой степени и глубины
упрочнения наиболее полно рассмотрен в работах В.М.Смелянского [3].
Режимы отделочной, отделочно-упрочняющей и упрочняющей обработки для статических методов определяются давлением в зоне контакта инструмента и обрабатываемой
поверхности детали, которое зависит от рабочего усилия P, фактической площади контакта А ф и твердости материала обрабатываемой детали.
Фактическая площадь контакта при пластических деформациях определяется по
уравнению [1]
2
Р
,
Aф =
HB
(2)
где HB – твердость обрабатываемой заготовки.
С учетом исходной шероховатости фактическая площадь контакта будет зависеть от
номинальной площади контакта Ан, величин контактных деформаций, которые определяются формируемой относительной длиной профиля шероховатости tp к :
3
Aф = Aн
t рк
100
.
(3)
Номинальная площадь контакта рабочей части инструмента с обрабатываемой деталью рассчитывается по формуле
4
Р
,
Aн =
рн
(4)
где p н – номинальное давление в зоне контакта.
Подставляя правую часть формулы (4) в выражение (3) и приравнивая правые части
полученного уравнения и уравнения (2), получаем
Рt рk
Р
,
=
р н ⋅100 HB
19
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2010. № 4(28)
откуда
рн =
HBt рk
100
.
При отделочной обработке tp к находится в пределах 10…25%, тогда
0,1 HB < p н < 0,25 HB.
При отделочно-упрочняющей обработке 25 < tp к < 40%, т.е.
0,25 HB < p н < 0,4 HB.
При упрочняющей обработке 40 < tp к < 100%, следовательно,
0,4 HB < p н < HB.
Рабочие усилия при ОУО ППД определяются по формуле
P = Ан p н .
Номинальная площадь контакта инструмента и обрабатываемой детали зависит от
рабочего усилия, приведенного радиуса контакта, параметров исходной шероховатости
поверхности [2].
При динамических методах обработки взаимосвязь между режимами обработки и
параметрами инструмента значительно более тесная, чем при статических.
Удельная работа деформации неровностей шероховатости Аду определяется по зависимости
5
Аду =
yk
∫ tp(y) dy c’
k σ T /100,
(5)
0
где подынтегральное выражение определяет относительную опорную длину профиля шероховатости в зависимости от контактного сближения [4]; с’ = 2,87 – коэффициент стеснения; k – степень упрочнения; σ T – предел текучести обрабатываемого материала.
С другой стороны, работа, совершаемая инструментом при множестве ударов по
единичной площади обрабатываемой поверхности, определяется как сумма энергий всех
ударов на этой площади. Принимая, что энергии ударов равны, получаем
6
Аду = Еу m,
(6)
где Еу – энергия единичного удара, Дж; m – плотность ударов, мм .
Плотность ударов m связана со средним шагом между отпечатками в продольном
(Sz пр ) и поперечном (Sz поп ) направлениях:
-2
7
m = (Sz пр · Sz поп )-1 .
(7)
Шаг отпечатков, в свою очередь, оказывает влияние на формируемую шероховатость обрабатываемой поверхности. При отсутствии раздельных требований по продольной и поперечной шероховатости для повышения производительности целесообразно
принимать Sz пр = Sz поп . Наибольшее значение величины Sz при отделочной и отделочноупрочняющей обработке может быть определено исходя из того, что коэффициент перекрытия отпечатков, как правило, не менее 2. Размер отпечатка определяем из геометрических соображений (рис. 2):
b = 2 2ryk .
Подставив Sz max = b/2 и коэффициент перекрытия в формулу (7), после выполнения
некоторых преобразований получим зависимость для минимальной плотности ударов:
8
20
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2010. № 4(28)
m=
где r – приведенный радиус.
1
,
2ry k
(8)
По данным литературных источников
[3], отношение максимального шага ударов
к минимальному обычно достигает 4. При
введении коэффициента k S = 1…4, определяющего, во сколько раз расчетный шаг
меньше максимального, в числитель уравнения (8) оно получает вид
k2
m= s .
2ry k
Рис. 2. Схема определения максимального шага
ударов Szmax
В общем случае энергия единичного
удара Еу определяется по зависимости
Еу = k Э Ек,
где Ек – кинетическая энергия самого инструмента или бойка (в зависимости от схемы формирования удара), зависящая от его массы
M и скорости V, Ек = M V2/2; k Э – доля кинетической энергии, затраченная на процесс пластического деформирования.
Выполнив подстановки и приравняв правые части уравнений (6) и (5), получим зависимость, связывающую параметры обрабатываемой поверхности, инструмента и режимы
обработки:
9
k Э k S2 MV 2
=
4ry k
yk
∫
tp(y)dy ⋅ c’ k σ T /100.
(9)
0
Величина контактного сближения y к , необходимая для обеспечения заданной шероховатости, определяется исходя из шероховатости, полученной при предшествующей обработке [1; 2; 4; 5].
Учитывая наличие параметров, оказывающих существенное влияние друг на друга,
уравнение (9) целесообразно решать с помощью ЭВМ. Кроме того, достаточно сложно
учесть различные дополнительные факторы, влияющие на значение того или иного параметра, поэтому при решении уравнения необходим диалог с пользователем.
При упрочняющих режимах обработки шероховатость получаемой поверхности
имеет второстепенное значение, а основными параметрами являются глубина и степень
упрочнения. Взаимосвязь режимов обработки, параметров обрабатываемой поверхности и
инструмента рассмотрена в работе [6].
Для определения степени упрочнения при отделочной и отделочно-упрочняющей
обработке можно воспользоваться зависимостью Мейера, имеющей вид
10
Р = m d o n (R/R 0 )n-2,
(10)
где m – константа Мейера, определяемая свойствами материала и имеющая размерность
напряжения (МПа); n – коэффициент, зависящий от пластических свойств материала; d 0 –
диаметр отпечатка; R – радиус шарика при испытаниях; R 0 – приведенный радиус сферической части инструмента, для которого определяется степень упрочнения.
Усилие деформирования в соответствии с теорией контактного взаимодействия [1]
определяется следующим равенством:
11
21
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2010. № 4(28)
Р = c' k σ T A ф ,
(11)
где A ф – фактическая площадь контакта [1]; k – степень упрочнения.
Выразив диаметр d o через площадь отпечатка, а фактическую площадь контакта через характеристики шероховатости и контактное сближение, подставляем их, а также равенство (11) в зависимость (10). Выразив из полученного уравнения степень упрочнения,
получаем
m
tm y k v ( n2 −1 ) R n − 2
4
k=
( ) n/ 2( 2πR0 y k
(
) )
(
) .
R0
0,621c'σ T π
100 Rp
В табл. 2 приведены рассчитанные в соответствии с предлагаемой методологией режимы статической обработки ППД различных поверхностей деталей с HB 950 МПа и исходной шероховатостью Rz = 6,25 мкм.
Таблица 2
So,
мм/об
0,05
0,10
0,20
0,40
0,05
0,10
0,20
0,40
0,05
0,10
0,20
0,40
Рабочее усилие, соответствующее различным режимам ППД, Н
Средний приведенный радиус r пр. ср , мм
2
5
8
12
15
20
25
Отделочные режимы
2,2
3,1
4,3
5,1
06,5
07,8
3,1
4,4
6,0
7,1
08,7
10,4
6,0
8,5
10,00
12,5
14,8
18,5
20,0
Отделочно-упрочняющие режимы
7,6
15
22
30
36
45
54
10,7
23
31
41
49
61
72
29
43
59
70
87
102
89
115
140
Упрочняющие режимы
13
26
38
52
62
79
94
19
38
44
72
85
106
125
24
51
75
102
120
150
176
62
88
126
156
201
243
30
9
12
17
23
63
83
117
163
109
144
202
282
Как видно из табл. 2, при обработке по мере увеличения подачи растет и усилие, что
вызвано увеличением общей ширины следа инструмента. Однако при чрезмерном увеличении подачи при заданном значении радиуса следы могут перестать перекрываться, и на
поверхности возникнет спиральная канавка. Очевидно, что такие режимы не пригодны
для ОУО ППД, поэтому в табл. 2 значения для них не определялись.
Для приведения любой расчетной схемы к виду «шарик - плоская поверхность» необходимо определить средний приведенный радиус r пр , который, в свою очередь, зависит
от приведенных радиусов контакта в продольном (r пр_прод ) и поперечном (r пр_поп ) направлениях (относительно скорости обработки). Эти направления обычно совпадают с плоскостями главных кривизн инструмента и обрабатываемой поверхности.
Величина приведенного радиуса r пр_прод (r пр_поп ) по соответствующим направлениям
определяется геометрией обрабатываемой поверхности и рабочей части инструмента в
этих плоскостях:
1
1
1
=
±
,
rпр _ прод ( поп ) rд _ прод ( поп ) rинс _ прод ( поп )
22
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2010. № 4(28)
откуда
rпр _ прод ( поп ) =
rд _ прод ( поп ) ⋅ rинс _ прод ( поп )
rд _ прод ( поп ) ± rинс _ прод ( поп )
,
где знак «+» используется, если обрабатываемая поверхность выпуклая (вал, наружная
поверхность сферы), «-» – если вогнутая (отверстие); r д_прод(поп) , r инс_прод(поп) – радиусы
кривизны обрабатываемой поверхности детали и инструмента соответственно в продольном и поперечном направлениях. Если поверхность детали имеет прямолинейный профиль в продольном или поперечном направлении, то приведенный радиус равен фактическому радиусу инструмента в соответствующем направлении.
Средний приведенный радиус определяется по зависимости
r пр = rпр _ прод rпр _ поп ,
где r пр_прод , r пр_поп – продольный и поперечный приведенные радиусы соответственно.
Таким образом, предлагаемая методология позволяет проектировать операции ОУО
ППД от выбора предшествующего ППД метода до определения режимов обработки и параметров рабочей части инструментов, охватывая как статические, так и динамические
(ударные) методы обработки при всех видах ОУО ППД – от отделочных до упрочняющих.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Суслов, А.Г. Качество поверхностного слоя деталей машин/ А.Г.Суслов. – М.:Машиностроение, 2000. –
320 с.
2. Инженерия поверхности деталей / под ред. А.Г.Суслова. – М.:Машиностроение, 2008. – 320 с.
3. Смелянский, В.М. Механика упрочнения деталей поверхностным пластическим деформированием/
В.М.Смелянский. – М.:Машиностроение, 2002. – 300 с.
4. Гуров, Р.В. Взаимосвязь режимов обработки и геометрических параметров инструмента с параметрами
качества поверхностного слоя при отделочных и отделочно-упрочняющих режимах ОУО ППД/
Р.В.Гуров// Упрочняющие технологии и покрытия. – 2010. – №8.
5. Суслов, А.Г. Проектирование операций отделочно-упрочняющей обработки поверхностно-пластическим
деформированием / А.Г.Суслов, Р.В.Гуров // Упрочняющие технологии и покрытия. – 2010. – №3.
6. Подольский, М.А. Оценка эффективности упрочнения деталей динамическими методами ППД на основе
энергетического критерия: автореф. дис…. канд.техн.наук/ М.А. Подольский. – Ростов н/Д, 2005. – 19 с.
Материал поступил в редколлегию 18.10.10.
23
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2010. № 4(28)
УДК 621.891
В.П. Тихомиров, М.А. Измеров
МОДЕЛЬ ИНЖЕНЕРНОЙ ПОВЕРХНОСТИ
Представлена процедура создания моделей инженерных шероховатых поверхностей на основе фрактального
представления. Модели поверхности и профиля описаны уравнением Вейерштрасса-Мандельброта.
Ключевые слова: фрактал, фрактальная размерность, моделирование, инженерные поверхности.
При расчете параметров контактного взаимодействия используют разные модели
поверхности. Одной из известных моделей поверхности является модель, представляющая
собой набор сферических сегментов, имеющих разную высоту и одинаковый радиус закругления верхней части [1]. Этот набор расположен на плоскости, являющейся средней
плоскостью шероховатой поверхности.
Известны подходы, в которых шероховатую поверхность представляют в виде случайного поля, а профиль поверхности – в виде нестационарного случайного процесса [2].
Однако использование в модели поверхности одинакового радиуса вершин выступов
приводит в ряде случаев к получению некорректных оценок параметров контактного
взаимодействия [3].
Инженерные поверхности могут включать в себя макроотклонение от правильной
геометрической формы, волнистость и шероховатость. Учет этих топографических особенностей приводит к необходимости создания многоуровневых моделей поверхности и
усложнению расчетов при оценке параметров контактирования твердых тел. Представление инженерной поверхности в виде фрактального объекта и использование компьютерных технологий позволяют упростить решение контактных задач с учетом шероховатости
без потери точности оценок параметров контактного взаимодействия [4].
На рис. 1 представлены модели фрактальных поверхностей при разных значениях
фрактальной размерности.
Рис. 1. Модели фрактальных поверхностей
24
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2010. № 4(28)
Фрактальная размерность поверхности имеет следующий диапазон изменения:
2<Ds<3.
Для определения фрактальной размерности поверхности возьмем сечение поверхности плоскостью, параллельной срединной плоскости поверхности (рис. 2). Считается, что
все «острова» на рис. 2 самоподобны. Тогда для анализа соотношения «периметрплощадь» выделим характерный «остров».
На рис. 3 представлена процедура определения фрактальной размерности клеточным
методом.
Рис. 2. Сечение
фрактальной поверхности
Рис. 3. Покрытие фрактального объекта сеткой
с квадратными ячейками [5]
Cчитаем, что число квадратов пропорционально соответствующим параметрам
(площади и периметру):
N A ∝ A, N P ∝ P.
Зависимость числа клеток N A , покрывающих площадь «острова», от числа клеток
N P , в которые попала «береговая» линия «острова», построенная в логарифмических координатах при разных размерах стороны квадратной ячейки, оценивается в данном примере уравнением регрессии:
N A = -69,14+3,303N P .
Фрактальная размерность определяется выражением
 91 
2 lg 
 34  = 1,29.
D=
 230 
lg

 50 
Рассмотрим особенности моделирования фрактальной поверхности и процедуру определения параметров модели.
Профиль инженерной поверхности может быть описан уравнением ВейерштрассаМандельброта:
25
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2010. № 4(28)
(
∞
)
z ( x ) = (G ) D −1 ∑ cos 2πγ n x γ (2 − D )n .
n = n1
Здесь G – фрактальный параметр шероховатости; D – фрактальная размерность профиля (D=2-H, 1<D<2); γ – масштабный параметр (γ>1), γn определяет частотный спектр
профиля шероховатой поверхности.
К параметрам, характеризующим профиль шероховатой поверхности, следует отнести G, D и n. По мнению А. Маджумдара [6], подходящим значением для описания профиля является величина γ=1,5.
Нижний предел суммирования в уравнении Вейерштрасса-Мандельброта равен
n 1 =ln(1/L)/lnγ,
где L – длина выборки.
На рис. 4 представлены профили поверхностей при разной фрактальной размерности, полученные с помощью функции Вейерштрасса-Мандельброта.
а)
б)
в)
Рис. 4. Профили поверхностей при фрактальной размерности:
а - D=1,2; б - D=1,4; в - D=1,6
А. Маджумдар предложил связать статистические показатели поверхности с фрактальными параметрами.
Так, связь между средним квадратическим отклонением ординат профиля σ и мощностью спектральной функции S(ω) имеет вид
1/ 2
ω max
σ =  ∫ω min S (ω )dω  .


Здесь ωmin и ωmax – наименьшая и наибольшая частоты.
В расчетах обычно принимают выборочное значение (оценку) среднего квадратического отклонения, т.е. σ = Rq.
Наибольшая частота связана с разрешающей способностью инструмента измерения
(радиусом щупа), а наименьшая – с длиной выборки.
Мощность спектральной функции Вейерштрасса-Мандельброта определяется выражением
G 2 ( D −1) 2 D − 5
.
S (ω ) =
ω
2 ln γ
26
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2010. № 4(28)
Учитывая, что σ = Rq, после несложных преобразований запишем:
G 2 ( D −1) ω max 2 D − 5
Rq 2 =
ω
dω .
2 ln γ ∫ω min
Проинтегрировав, получим
2D−4
2D−4
G 2 ( D −1) (ωmin
− ωmax
)
.
Rq 2 =
2 ln γ
(2 D − 4)
Отсюда фрактальный параметр шероховатости будет равен
1
2− D
 2D−−D1

D −1 
D −1 
G = [4(D − 2 )ln γ ]Rq  ωmin − ωmax
.


-16
Параметр G изменяется в пределах от 9,9·10 до 1,2·10-2 мкм. Так, при γ =1,5,
Rq=1,5 мкм, D=1,1, ω max =1/8 мкм и ωmin =1/400 мкм G=6,27·10-7 мкм.
Изменяя Rq при неизменяемых значениях D и ω, получим следующие значения параметра G:
Rq, мкм
0,5
1,0
2,0
3,0
4,0
-8
-5
-4
G, мкм
1,062·10
1,088·10
1,114·10
6,422·10
1,1·10-2
11
Отмечается существенная разница в оценке параметров шероховатости при использовании фрактального и статистического методов [7]. В табл. 1 приведены некоторые
формулы для определения параметров шероховатости.
Таблица 1
Сравнительная оценка параметров шероховатости
Параметр
Фрактальный метод
Статистический метод
D0
1
S (ω ) =
,
2
2
2( D −1)
π
D
+
ω
2
G
1
S(ω),
0
S (ω) =
3
где D 0 – число нулей (пересечений
мкм
2 ln γ ω( 5− 2 D )
профиля средней линией), отнесенное к
единице длины, мкм-1
2
D/2
1 + (πD0σ )
a
,
r
=
r=
,
2
D −1
2
π D0 De σ
π G
r, мкм
где a – площадь пятна контакта,
где D e – число экстремальных точек,
мкм2
отнесенное к единице длины, мкм-1
В табл. 2 приведены средние значения некоторых параметров шероховатости [8]: Rq
– среднее квадратическое отклонение ординат профиля; Ra – среднее арифметическое отклонение; Rmax – наибольшая высота неровностей; n(0), m, s – соответственно число нулей, максимумов, перегибов на единицу длины.
Таблица 2
Средние значения параметров шероховатости
Вид обработки
Rq,
Ra, мкм
Rmax,
n(0),
m,
s,
-1
-1
мкм
мкм
мм
мм
мм-1
Плоское шлифование
3,25
2,51
11,19
15
16
34
1,70
1,37
4,25
27
35
77
1,19
0,89
2,42
34
51
103
0,73
0,56
1,66
51
71
159
Круглое шлифование
0,29
0,23
0,79
140
194
425
0,14
0,11
0,34
163
205
454
27
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2010. № 4(28)
Доводка
0,13
0,11
0,38
183
222
459
Фрактальная модель поверхности имеет вид
N −1
M



 2πm 
 2πm 
Z ( x, y ) = cz ∑ q ( D − 3) n ∑ sin  Kq n  x cos
 + θ nm ,
 + y sin 
 M 
 M 
n=0
m =1



где с z – сомножитель; q – параметр пространственно-частотного масштабирования (q>1);
D – фрактальная размерность (2<D<3); N,M – число гармоник; K – основное пространственное волновое число; θ nm – случайная фаза, распределенная равномерно в интервале [-π,
+π].
Сомножитель c z определяется из соотношения [9]
(
)
1/ 2
 2 1 − q 2 ( D − 3) 
cz = 
.
2 ( D − 3) N 
)
 M (1 − q
Данная функция содержит в себе как случайную структуру, так и детерминированную составляющую, отражая особенности некоторых инженерных поверхностей.
Функция Z(x,y) является анизотропной в двух направлениях, если N и M не очень велики. Поверхности, полученные с помощью этой функции без учета θ nm и при N=M=5,
приведены на рис. 5.
а)
Рис. 5. Модели поверхностей при N=M=5, q=2,7:
а - D=2,5; б - D=2,2
б)
На рис. 6 представлена модель поверхности с учетом случайной фазы, распределенной равномерно в интервале [-π, +π], при следующих данных: c z =0,2; N=M=10; D=2,2;
q=2,7.
28
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2010. № 4(28)
Рис. 6. Модель поверхности при N=M= 10; q=2,7; D=2,2
При исследовании контакта двух фрактальных поверхностей, имеющих свои фрактальные размерности, целесообразной представляется замена такого контакта на контакт
гладкой поверхности с приведенной фрактальной. Подобная процедура может оказаться
эффективной при замене контактного взаимодействия двух шероховатых поверхностей на
контакт гладкой поверхности с шероховатой, имеющей эффективную шероховатость.
Таким образом, в работе предложена модель инженерной поверхности, основанная
на фрактальных представлениях об объектах, имеющих дробную размерность.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Greenwood, J.A. Contact of nominally flat surfaces/J.A. Greenwood, J.B.P. Williamson// Proc. R. Soc. Series A.
- 1966.–V.295. - №1422.–P.300–319.
2. Sayles, R.S. Surface topography as a nonstationary random process/ R.S. Sayles, T.R. Thomas//Nature. - 1978.V.271.-P.431-434.
3. Тихомиров, В.П. Двухмерная модель неровностей поверхности твердых тел/В.П. Тихомиров, О.А. Горленко//Трение и износ. - 1986.-Т.7. - №3.-С.527-531.
4. Мандельброт, Б. Фрактальная геометрия природы: [пер. с англ.] /Б. Мандельброт. -М.: Ин-т компьютер.
исслед., 2002.-656 с.
5. Addison, P.S. Fractals and chaos: an illustrated course/P.S. Addison.-London: Inst. of Phys. Publish.,1997.-256
p.
6. Маджумдар, А. Фрактальная модель упругопластического контакта шероховатых поверхностей/А. Маджумдар, Б. Бхушан// Современное машиностроение.−1991.− №6.− С. 11-23.
7. Pavelescu, D. On the roughness fractal character, the tribological parameters and the error factors/D. Pavelescu,
A. Tudor//Proceedings of the Romanian Academy. Ser. A. - 2004. –Vol. 5. - №2.
8. Рудзит, Я.А. Микрогеометрия и контактное взаимодействие поверхностей/ Я. А. Рудзит.- Рига: Зинатне,
1975.-210 с.
9. Потапов, А.А. Теория рассеяния волн фрактальной анизотропной поверхностью/А.А. Потапов, А.В. Лактюнькин//Нелинейный мир. - 2008.-Т.6. - №1.-С. 3-36.
Материал поступил в редколлегию 2.09.10.
29
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2010. № 4(28)
УДК 621.891; 621.923
С.Г. Бишутин
ИЗНОСОСТОЙКОСТЬ ШЛИФОВАННЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ ДЕТАЛЕЙ 1
Представлены результаты экспериментальных исследований износостойкости наружных цилиндрических
поверхностей, подвергнутых абразивному шлифованию на разных технологических режимах. Описан подход к оценке износостойкости поверхности детали на основе экспериментального значения интенсивности
изнашивания, полученного при лабораторных испытаниях.
Ключевые слова: финишное шлифование, режимы шлифования, износостойкость поверхности.
Повышение качества машиностроительной продукции может быть достигнуто путем
улучшения эксплуатационных показателей деталей машин и механизмов, которые в значительной степени зависят от качества их поверхностных слоев. Качество поверхностного
слоя иногда в большей степени определяет ресурс эксплуатации детали, нежели характеристики точности обработки [1-5].
Применительно к ответственным деталям современных машин, работающих в условиях трения (многие детали транспортных машин, авиационных двигателей, металлообрабатывающего оборудования и т.д.), структурное состояние поверхностных слоев в подавляющем большинстве случаев определяет их износостойкость, а следовательно, и долговечность узла трения или машины в целом. Структурное состояние поверхностных слоев
на микро- и наноуровне во многом формируется на финишных этапах изготовления деталей, в качестве которых наиболее часто применяются различные виды абразивной обработки. Однако выбор соответствующих режимов и условий проведения финишных технологических операций, обеспечивающих требуемую износостойкость, представляет известные трудности. Этому актуальному и малоизученному вопросу и посвящена данная
статья.
Износостойкость поверхностей деталей оценивают величиной, обратной интенсивности или скорости изнашивания. Наиболее приемлемым и наименее затратным путем
управления износостойкостью поверхностей при традиционном шлифовании является изменение глубины шлифования и времени выхаживания поверхности [4]. Указанные параметры определяют интенсивность и длительность термического и силового воздействий
абразивной обработки на поверхностный слой. В связи с этим исследования проводились
в два этапа.
На первом этапе цилиндрические образцы из различных материалов были подвергнуты шлифованию на круглошлифовальном станке 3Е12 электрокорундовым кругом прямого профиля зернистостью 16. Образцы устанавливались на оправке, которая базировалась в центрах станка. Перед обработкой каждого образца круг подвергался алмазной
правке на выбранных режимах. С каждого образца предварительно сошлифовывался слой
материала для устранения влияния технологической наследственности и стабилизации
термического и силового воздействий в ходе экспериментов. Силовое и термическое воздействия менялись путем варьирования глубины шлифования и времени выхаживания поверхности. Уровни варьирования указанных факторов определялись с учетом результатов
исследований [4].
Второй этап исследований заключался в проведении триботехнических испытаний
шлифованных образцов. Испытания проводились с использованием автоматизированной
системы научных исследований (АСНИ) на базе машины трения МИ-1М по схеме
Результаты исследований получены при выполнении проекта № 4914 в рамках аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2010 годы)».
1
30
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2010. № 4(28)
«вращающийся диск – невращающийся индентор» (рисунок).
Данная АСНИ способна в процессе испытаний регистрировать
значения износа поверхности образца и коэффициента трения.
Шлифованные образцы диаметром 60 мм и длиной 16 мм имели
радиальное биение испытуемых поверхностей относительно базового отверстия 0,005…0,01мм и шероховатость Ra = =0,5…0,6
мкм. Для исключения влияния износа индентора на результаты
испытаний он был выполнен из твердого сплава ВК8
(ГОСТ 19070). Ширина индентора составляла 5 мм. Испытания
проводили до полного завершения процесса приработки и накопления не менее 2/3 общего пути трения (или времени испытания), приходящегося на период нормального изнашивания. Завершение процесса приработки определялось по стабилизации
коэффициента трения и скорости изнашивания
Рис. Схема установки об- (выход кривой изнашивания на линейный участок). Испытания
разца 1 и индентора 2 при проводились при нагрузке на индентор 150 Н и скорости отноиспытаниях: 3 – промежу- сительного скольжения 1,3 м/с. В качестве смазочного материаточная сфери-ческая опора; ла использовалось масло И-20А. Время одного испытания со4 – держатель индентора
ставляло 10 ч.
Статистический анализ результатов экспериментов позволил выявить следующие значимые и адекватные зависимости для расчета интенсивности
изнашивания шлифованных поверхностей из различных конструкционных материалов в
период нормального изнашивания:
- сталь 45 (НВ 200…220):
I h = 5,5 ⋅10 −7 (1 + t В )
(t − 5)0,15 ;
(1)
−0 ,15
(t − 5)0,10 ;
(2)
−0 , 35
(t − 5)0, 20 ;
(3)
−0 , 35
- сталь 45 (НRC 46…50):
I h = 3,7 ⋅10 −7 (1 + t В )
- сталь 12Х18Н10Т (НВ 190…210):
I h = 9,0 ⋅ 10− 7 (1 + t В )
- сталь 12ХН3А (НRC 58…62):
I h = 1,7 ⋅10 −7 (1 + t В ) −0, 25 .
(4)
В этих формулах t В – время выхаживания (0…5 мин); t – глубина шлифования
(6…20 мкм).
Для оценки износостойкости поверхности детали в узле трения необходимо значение интенсивности изнашивания, рассчитанное по формулам (1-4), разделить на масштабный коэффициент:
I hд =
Ih
,
kм
где I hд – интенсивность изнашивания поверхности детали; k м – масштабный
циент [6].
kм = 6
Ато Атсо S д S сд
,
Атд Атсд S о S со
31
(5)
коэффи-
(6)
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2010. № 4(28)
где А то , А тсо – площадь трения соответственно образца и сопряженного образца (индентора); А тд , А тсд – площадь трения соответственно детали и сопряженной детали узла трения;
S о , S со – отношение площади поверхности, не участвующей в трении, к объему соответственно образца и индентора; S д , S сд – отношение рабочей площади поверхности, не участвующей в трении, к объему соответственно детали и сопряженной детали узла трения.
Для расчета величины А тсо можно воспользоваться уравнениями теории Герца. В
конечном итоге получим
 1 − µ12 1 − µ 22  R1 R2

+
,
Aтсо = 4 Ns
E
E
R
+
R
1
2
1
2


где N – нагрузка на индентор; s – ширина индентора; μ 1 , μ 2 , E 1 , E 2 – соответственно коэффициенты Пуассона и модули упругости материалов образца и индентора; R1, R2 – радиусы
соответственно образца и индентора.
Остальные величины в формуле (6), характеризующие образец и индентор, для условий проведенных лабораторных триботехнических испытаний могут быть рассчитаны
следующим образом:
Ато = 2πR1 s; S сo =
A
2
2( B − s )
; So ≈
.
− тсо
2
R2 πR2 s
R1 B
В последней формуле величина В – это ширина образца.
Обычно значения масштабных коэффициентов для серийных машин трения составляют от 5 до 50, т.е. при лабораторных испытаниях ускоряется процесс изнашивания образца по сравнению с эксплуатацией реальной детали.
Если при лабораторных триботехнических испытаниях воспроизводятся элементы
эксплуатационных условий, существенно влияющие на износ (например, уровень вибрационных нагрузок или тепловой режим работы пары трения), то значение интенсивности
изнашивания, рассчитанное по формуле (5), следует разделить на коэффициент ускорения.
Коэффициент ускорения устанавливается анализом соотношений интенсивностей изнашивания в различные периоды работы испытуемого сопряжения в эксплуатационных и
лабораторных условиях. Следует отметить, что это довольно трудоемкая и сложная процедура. Еще более затруднен расчет коэффициентов ускорения при варьируемых условиях
испытаний [7].
Анализируя результаты исследований, можно сделать следующие выводы:
1. Существенное повышение износостойкости (а следовательно, и долговечности)
поверхностей трения деталей возможно на стадии их финишной абразивной обработки
путем выбора рациональных условий и технологических режимов.
2. Увеличение времени выхаживания и снижение глубины шлифования повышает
износостойкость обработанных поверхностей от 1,5 до 3 раз вследствие формирования
сильно деформированных тонких поверхностных структур.
3. Рассмотренный подход к оценке износостойкости поверхности при эксплуатации
детали позволяет оперативно и с достаточной степенью точности оценивать влияние условий и режимов финишной механической обработки на износостойкость деталей машин и
механизмов.
Проведенные исследования позволят выбрать рациональные условия и режимы финишного шлифования, исходя из необходимости обеспечения требуемой износостойкости
поверхности детали.
32
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2010. № 4(28)
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Безъязычный, В.Ф. Оптимизация технологических условий механической обработки деталей авиационных двигателей/ В.Ф. Безъязычный, Т.Д. Кожина, А.В.Константинов [и др.]. – М.: Изд-во МАИ,
1993. – 184с.
2. Дальский, А.М. Технологическое обеспечение надежности высокоточных деталей/А.М. Дальский. – М.:
Машиностроение, 1975. – 224 с.
3. Бишутин, С.Г. Обеспечение требуемой совокупности параметров качества поверхностных слоев деталей
при шлифовании / С.Г. Бишутин. – М.: Машиностроение-1, 2004. – 144 с.
4. Бишутин, С.Г. Структурирование поверхностных слоев деталей при финишной абразивной обработке/
С.Г. Бишутин. – Брянск:БГТУ, 2009. – 100 с.
5. Бишутин, С.Г. Износостойкость деталей машин и механизмов: учеб. пособие/ С.Г. Бишутин, А.О. Горленко, В.П. Матлахов; под ред. С.Г. Бишутина. – Брянск: БГТУ,2010. – 112 с.
6. ГОСТ 23.224-86*. Обеспечение износостойкости изделий. Методы оценки износостойкости восстановленных деталей. – М.: Изд-во стандартов, 1986. – 28 с.
7. Крайнев, А.Ф. Конструирование машин: справ.-метод. пособие: в 2 т./ А.Ф. Крайнев, А.П. Гусенков,
В.В. Болотин [и др.]; под ред. акад. К.В. Фролова. – М.: Машиностроение, 1994. – Т.2. – 624 с.
Материал поступил в редколлегию 8.07.10.
33
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2010. № 4(28)
ТРАНСПОРТНОЕ МАШИНОСТРОЕНИЕ
УДК 629.113: 004.021
В.П. Тарасик, В.И. Курстак, О.В. Пузанова
АДАПТИВНОЕ УПРАВЛЕНИЕ БЛОКИРОВАНИЕМ
ГИДРОТРАНСФОРМАТОРА ГИДРОМЕХАНИЧЕСКОЙ ПЕРЕДАЧИ
Изложена методика определения параметров характеристики управления блокированием гидротрансформатора. Описана математическая модель движения автомобиля. Приведены результаты вычислительных экспериментов по определению пороговых значений параметров управления и полученные на их основе регрессионные модели.
Ключевые слова: адаптивное управление, блокирование гидротрансформатора, гидромеханическая передача, характеристики автоматического управления.
На кафедре «Автомобили» Белорусско-Российского университета разработана мехатронная система автоматического управления гидромеханической передачей, предназначенная для использования на карьерных самосвалах БелАЗ–7555Е грузоподъемностью
60 т. В статье изложены результаты исследований по разработке алгоритма автоматического управления блокированием гидротрансформатора.
Автоматизация управления механизмами и системами автомобиля позволяет
нерцственно повысить показатели его эффективности и безопасность движения, долговечность и надежность механизмов, обеспечить комфортные условия водителю и пассажирам. Одним из объектов автоматизации является трансмиссия. Наиболее широкое применение получили автоматические гидромеханические передачи (ГМП). В состав ГМП
входят гидродинамический трансформатор (ГДТ) и многоступенчатая коробка передач
(КП). Применение ГДТ в трансмиссии автомобиля позволяет получить прогрессивную тяговую характеристику. Характеристика динамического фактора автомобиля с ГДТ приближается к неральной кривой гиперболического вида. Этому способствует также многоступенчатость КП. Прогрессивность характеристик тягово-скоростных свойств обусловлена способностью ГДТ изменять передаточное отношение и коэффициент трансформации в процессе преобразования параметров потока энергии, передаваемого от двигателя к ведущим колесам автомобиля. Причем преобразование параметров осуществляется автоматически в зависимости от дорожных условий, т.е. ГДТ обладает внутренней
автоматичностью и не нуждается в системе управления. В этом его преимущество. Однако
КПД гидротрансформатора существенно ниже, чем у механических КП, и изменяется он в
широких пределах: от нуля до максимального значения, которое к тому же не превышает
90–92 %. Поэтому возникает необходимость исключения неэффективных режимов работы
ГДТ с низкими значениями КПД. На таких режимах целесообразно блокировать ГДТ, что
осуществляется посредством блокировочного фрикциона. Включение этого фрикциона
обеспечивает блокирование насосного и турбинного колес ГДТ, в результате чего все его
механизмы вращаются как единое целое, не оказывая влияния на процесс преобразования
параметров потока энергии.
Для достижения высоких показателей тягово-скоростных свойств автомобиля ГДТ
должен функционировать при движении в тяжелых дорожных условиях, на затяжных крутых подъемах, а также использоваться кратковременно для сообщения высоких значений
ускорения при разгоне автомобиля. В хороших дорожных условиях и после завершения
этапа интенсивного разгона ГДТ необходимо блокировать. Однако выбрать интуитивно
наилучший момент времени в процессе разгона для блокирования ГДТ водитель не в со34
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2010. № 4(28)
стоянии, так как ГДТ обеспечивает устойчивое движение автомобиля на любой передаче и
в любых дорожных условиях без перегрузки и остановки двигателя, характерных для механической трансмиссии. Поэтому процесс управления блокированием ГДТ нуждается в
автоматизации.
Предложенная ранее методика синтеза алгоритмов адаптивного управления ГМП
[1] применима также для получения алгоритма управления блокированием ГДТ. Сущность методики заключается в получении оптимальных характеристик управления, обеспечивающих высокие показатели эффективности автомобиля в типовых дорожных условиях, и в последующей их адаптации к изменяющимся условиям движения. Для использования этой методики необходима обширная информация о параметрах и характеристиках
механизмов и систем автомобиля и внешней среды. Характеристики управления получают
на основе математического моделирования процессов движения автомобиля.
Для оценки эффективности автоматического управления ГМП используют математическую модель, учитывающую инерционные свойства всех механизмов автомобиля,
скоростные и нагрузочные характеристики двигателя и гидротрансформатора, а также характеристики сопротивления движению автомобиля (дорожные и воздушной среды). Упругие свойства элементов трансмиссии и шин при этом обычно не учитывают, так как они
не оказывают существенного влияния на показатели эффективности. Движение
нерциионных масс динамической модели в этом случае описывается следующими системами дифференциальных уравнений:
- при неблокированном ГДТ
dωд M д − M в.о − M н − M нас

;
=

dt
J д.н


)
(
M
M
u
M
M
M
M
−
η
−
−
−
−
dωк
f
h
w 
т
к.п трi трi
в.м
(1)
;
=
dt
J к.пр1


ds

= rк ωк ;
dt

- при блокированном ГДТ
dωк (M д − M в.о − M нас − M к.п )u трi ηтрi − M в.м − M f − M h − M w 
=
;
dt
J к.пр2

(2)

ds

= rк ωк ,

dt
где ωд ,ωк – угловые скорости двигателя и ведущего колеса, рад/с; M д – вращающий
момент двигателя; M в.о – момент привода вспомогательного оборудования двигателя;
M н , M т – моменты насосного и турбинного колес ГДТ; M нас – момент привода насоса
системы управления ГМП; M к.п , M в.м – моменты гидравлических потерь в механизмах
КП и ведущего моста; M f – момент сопротивления качению; M h , M w – приведенные к
ведущим колесам моменты сопротивлений подъему и воздуха; uтрi ,ηтрi – передаточное
число и КПД трансмиссии на i-й ступени КП; rк – радиус качения ведущих колес, м; s –
перемещение автомобиля, м; J д.н – приведенный момент инерции двигателя и насосного
колеса ГДТ, кг·м2; J к.пр1, J к.пр2 – приведенные к ведущим колесам моменты инерции, эквивалентные поступательно движущейся массе автомобиля с учетом моментов инерции
колес и механизмов трансмиссии, кг·м2.
В уравнениях (1) и (2) все моменты М – в Н·м.
35
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2010. № 4(28)
На автомобилях БелАЗ–7555Е используются дизельные двигатели фирмы Cummins
QSK19–C750 мощностью 559 кВт при 2100 об/мин с электронным управлением подачей
топлива, обеспечивающим всережимное регулирование частоты вращения вала двигателя.
Гидромеханическая передача включает четырехколесный одноступенчатый гидротрансформатор ЛГ–470ПП и шестиступенчатую коробку передач.
Режим работы двигателя зависит от внешней нагрузки и скоростного режима, задаваемого водителем посредством педали акселератора. Величина нагрузки обусловливает
уровень использования потенциальных возможностей двигателя. При этом двигатель может работать на режиме полной нагрузки (на внешней скоростной характеристике), режиме частичной нагрузки (на одной из регуляторных характеристик), тормозном режиме.
В результате вращающий момент двигателя M д определяется на основе следующего алгоритма:
Me
при M д.р ≥ M e ;
M д = M д.р
при M д.т < M д.р < M e ;
при M д.р ≤ M д.т ,
где M e , M д.р , M д.т – моменты двигателя соответственно на внешней скоростной характеристике, регуляторной ветви и тормозной характеристике.
Внешняя скоростная характеристика двигателя аппроксимирована полиномом N-го
порядка и представлена выражением следующего вида [2]:
M д.т
Me =
MP N
∑ bn ωnд.отн ,
ωд.отн n =0
где M P – вращающий момент двигателя при максимальной мощности; ωд.отн – относительная угловая скорость вала двигателя; bn – коэффициенты полинома.
Для двигателя QSK19–C750 принято N= 5. Значение ωд.отн вычисляется из соотношения
ωд.отн = ωд ω P ,
где ωд – текущее значение угловой скорости вала двигателя, рад/с; ω P – значение угловой скорости при максимальной мощности, рад/с.
Момент двигателя на регуляторных характеристиках M д.р вычисляется по формуле
M д.р = k р (ωх.х − ωд ),
где kр – коэффициент наклона регуляторной ветви характеристики; ωх.х – угловая скорость холостого хода двигателя, соответствующая положению педали акселератора, характеризуемому координатой γ a .
Принималась линейная зависимость между ωх.х и γ a :
(3)
ωх.х = ωх.х min + ωх.х max − ωх.х min γ а .
(
)
Значение γ а в формуле (3) изменяется в пределах 0 ≤ γ а ≤ 1 .
Функция M д.т аппроксимирована квадратичным полиномом
2
M д.т = M P k т ∑ bn ωnд.отн ,
n =0
где k т – коэффициент (для двигателя QSK19–C750 k т = 0,2 ).
36
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2010. № 4(28)
Для оценки топливной экономичности двигателя использовалась двухмерная регрессионная модель, описываемая полиномом третьей степени и представляющая собой зависимость часового расхода топлива Gт (кг/ч) от относительной угловой скорости вала двигателя ωд.отн и относительной мощности нагрузки двигателя Pд.отн :
Gт = f (ωд.отн , Pд.отн ) .
Значение Pд.отн вычисляется по формуле
Pд.отн = Pд Pe ,
где Pд – текущее значение мощности нагрузки двигателя, Pд = M д ωд ; Pe – мощность
двигателя на внешней скоростной характеристике при угловой скорости ωд .
Для вычисления вращающих моментов на насосном ( M н ) и турбинном ( M т ) колесах использовались известные формулы, устанавливающие их зависимости от безразмерных характеристик ГДТ – коэффициента момента насосного колеса λ н и коэффициента
трансформации K т.н . Характеристики зависимостей λ н и K т.н от передаточного отношения ГДТ iт.н аппроксимировались полиномами седьмого порядка [2]. Характеристики сопротивления движению автомобиля M f , M h , M w вычислялись по известным из теории
автомобиля формулам.
Параметрами характеристик управления блокированием ГДТ являются пороговые
значения скоростей автомобиля vп , при которых необходимо блокировать ГДТ. Оптимальные их значения переменны и зависят от многочисленных факторов: управляющих
воздействий водителя, параметров характеристик маршрута движения и дорожных условий, величины перевозимого груза и др.
Эффективность работы автомобиля характеризуется широким комплексом его выходных параметров, предусмотренных существующими стандартами и позволяющих оценить его тягово-скоростные свойства и топливную экономичность. Задача поиска оптимальной характеристики управления оказывается многокритериальной. Однако стандартные показатели эффективности носят частный характер и оценивают какое-либо одно
свойство вне связи с остальными. Поэтому целесообразно использовать некоторые обобщенные показатели. Такими показателями являются средняя скорость автомобиля vср и
расход топлива на маршруте Qм , которые можно принять в качестве критериев оптимальности характеристики управления блокированием ГДТ [1]. При этом средняя скорость
подлежит максимизации, а расход топлива – минимизации. Как известно, особенности
скоростных и нагрузочных характеристик двигателей внутреннего сгорания таковы, что
эти критерии оказываются конфликтными, т.е. улучшение тягово-скоростных свойств
приводит к ухудшению топливной экономичности и наоборот. Поэтому можно получить
лишь оптимально-компромиссное решение по этим критериям.
Максимальное значение средней скорости vср достигается при условии, если ускорение автомобиля будет максимальным в течение обеих фаз разгона на данной передаче:
фазы работы ГДТ на режиме трансформации и фазы движения с блокированным ГДТ. Отсюда следует, что критерием оптимальности характеристики управления блокированием
ГДТ на i-й передаче по тягово-скоростным показателям является равенство ускорений на
рассматриваемых фазах разгона, т.е.
aтрi (v ) = aблi (v ) .
37
(4)
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2010. № 4(28)
Критерий равенства ускорений (4) принято называть критерием динамичности. Скорость автомобиля на i-й передаче, при которой достигается равенство (4), представляет
собой параметр vп.д оптимальной характеристики управления блокированием ГДТ по
критерию динамичности.
Полагая независимой переменной текущую скорость автомобиля v , расход топлива
при разгоне на заданном участке дороги Qр (л) можно определить на основе выражения
Qр =
vкi
∫
v0i
G тi
dv ,
3,6ρ т ai (v )
(5)
где i – номер передачи; Gтi – текущее значение часового расхода топлива двигателя, кг/ч;
ρ т – плотность топлива, кг/м3; ai (v ) – текущее значение ускорения в функции скорости
автомобиля, м/с2; v0i , vкi – начальная и конечная скорости разгона, м/с.
Обозначим подынтегральную функцию
Qi (v) =
G тi
.
3,6ρ т ai (v )
Тогда выражение (5) принимает следующий вид:
Qр =
vкi
∫ Qi (v)dv ,
v0i
где Qi (v) – текущее значение расхода топлива в функции изменения скорости, л·с/м.
На рис. 1 показан вид графиков функций a = f (v ) и Q = f (v ) . При работе ГДТ на
режиме трансформации параметры a и Q отмечены индексом «тр», а при блокированном
ГДТ – индексом «бл».
а)
a,
м/с 2
б)
Q,
л⋅с
м
aтр
Qтр
Qбл
aбл
∆v
∆v
v0 vk
∆v
vk +1 vn −1 vп.д vn
vк
v , м/с
а)
v0
vk
vk +1 vп.э
б)
Рис. 1. Графики функций a = f (v ) и Q = f (v )
38
vк
v , м/с
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2010. № 4(28)
Рассмотрим вначале графики на рис. 1 а. Начальная скорость v0 выбирается из условия, чтобы ускорение на режиме трансформации aтр было больше ускорения при блокированном ГДТ aбл . Алгоритм моделирования предусматривает поочередное интегрирование систем дифференциальных уравнений (1) и (2) с шагом ∆v по фазовой координате v (скорость автомобиля). После выполнения (k + 1) -го шага интегрирования и достижения скорости vk +1 на обоих режимах сравниваются получаемые значения aтр( k +1) и
aбл( k +1) . Если
aбл( k +1) < aтр( k +1) , процесс интегрирования продолжается, а если
aбл( k +1) ≥ aтр( k +1) , то полученное значение vn принимается в качестве порогового значения скорости vп.дi , при котором необходимо блокировать ГДТ на i-й передаче по критерию динамичности в данных дорожных условиях и при заданном водителем скоростном
режиме работы двигателя. Дорожные условия характеризуются продольным уклоном h , а
скоростной режим двигателя – координаа)
h = 0 h = 0,2
той положения педали акселератора γ а .
100
h = −0,1
Графики на рис. 1 б используются
h = −0,08
%
для определения пороговых значений скоh = −0,06
рости vп.эi , при которых ГДТ должен бло90
кироваться по критерию экономичности.
Чем меньше расход топлива ∆Qр за время
85
h = −0,02
h = −0,04
80
приращения скорости на величину ∆v при
разгоне автомобиля, тем меньше суммарный расход Qм на заданном маршруте. Величина ∆Qр на режиме трансформации
75
γ а 70
65
13
б)
14
15
v
16
17
18
км/ч
соответствует заштрихованной площади
под графиком текущего расхода топлива
20 Q (v) . Минимальное значение Q при
тр
р
изменении скорости v в пределах
v0 ≤ v ≤ vк будет получено, если ГДТ заh = −0,1
блокировать при скорости vп.эi .
м/с 2
h = −0,08
Характеристики управления блоки1,0
h = −0,06
рованием ГДТ принято представлять в координатах v − γ а , причем по оси абсцисс
h = −0,04
0,8
откладывают пороговые значения скорости
h = −0,02
0,6
vп , а по оси ординат – значения γ а .
h=0
На рис. 2 а приведены характеристи0,4
a
ки блокирования ГДТ, полученные по криh = 0,2
терию динамичности при моделировании
0,2
движения автомобиля на 4-й передаче с
0
полной нагрузкой на дороге с различными
13
14
15
16
17
18 км/ч 20 уклонами h . Положительные значения h
v
соответствуют движению на подъеме, а
отрицательные – на спуске. На рис. 2 б поРис. 2. Характеристики блокирования ГДТ (а)
и графики ускорений автомобиля (б)
казаны графики получаемых при этом ускорений автомобиля.
1,4
39
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2010. № 4(28)
Характеристики блокирования ГДТ были определены для всех передач и при различных уровнях нагрузки K н , причем принималось пять различных уровней:
K н = 0; 25; 50; 75; 100 % . Из рис. 2 а видно, что пороговое значение скорости vп.д зависит
от величины уклона h и положения педали акселератора γ а . Кроме того, оно довольно
существенно зависит от уровня нагрузки K н . Очевидно также, что ускорение автомобиля
обусловлено как уклоном дороги h , так и величиной K н . Поэтому для учета установленных зависимостей при разработке алгоритма управления блокированием ГДТ в качестве
информационных переменных приняты ускорение a , уровень нагрузки K н и положение
педали акселератора γ а . Все эти переменные легко поддаются измерению. Информация
об их изменениях передается в электронный блок управления. Прямое измерение уклона
дороги h реализовать весьма сложно, так как вследствие наличия упругих элементов подвески и шин массы автомобиля совершают продольные и поперечные угловые колебания.
Вместе с тем влияние h на характеристику управления в достаточной мере отображается
совокупностью переменных a и K н .
Выполненные исследования показывают, что для карьерного самосвала БелАЗ–
7555Е изменение γ а в пределах 90…100 % практически не влияет на пороговое значение
скорости vп.д . При переходе же границы γ а = 90 % в ту или иную сторону происходит
резкий излом характеристик управления. Поэтому при построении регрессионных моделей характеристик управления блокированием ГДТ выполнялось раздельное их описание.
Для построения алгоритмов управления целесообразно вместо скорости v использовать частоту вращения турбины ГДТ nт либо частоту вращения выходного вала ГМП
nв.в . Мехатронная система управления ГМП снабжена датчиками для измерения nт и
nв.в , так как информация об их изменении необходима для управления процессами включения фрикционов при переключении передач. При отсутствии скольжения ведущих колес относительно дороги скорость автомобиля v пропорциональна частоте вращения выходного вала ГМП nв.в , а при включенной передаче – и частоте вращения турбины ГДТ
nт . Связь между v, nв.в и nт устанавливается следующими выражениями:
nв.в =
30u0uк
v;
3,6πrк
nт = nв.вuк.п ,
(6)
(7)
где u0 ,uк – передаточные числа главной и колесной передач соответственно; uк.п – передаточное число коробки передач; v – скорость автомобиля, км/ч; rк – радиус качения ведущих колес, м.
Для выбора структуры уравнения регрессии полученные при различных уровнях нагрузки результаты вычислительных экспериментов целесообразно объединить и представить на одном рисунке, используя при этом выражения (6) и (7). Полученные таким образом графики приведены на рис. 3. Они отображают зависимости частоты вращения турбины ГДТ nт и скорости автомобиля v от ускорения a при γ а = 90 % и различных уровнях
нагрузки K н .
40
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2010. № 4(28)
1500
19,5
об
мин
км ч
18,5
1400
18,0
K н = 100 %
K н = 75 %
K н = 50 %
1350
1300
17,5
K н = 25 %
nт
17,0
16,5
v
1250
1200
16,0
Kн = 0 %
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
1,4
1,6
м/с 2
2,0
a
Рис. 3. Графики зависимостей параметров nт и v от ускорения
автомобиля a при γ а = 90 %
Из приведенных графиков видно, что при a < 0,9 м/с2 характеристика управления
блокированием ГДТ практически постоянна. Поэтому уравнение регрессии необходимо
составлять только для ускорений, превышающих это значение. В соответствии с характером полученных графиков принято уравнение двухмерной квадратичной регрессии следующего вида:
n т = b0 + b1 a + b2 K н + b3 aK н + b4 a 2 + b5 K н2 .
(8)
В уравнении (8) nт - в об/мин, ускорение a - в м/с2, K н - в процентах. Для 4-й передачи получены следующие значения коэффициентов регрессии: b0 = 1835; b1 = −595;
b2 = 1,16; b3 = −0,41; b4 = 150; b5 = −2,73 ⋅ 10−3 .
Адекватность и работоспособность полученной регрессии оценивались по критерию
Фишера F и коэффициенту детерминации R 2 . Критерий Фишера вычисляется по формуле
2
2
,
F = Sср
Sост
2
2
где Sср
– дисперсия модели среднего; Sост
– остаточная дисперсия, характеризующая отклонения значений nт , вычисленных по уравнению регрессии (8), от значений nт.э , соответствующих результатам вычислительного эксперимента, проведенного по разработанной математической модели.
2
Значение Sост
вычислялось по формуле
2
=
Sост
N
1
(nт.эi − nтi )2 ,
∑
N − N в i =1
где N – объем выборки; N в – количество коэффициентов в уравнении регрессии.
Объем выборки при эксперименте на 4-й передаче составлял N = 29 . В результате
2
2
получены следующие значения: Sср
= 16,6 ; F = 370,6 ; R 2 = 0,998 . Таблич= 6157,2 ; Sост
ное значение критерия Фишера для данного случая Fт = 1,96 [3]. Поскольку F > Fт , а
41
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2010. № 4(28)
R 2 > 0,75 , то полученная регрессия обеспечивает адекватное описание результатов эксперимента и регрессионная модель работоспособна.
На рис. 4 а показана поверхность функции отклика nт = f (a, K н ) , полученная с помощью уравнения (8), а на рис. 4 б приведены линии равных уровней этой функции.
Сравнивая графики на рис. 3 и 4 б, легко убедиться в высоком совпадении результатов
вычислений по уравнению (8) с результатами эксперимента.
120
1650
%
1550
80
1450 1400
1350
1300
60
1600
40
Kн
1500
20
0
0,4
0,6
0,8
a
1,0
м/с 2
1,2
1,6
б)
a)
Рис. 4. Поверхность функции отклика n т = f (a , K н ) (а) и линии равных уровней (б)
Графики зависимостей nт от a и K н при заданном значении γ а в пределах
65 ≤ γ а ≤ 90 имеют такой же вид, как и графики на рис. 3. На рис. 5 приведены графики,
отображающие зависимости nт и v от a при трех значениях γ а и различных K н .
1400
K н = 100 %
K н = 50 % 18,0
Kн = 0 %
км ч
γ а = 85 %
об
мин
17,0
1300
γ а = 80 %
16,5
1250
16,0
nт 1200
v
15,5
γ а = 75 %
15,0
1150
1100
14,5
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
1,4
1,6
1,8
м/с
a
Рис. 5. Графики зависимостей параметров nт и v от ускорения а
42
2
2,2
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2010. № 4(28)
втомобиля a при различных γ а и K н
Для учета влияния всех факторов на величину nт использовано трехмерное квадратичное уравнение регрессии:
nт = b0 + b1a + b2 K н + b3γ а + b4aK н + b5aγ а + b6 K н γ а + b7 a 2 + b8 K н2 + b9 γ а2 .
Получены также характеристики управления по критерию экономичности. Пороговое значение скорости при блокировании ГДТ по критерию экономичности vп.э существенно ниже скоростей по критерию динамичности vп.д . Это характерно для любых автомобилей. Поэтому на практике часто используют двухпрограммные системы управления.
Однако их целесообразно применять при сравнительно высокой удельной мощности автомобиля, когда при переходе на экономичную программу сохраняются достаточно высокие значения показателей тягово-скоростных свойств.
В результате исследований получены регрессионные характеристики управления
блокированием ГДТ на всех передачах ГМП и разработаны алгоритмы управления, использованные в созданной мехатронной системе автоматического управления гидромеханической передачей автомобиля БелАЗ–7555Е. Проведенные стендовые и ходовые испытания показали высокую эффективность системы управления. Средняя скорость автомобиля на контрольном участке заводского испытательного полигона оказалась на 14–16 %
выше, а расход топлива на 10–12 % ниже, чем у серийного автомобиля с командным
управлением.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Тарасик, В. П. Интеллектуальные системы управления автотранспортными средствами : монография /
В. П. Тарасик, С. А. Рынкевич. – Минск: Технопринт, 2004. – 512 с.
2. Тарасик, В. П. Теория движения автомобиля: учеб. для вузов / В. П. Тарасик. – СПб.: БХВ-Петербург,
2006. – 478 с.
3. Тарасик, В. П. Математическое моделирование технических систем: учеб. для вузов / В. П. Тарасик. –
Минск : ДизайнПРО, 2004. – 640 с.
Материал поступил в редколлегию 23.07.10.
43
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2010. № 4(28)
УДК 621.762
В.П. Тихомиров, А.В. Кондратович, А.Г. Стриженок
КАЧЕСТВО ПОВЕРХНОСТИ МЕТАЛЛОКЕРАМИЧЕСКОГО МАТЕРИАЛА
Рассмотрены топографические и физико-механические параметры качества поверхности спеченного порошкового материала, используемого в качестве фрикционного сплава в предохранительной муфте электромеханического привода. Приведены результаты индентирования шара в металлокерамическую поверхность.
Ключевые слова: качество поверхности, физико-механические свойства, индентирование, металлокерамический материал, топография поверхности.
Эксплуатационные свойства инженерных поверхностей определяются их качеством.
Под качеством поверхности понимается комплекс параметров, характеризующих топографию поверхности, физико-химические особенности поверхностного слоя и остаточные
напряжения в нем.
Спеченные порошковые материалы широко применяются в качестве фрикционных и
антифрикционных материалов. Эти сплавы на основе порошка меди или железа изготовляются путем спекания. В состав этих материалов входят такие компоненты, как олово,
свинец, дисульфид молибдена, оксид кремния, нитриды бора и др.
Определенное процентное сочетание компонентов, входящих в состав металлокерамического сплава, позволяет получить сплав с требуемыми эксплуатационными показателями.
Топография поверхности. На рис. 1 показана поверхность металлокерамического
материала, состоящая из несущего каркаса и пор (затемненные области). Количество пор
(пористость материала) определяется технологией изготовления спеченного порошкового
материала. При трении без пропитки поверхностного слоя смазочным материалом эти поры служат колодцами, в которые попадают частицы износа, уменьшая тем самым повреждающее действие изношенных частиц на сопряженные поверхности. При пропитке смазочным материалом поры служат резервуарами масла, препятствуя схватыванию поверхностей.
Рассмотрим топографию поверхности в исходном состоянии. Представленная
на рис. 2 профилограмма характеризует
профиль поверхности в исходном состоянии.
После приработки вершины выступов сглаживаются, оставляя очертания
впадин без изменения (рис. 3).
Оценим параметры шероховатого
слоя после приработки, которые определяют несущую способность и трибологические характеристики поверхностного
слоя. На примере представленной профилограммы и опорной кривой профиля поверхности (рис. 4) найдем те параметры,
которые еще не входят в ГОСТ 2789-73 и
международный стандарт ISO 13565Рис. 1. Поверхность металлокерамического сплава
2:1997.
44
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2010. № 4(28)
Рис. 2. Профилограмма поверхности металлокерамической композиции
Рис. 3. Профилограмма поверхности
металлокерамической композиции после приработки
Рис. 4. Профилограмма и опорная кривая профиля
45
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2010. № 4(28)
Для поверхности спеченного материала после шлифования определяют наибольшую
высоту неровностей R'' max и максимальную глубину впадин R' max (рис. 4). Качество поверхности определяется параметрами шероховатости R a и R z . Однако оценка микрогеометрии поверхности спеченного материала только по данным параметрам недостаточна,
необходимы дополнительные показатели. Так, для определения параметра, характеризующего микрошероховатость и ее структуру, следует использовать R'' max и фрактальную
размерность 1<D<2. Для определения маслоемкости поверхности Траутвейном [1] предложен метод, основанный на расчете кривой Аббота-Файерстоуна, форма которой квантована параметрами А, В, С (рис. 4).
Маслоемкость (мм3/см2) для площадки в 1 см2 определяется по формуле
W=(100-B)(C-A)/2000.
Ширина впадин оценивается по профилограмме:
θ=b sinθ/ГУ,
где b − ширина риски по профилограмме; θ − угол наклона риски к оси; ГУ − горизонтальное увеличение.
Параметры t p и R a определены как основные для контроля шероховатости (микрогеометрии) рабочей поверхности. Подлежащие нормированию параметры R a и S m являются технологическими, которые необходимо
выдержать при предварительной обработке для
получения требуемой шероховатости поверхности.
Однако влияние перечисленных и дополнительных параметров шероховатости по
ГОСТ 2789—73 на износостойкость и другие
триботехнические характеристики поверхностей, получаемых по технологии изготовления
спеченного порошкового материала, не исследовано. После приработки (рис. 3) верхняя
Рис. 5. Опорные кривые профиля поверхчасть профилограмм сгладилась, а размеры
ности металлокерамического материала: 1
впадин в начале процессов трения и изнашива– исходное состояние; 2 – после приработки
ния остались практически теми же самыми. Таким образом, несущая способность поверхности увеличилась.
Подповерхностные поры в процессе
трения соединяются между собой и выходят
на поверхность, при этом маслоемкость поверхности увеличивается, что способствует
улучшению трибологических показателей. На
рис. 5 приведены опорные кривые профиля
поверхности металлокерамического материала в исходном состоянии и после приработки.
Эти кривые характеризуют распределение
материала в шероховатом слое и несущую
способность поверхности.
Кривая Аббота-Файерстоуна для приработанной поверхности лежит выше кривой
Рис. 6. Диаграмма «усилие-деформация» с
для неприработанной (рис. 5), поэтому неучетом пластического состояния
сущая способность поверхности увеличивается.
46
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2010. № 4(28)
Определение физико-механических свойств путем индентирования. На рис. 6
представлена диаграмма «усилие-деформация» при вдавливании шарика в исследуемый
материал. А1 − область между линиями нагружения и разгружения выше оси F = 0, А2 − область между линией разгружения и осью F = 0, р' − точка пересечения касательной к кривой
разгружения при высокой нагрузке с осью F = 0.
А1 является мерой энергии, затраченной на деформацию и диссипацию при внедрении и разгружении. Сумма А1+ А2 представляет собой работу, совершенную нагружающим устройством и образцом, т.е. максимальную энергию, которая запасается в образце в
течение внедрения.
Индекс пластичности запишем в виде
ψp =
A1
.
A1 + A2
При упругой деформации А1=0, следовательно, индекс пластичности равен нулю.
При полностью пластической деформации А2=0, следовательно, индекс пластичности равен единице. В некоторых экспериментах по индентированию представляется возможным
определить модуль упругости и твердость исследуемого образца.
dF 2 β1
E ′ Amax ;
=
dδ
π
F max F max
=
H=
.
A max β 2 p′ 2
Рис. 7. Образец и оправка с шариками
Рис. 8. Зависимость относительной деформации металлокерамического материала (отношение глубины внедрения к
диаметру шарика) от усилия: 1 – диаметр шарика 10 мм; 2 – диаметр шарика 12,7 мм
Здесь F – усилие; δ – деформация; F max – максимальное усилие; A max – максимальная площадь
отпечатка; β 1 , β 2 – коэффициенты, зависящие от
формы наконечника; E' – приведенный модуль упругости; μ – коэффициент Пуассона.
Эксперименты проводились на металлокерамических образцах, между которыми размещалась
оправка с тремя шариками (рис. 7). Опыты с помощью пресса ДМ-30М повторялись три раза, каждый раз на новой поверхности металлокерамической композиции. Усилие измерялось с помощью
образцового динамометра ДОС-3. Цена одного
деления индикатора составляла 50 Н, а точность
измерения деформации – 0,01 мкм.
На рис. 8 показана зависимость усилия от
относительной деформации металлокерамического материала.
Определение пластической деформации.
Пластическая твердость определяется методом
вдавливания шариков диаметрами 8, 10 и 12,7 мм
[2]. Используя зависимости усилия вдавливания
от остаточной глубины вдавливания для разных
диаметров шариков D, пластическую твердость
можно найти по формуле
HD =
1
πDtgγ
,
где tgγ=(F-F 1 )/(δ- δ 1 ), F и F 1 – произвольные силы вдавливания, δ и δ 1 – отвечающие им глубины
47
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2010. № 4(28)
восстановленных отпечатков (при вдавливании шарика в металлокерамический материал
упругим восстановлением отпечатка можно пренебречь); γ – угол, образуемый линией
F(δ) c осью δ.
Экспериментально установлено, что пластическая твердость металлокерамической
композиции при вдавливании в нее шариков разного диаметра оказалась равной 350 МПа.
Определение твердости по Бринеллю. Твердость по Бринеллю – НВ (НВW) –
твердость, выраженная отношением приложенной нагрузки F к площади поверхности
сферического отпечатка:
• НВ – при применении стального шарика (для металлов и сплавов с твердостью не
более 450 единиц);
• НВW – при применении шарика из карбида вольфрама (для металлов и сплавов с
твердостью не более 650 единиц).
Диаметр отпечатка измеряют с помощью микроскопа или других приборов.
Число твердости определяется по формуле
HB =
0,102 ⋅ 2 F
.

πD D − D 2 − d 2 


Здесь F – усилие, Н; D – диаметр шарика, мм; d – диаметр отпечатка, мм.
При измерении твердости обозначение НВ дополняется индексами, указывающими
условия в следующем порядке: цифра перед НВ указывает твердость в МПа, первая цифра
после НВ − диаметр шарика в миллиметрах, вторая – нагрузку в Н и третья – продолжительность выдержки под нагрузкой в секундах. Например, 3000 НВ 2,5/1838,7/10 означает
твердость по Бринеллю, равную 3000 МПа, при испытании шариком диаметром 2,5 мм
под нагрузкой 1838,7 Н при выдержке в течение 10 с.
Измерение твердости (по ГОСТ 9012-59) проводилось в механической лаборатории
ЦЗЛ Брянского машиностроительного завода. Стальной шарик диаметром 10 мм вдавливался в металлокерамические композиции, изготовленные на «Термотрон-заводе» (г.
Брянск). Результаты экспериментов показали, что твердость по Бринеллю изменялась в
пределах от 64 до 100 единиц по Бринеллю. Среднее значение твердости составило 820HB
(82 HB в кгс/мм2).
Таким образом, твердость металлокерамического материала равна 820HB
10,0/4900/10.
Связь между твердостью по Бринеллю и пластической твердостью для металлокерамического материала может быть принята по аналогии с зависимостью, приведенной в работе [2].
Скорректированная формула для металлокерамического материала имеет вид
HB = 4,354 HD 0 ,89 .
Для вычисления критической нагрузки F 0 как функции пластической твердости использован метод однократного вдавливания шарика. В этом случае
F0 =
Fiδ i +1 − Fi +1δ i 1166 ⋅ 0,08 − 333 ⋅ 0,18
=
= 333 Н.
δ i +1 − δ i
0,18 − 0,08
Можно предположить, что нагрузка F 0 близка к значению критической силы,
имеющей смысл условной нагрузки, при которой в центре контакта зарождается пластическая деформация. Полагая, что усилие F 0 =F cr , найдем модуль упругости металлокерамического материала. Критическая сила, соответствующая началу пластической деформации, определяется по формуле Герца:
1/ 2
Fcr =
4 D
E ′ 
3 2
δ cr3 / 2 .
Здесь δ cr – деформация, соответствующая переходу от упругого состояния контакта
к пластическому.
48
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2010. № 4(28)
 πcσ T 2 

 2E′ 
2
δ cr = 
D
2
,
где c – коэффициент; σ T2 – предел текучести металлокерамического материала; Е' – приведенный модуль упругости; D – диаметр шарика.
Путем совместного решения двух предыдущих уравнений найдем приведенный модуль упругости:
 4 R 2  πcσ 3 
T2
E ′ =  10 
 
3
F
2
 
 cr 
1/ 2
.
Приняв R 10 =D/2=10/2=5 мм, с=1,295exp(0,736·0,3)=1,615, σ T2 =HB/3 = 820/3=273
МПа, получим
 4 ⋅ 52  π 1,615 ⋅ 273 3 
E′ = 
 

2
 
 3 ⋅ 333 
1/ 2
= 0,57 ⋅ 10 4 МПа.
Итак, модуль упругости металлокерамического материала равен
 1 1 − µ12 

1
1 − 0,3 2 
 1 − µ 22 = 
 1 − 0,25 2 = 0,52 ⋅ 10 4 МПа.
+
E 2 =  +
4
5 
′
E1 
2 ⋅ 10 
 0,57 ⋅ 10
E
Здесь E 1 – модуль упругости стального шарика; μ 1 – коэффициент Пуассона материала шарика; μ 2 – коэффициент Пуассона металлокерамического материала.
Таким образом, определены параметры качества спеченного порошкового материала: опорная кривая профиля до и после обработки поверхности, пластическая твердость,
твердость по Бринеллю и модуль упругости. Эти параметры необходимы для оценки показателей взаимодействия элементов в контактах «металлокерамика-сталь» и «металлокерамика-металлокерамика».
(
)
(
)
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Trautwein, R. Bewertung der Oberflache von Zylindrerlaufbahnen/R. Trautwein//Firmenschrift, Firma Mahle. –
Stuttgart, 1972.-S. 82-86.
2. Дрозд, М.С. Инженерные расчеты упругопластической контактной деформации/М.С. Дрозд, М.М. Матлин, Ю.И. Сидякин.-М.: Машиностроение, 1986.-224 с.
Материал поступил в редколлегию 8.09.10.
49
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2010. № 4(28)
УДК 631.3
В.Т. Аксютенков, А.В. Титенок, А.К. Тимаков
БУКСОВАЯ НАПРАВЛЯЮЩАЯ С ЭЛЕМЕНТАМИ КАЧЕНИЯ
Исследована возможность использования опор возвратно-поступательного движения с элементами качения
в буксовых направляющих подвижного состава железных дорог.
Ключевые слова: опора, возвратно-поступательные движения, буксовая направляющая, элементы качения.
Опоры с высшими кинематическими парами повышенной износостойкости при определенных значениях геометрических параметров (высота стойки L и радиусы вогнутых
и выпуклых поверхностей R и r) могут быть использованы как направляющие с односторонним или двухсторонним ограничением [1].
Основы теоретических исследований. Рассмотрим теоретические положения [1] к
разработке буксовых направляющих для локомотивов и вагонов с элементами качения,
принципиально отличных по конструкции и принципу работы от используемых до сих
пор. Из известных конструкций буксовых направляющих широкое распространение получили челюстные, цилиндрические и подковные с резинометаллическими шарнирами. Каждая конструкция имеет положительные качества и недостатки. К недостаткам челюстных направляющих относится абразивное изнашивание, цилиндрических направляющих –
сложность конструкции, резинометаллических шарниров – существенное увеличение жесткости рессорного подвешивания и некоторые менее существенные недостатки.
Рис. 1. Расчетная схема буксового узла для грузового вагона
На рис. 1 изображен буксовый узел, в котором букса смещена вверх на величину xS
от номинального положения. Букса 1 установлена на ось колесной пары. Вертикальные
силы передаются от рамы тележки 2 на буксу пружинами 3, расположенными над буксой.
В горизонтальном направлении вдоль боковины букса связана с рамой тележки двумя поводками 4. Каждый поводок состоит из штанги 5 с выпуклыми цилиндрическими поверх50
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2010. № 4(28)
ностями радиуса r на торцах, опирающимися на вогнутые поверхности радиуса R, сухаря
6, установленного на буксе, и упора 7, укрепленного на кронштейне рамы тележки.
Длина штанги по оси симметрии равна L. Для удержания штанги от падения и исключения проскальзывания поверхностей радиусов R и r (если угол сцепления превысит
угол трения) предусмотрены цилиндрические поверхности на штангах радиуса ρ с центрами в точках пересечения поверхностей радиуса r с осью симметрии [2]. Эти поверхности поворачиваются внутри пазов деталей 6 и 7. Рамные силы передаются через контактирование боковых поверхностей штанги с сухарем на буксе и упором на раме тележки.
Работает буксовая направляющая следующим образом. При вертикальных колебаниях рамы тележки выпуклые поверхности штанги 5 перекатываются по вогнутым поверхностям сухаря 6 и упора 7.
Боковые колебания рамы тележки относительно продольной горизонтальной оси
(боковая качка) обеспечиваются возможностью поворота сухаря 6 относительно буксы
(показано на правом поводке на рис. 1).
Рассмотрим левый поводок. При этом примем, что рама тележки неподвижна, а букса совершает вертикальные колебания. Для описания траекторий точек S , K и K ' при колебаниях верхней плиты опоры одинаковыми формулами [1] применена нетрадиционная
система координат: горизонтальная ось обозначена буквой у, вертикальная – х (рис. 1).
Запишем известные формулы [1].
xS = 2(R − r )sin (rϕ (R − r )) + (L − 2r )sin ϕ ;
y S = 2[R − (R − r )cos(rϕ (R − r ))] + (L − 2r )cos ϕ ;
tgΘ =
F (L − 2r )sin ϕ − 2r sin (rϕ (R − r ))
;
=
P (L − 2r )cos ϕ + 2r cos(rϕ (R − r ))
L ≤ 2r (1 + r (R − r )) ;
(1)
(2)
(3)
(4)
γ = −(rϕ (R − r ) + Θ ) .
(5)
Упростим формулу (4):
L = 2 Rr (R − r ) .
Следует обратить внимание на то, что длина штанги L равна двум приведенным эквивалентным радиусам ρ Э , от величины которых зависит контактная прочность соединения. Очевидно, что начинать проектирование необходимо с расчета соединения на контактную прочность, по результатам которого вычисляется длина штанги L. По этому параметру затем определяются остальные размеры. Следовательно, длина штаги L является
важным геометрическим параметром, особенно при проектировании транспортных машин.
Далее рассматриваем только буксовую направляющую. Обозначим отношение R r
буквой п. Тогда радиус выпуклой поверхности можно выразить через длину штанги L
следующим образом:
r = ((n − 1) 2n )L .
Запишем формулы (1), (2), (3) и (5) в следующем виде:
((
)
)
x s = L (n − 1) / n sin (ϕ / (n − 1)) + (1 / n )sin ϕ ;
2
51
(6)
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2010. № 4(28)
((
)
)
y s = L (n − 1) − (n − 1) / n cos(ϕ / (n − 1)) + (1 / n )cos ϕ ;
tgΘ =
2
(1 n )sin ϕ − ((n − 1) n )sin (ϕ (n − 1)) ;
(1 n )cos ϕ + ((n − 1) n )cos(ϕ (n − 1))
γ = −(ϕ (n − 1) + Θ ) .
(7)
(8)
(9)
Рассмотрим частные случаи.
Случай 1. n = R r = 2 , r = 0,25 L .
Формулы (6-9) упростятся и запишутся в следующем виде:
xS = L sin ϕ ;
y S = L = const ;
tgΘ = 0 ;
γ = −ϕ .
Так как y S = L = const (постоянная величина), то точка S будет совершать колебания
по вертикальной прямой. Аналогично такая же точка на втором поводке будет совершать
колебания по вертикальной прямой. Следовательно, центр буксы будет совершать вертикальные колебания. Поскольку tgΘ = 0 при − 30 ≤ ϕ ≤ 30 , то линия, соединяющая точки
контакта K и K ' , будет всегда горизонтальной. Силы, передающиеся от буксы на раму
тележки по линии K K ' , не будут оказывать влияния на вертикальные колебания.
Случай 2. n = R r = 3 , r = L 3 .
Формулы (6-9) преобразуются и запишутся следующим образом:
xS = L 3 [4 sin (ϕ 2 ) + sin ϕ ] ;
(10)
yS = L 3 [6 − 4 cos(ϕ 2 ) + cos ϕ ];
sin ϕ − 2 sin (ϕ 2 )
;
tgΘ =
cos ϕ + 2 cos(ϕ 2 )
γ = −(ϕ 2 + Θ ) .
Случай 3. n = R r = 1,5 , r = L 6 .
Формулы (6-9) запишем в измененном виде:
xS = (L 6 )[sin (2ϕ ) + 4 sin ϕ ] ;
(11)
yS = (L 6 )[3 − cos(2ϕ ) + 4 cos ϕ ] ;
2 sin ϕ − sin (2ϕ )
;
tgΘ =
2 cos ϕ + cos(2ϕ )
γ = −(2ϕ + Θ ) .
Как видно из формул (10) и (11), траектории движения точек S во втором и третьем
частных случаях отклоняются от вертикальной прямой. Величину отклонения ∆у можно
определить по выражению
∆у = у (ϕ ) − у (0 ) .
Для трех рассмотренных частных случаев рассчитаны: вертикальная координата перемещения буксы относительно рамы тележки xS , величина зазоров ∆y , тангенс угла γ .
Для всех случаев L = 100 мм, − 30 ≤ ϕ ≤ 30 . Для частного случая 1 в общем виде установлено, что координата yS и tgΘ равны нулю. Следовательно, ∆y = 0 . Кроме того, предварительными расчетами доказано, что в частном случае 2 tgΘ возрастает от нуля до
0,006 . На работу направляющей такие значения не влияют, поэтому ими можно пренеб-
52
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2010. № 4(28)
речь. По результатам расчетов составлена таблица, в которую значения ∆y для первого
случая и tgΘ для всех трех случаев не введены.
Таблица
Координата x S (мм), отклонение точки S от вертикали ∆y (мм) и tgγ
в зависимости от угла ϕ
R = 3r
R = 1,5r
R = 2r
ϕ
tgγ
tgγ
tgγ
∆y
∆y
xS
xS
xS
0
5
10
15
20
25
30
0
8,7
17
26
34
42
50
0
0,09
0,18
0,27
0,36
0,47
0,58
0
9
17
26
35
43
51
0
0
0
0
0,015
0,038
0,08
0
0,04
0,09
0,13
0,17
0,22
0,26
0
12
17
26
34
40
48
0
0
0,01
0,03
0,12
0,29
0,59
0
0,18
0,36
0,58
0,82
1,16
1,67
Анализ формул в общем виде и частных случаях, а также результатов расчетов (таблица) позволяет сделать следующие теоретические выводы:
1. Координаты точки S (x S и y S ) зависят от двух параметров: длины штанги L и угла
ее поворота ϕ . На величину углов Θ и γ длина штанги не влияет. Уменьшить угол γ
можно увеличением длины штанги L .
2. Перемещения буксы ( xS ) при одинаковых L и ϕ для всех трех случаев отличаются несущественно.
3. Отклонения координаты yS от вертикали ( ∆y ) и угла Θ допустимы для практического применения.
4. С учетом изменения угла сцепления γ можно рекомендовать для практического
использования первый и второй частные случаи, а также промежуточные значения параметров. Третий частный случай для буксовых направляющих недопустим.
Расчет и проектирование буксового узла. Результаты теоретических исследований
использованы для расчета основных параметров буксовых направляющих двухосной тележки скоростного грузового вагона с двухступенчатым рессорным подвешиванием. В
первой ступени подвешивания предусмотрена повышенная жесткость, чтобы при всех
скоростях движения (вплоть до максимальной) частота колебаний тележки не достигала
резонансной. Первая ступень подвешивания расположена над буксами.
В предлагаемой буксовой направляющей принято: длина штанги L = 150 мм, радиус
вогнутых поверхностей R = 75 мм, выпуклых – r = 37,5 мм. Так как n = R r = 2 , точка S
перемещается по вертикали без отклонения, перекатывание в парах качения происходит
без скольжения.
В первой ступени подвешивания средняя амплитуда колебаний находится в пределах 15…20 мм. Положение рамы тележки по вертикали относительно буксы при статическом равновесии изменяется при переходе с груженого режима в порожний и обратно. С
учетом этого суммарную амплитуду принимаем равной 35мм, среднюю – 25 мм.
На рис. 2 построен график зависимости изменения
tgγ от перемещения буксы xS для предлагаемой направляющей. Согласно этому графику, при амплитуде 25 мм
tgγ = 0,18 (меньше коэффициента трения). Случайные
скачки амплитуды более 25 мм и кратковременные увеличения tgγ , превышающие коэффициент трения в зоне каРис. 2. График зависимости tg γ
чения, будут удерживаться замыкателями касательных
от перемещения буксы x S
53
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2010. № 4(28)
сил.
Наряду с описанным вариантом буксовой направляющей разработана направляющая
для локомотивов и пассажирских вагонов с увеличенным статическим прогибом рессорного подвешивания в первой ступени и буксой с нижним расположением крыльев под
пружины. Пружины в этом случае проходят через отверстия в штангах поводков, в связи с
чем длина штанги L увеличена до 300 мм. Увеличена также ширина штанги.
Так как амплитуда колебаний существенно не изменилась, увеличение длины штанги привело к уменьшению угла ее поворота ϕ , а следовательно, и угла γ .
Таким образом, проведенные теоретические исследования и предварительные конструкторские проработки доказали возможность создания буксовых направляющих с элементами качения повышенной износостойкости.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Аксютенков, В.Т. Опоры возвратно-поступательного движения с высшими кинематическими парами /
В.Т. Аксютенков, А.В. Титенок, А.К. Тимаков //Вестн. БГТУ. – 2009. - №2. – С. 49-52.
2. Аксютенков, В.Т. Расширение диапазона характеристик в опорах с высшими кинематическими парами /
В.Т. Аксютенков, А.В. Титенок, А.К. Тимаков //Вестн. БГТУ. – 2010. - №1. – С. 31-35.
Материал поступил в редколлегию 11.10.10.
54
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2010. № 4(28)
УДК 629.4.028.86
А.П. Болдырев, П.Д. Жиров
РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ И РАСЧЕТ ХАРАКТЕРИСТИК
ПОГЛОЩАЮЩЕГО АППАРАТА АВТОСЦЕПКИ С ПОЛИМЕРНЫМИ
ЭЛЕМЕНТАМИ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ ТЕМПЕРАТУРАХ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ
Исследовано влияние температурного фактора на подвижной состав. Оценено воздействие температур на
эффективность работы полимерных элементов.
Ключевые слова: поглощающий аппарат, полимерные элементы, математическая модель, температура.
Железнодорожные грузоперевозки общего назначения играют важную роль в экономике РФ. Их доля, составлявшая в 2008 г. 41% от общего числа грузоперевозок (по данным Росстата), неуклонно растёт.
Современный железнодорожный транспорт характеризуется повышением скоростей
(на 55 % за последние 10 лет) и масс транспортируемых грузов (на 47,8 % за последние 10
лет), что не может не сказываться на нагруженности вагонов. Для снижения одной из составляющих нагруженности - продольной нагрузки применяются амортизаторы удара (поглощающие аппараты). Новейшие поглощающие аппараты используют высокоэффективные компоненты: полимерные элементы (вместо пружин) и силиконовую амортизирующую композицию (вместо пружин и масла для гидроамортизаторов). В данной статье исследуется влияние температуры на характеристики поглощающего аппарата ПМКП-110 с
полимерными элементами в качестве подпорного блока (рис. 1), как наиболее распространенного в РФ. Результаты исследования применимы и для других аппаратов с полимерными элементами.
Амортизатор удара ПМКП-110, разработанный ООО «НПП Дипром» [1], предназначен для
установки на универсальных вагонах широкого
назначения, по существующим нормативам он соответствует классу Т1. Энергия поглощается за
счёт сил трения между неподвижными пластинами
с металлокерамическими элементами, клиньями,
Рис. 1. Поглощающий аппарат ПМКП-110
подвижными пластинами и корпусом, а также за
счёт деформации комплекта полимерных элементов.
Исследование влияния температурного фактора имеет большое значение: как показывает опыт эксплуатации, характеристики поглощающих аппаратов, работающих в различных климатических условиях и температурных режимах (табл. 1,2) [2], существенно
зависят от температуры.
Таблица 1
Отправление грузов железнодорожным транспортом общего пользования по субъектам
Российской Федерации
Отправление грузов
млн т
%
0217,4
016,7
0161,4
012,4
0102,5
007,8
0197,7
015,1
0152,2
011,7
0418,8
031,9
0058,1
004,4
1311,6
100,0
Федеральный округ РФ
Центральный
Северо-Западный
Южный
Приволжский
Уральский
Сибирский
Дальневосточный
Всего
55
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2010. № 4(28)
Статистическое распределение температурных режимов
Интервалы температур,
°С
[–45,0…–35,0]
(–35,0…–25,0]
(–25,0…–15,0]
(–15,0…–5,0]
(–5,0…+5,0]
(+5,0…+15,0]
(+15,0…+25,0]
(+25,0…+35,0]
(+35,0…+45,0]
Для всего парка
0,003083
0,027364
0,068805
0,120898
0,250892
0,252504
0,230580
0,044946
0,000928
Таблица 2
Частоты
Для парка Сибири и Дальнего
Востока
0,009361
0,078311
0,163241
0,151370
0,188472
0,212556
0,160502
0,035959
0,000228
Экспериментальные исследования статических характеристик полимерных элементов проводились при различных температурах. Объектом испытаний был комплект из пяти полимерных элементов (материал Durel), разделенных промежуточными металлическими пластинами. Начальное сжатие составило 90 мм, что соответствует исходному положению комплекта в аппарате. Элементы помещались в изолированную емкость, наполненную техническим спиртом, и охлаждались при растворении в ней «сухого льда» — углекислоты. Непрерывный контроль температуры среды осуществлялся термометром. После достижения необходимой температуры и выдержки в этих условиях в течение 20...30
мин комплект элементов устанавливался в приспособление на стенд ПММ-250, где фиксировалась его статическая характеристика.
Целью испытаний было получение силовых характеристик комплекта при различных
температурах (от –60 до +51 °C). Прогнозировалось увеличение жесткости полимеров
при уменьшении температуры (до эффекта стеклования) и размягчение элементов при повышении температуры.
Испытания проP, кН
водились в лабора2
3
4
тории
кафедры
450
7
«Динамика и проч1
6
400
ность машин» Брян5
ского государствен350
ного технического
8
университета. По300
лученные результа250
ты полностью согласуются с прогно200
зами.
После испыта150
ний строились силовые характеристики
100
(рис. 2) и представ50
лялись математическими зависимостя0
ми, в качестве кото0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07 0,08 0,09 0,1 0,11 0,12 x, м
рых использовались
Рис. 2. Статические силовые характеристики подпорного комплекта
степенные полиноаппарата ПМКП-110 для различных температур, °C:
1 — - 60; 2 — - 50; 3 —- 40; 4 — - 20; 5 —0; 6 — + 21; 7 — + 41; 8 — + 51
56
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2010. № 4(28)
мы с различным количеством членов ряда. Коэффициенты полиномов определялись методом наименьших квадратов.
В ходе исследования было решено использовать полином пятой степени с нечетными степенями, который даёт достаточную сходимость с полученными экспериментальными данными и не усложняет математическую модель поглощающего аппарата в целом
(коэффициенты полинома приведены в табл. 3):
P( x) = a1 ( x + x0 ) + a2 ( x + x0 ) 2 + a3 ( x + x0 ) 3 + a4 ( x + x0 ) 4 + a5 ( x + x0 ) 5 .
Таблица 3
Коэффициенты полинома
Температура,
°C
-60
-50
-40
-20
000
021
041
051
Н
м
a1 ,
a2 ,
-4,4·104
-1,9·104
-6,5·103
-8,2·102
-3,8·103
-3,9·103
-1,1·102
-7,3·103
Н
м2
Н
м3
a3 ,
-1,1·106
-4,7·105
-1,5·105
-1,1·104
-8,2·104
-8,8·104
-3,2·104
-1,6·105
-1,1·107
-4,4·106
-1,3·106
-4,0·105
-6,1·105
-6,1·105
-6,3·105
-1,2·106
a4 ,
Н
м4
-4,6·107
-1,8·107
-5.,5·106
-2,6·106
-2,1·106
-1,7·106
-3,9·106
-3,7·106
a5 ,
Н
м5
-7,1·107
-2,6·107
-7,6·106
-5,7·106
-2,2·106
-8,7·105
-8,3·106
-3,3·106
На рис. 3 для примера представлена зависимость коэффициента a1 от температуры.
a 1,
Н
м
×10 4
0
-1
-2
-3
-4
-60
-50
-40
-30
-20
-10
0
10
20
30
T, °C
Рис. 3. Зависимость коэффициента a1 от температуры
Зависимости
коэффициентов от температур методом наименьших
квадратов
приводились к аналитическим и включались в
существующую математическую модель аппарата ПМКП-110 [3]:
ψ1 (v )i1 F(x, v ) при x < a , v > 0;
ψ (v )i F(x, v ) при x ≥ a , v > 0;
1
 2

(
c
x
x
, v > 0;
−
max ) + ψ 2 (v )i 1 F(x, v ) при x ≥ x max

P(x, v) = 
ψ (v )i1 F(x, v ) при x max2 − a < x < x max 2 , v < 0;
 1p
ψ 2p (v )i1 F(x, v ) при x ≤ x max2 − a , v < 0;


c(x − x max ) + ψ 2p (v )i1 F(x, v ) при x ≥ x max , v < 0,
где x – ход аппарата; v – скорость аппарата; a – ход первой ступени; ψ j – коэффициенты
передачи; c – жесткость корпуса аппарата; i 1 – коэффициент передачи при отсутствии
трения; x max – максимально возможный ход аппарата; x max2 – максимальный ход аппарата,
достигнутый в данной ситуации; F(x,v) – динамическая характеристика подпорной части
аппарата.

 1
F (x, v ) = 1 − η cm ⋅ σ 0 (− v ) ⋅ a1 ( x + x 0 ) + a 2 ( x + x 0 ) 2 + a 3 ( x + x 0 ) 3 + a 4 ( x + x 0 ) 4 + a 5 ( x + x 0 ) 5 ,
 2

где
(
)
57
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2010. № 4(28)
a1 (t ) = −4,312 − 65,7t + 7,6t 2 + 0,1t 3 ;
a 2 (t ) = −93161 + 1978,1t − 211,5t 2 − 2,2t 3 − 0,1t 4 ;
a3 (t ) = −692045 − 19347,5t − 2136,6t 2 + 22,4t 3 − 1,3t 4 ;
a 4 (t ) = 2241750 + 78099t − 9140t 2 − 97,7t 3 + 5,7t 4 ;
a5 (t ) = −2114617 − 111465t + 13902t 2 + 152t 3 − 8,2t 4 .
На основании установленной зависимости силы от температуры была построена зависимость начальной заP, кН
тяжки комплекта полимерных элементов от темпера300
туры (рис. 4), которая согласуется с экспериментальными данными, что
200
свидетельствует об адекватности полученных зависимостей.
100
На основании проведенных
исследований
0
можно сделать следующие
T, °C
-60 -50 -40 -30 -20 -10 0
10
20
30
выводы:
1. Получена матемаРис. 4. Зависимость начальной затяжки комплекта полимерных элементов поглощающего аппарата ПМКП-110 от темпетическая модель поглоратуры
щающего аппарата ПМКП110, учитывающая температурный фактор.
2. Рассчитана зависимость начальной затяжки от температуры окружающей среды.
3. Модель может быть использована для расчета нагруженности вагона, а также надежности полимерных поглощающих аппаратов.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Кеглин, Б.Г. Повышение эффективности комбинированных фрикционных поглощающих аппаратов на
базе ПМК-110А / Б.Г. Кеглин, А.П. Болдырев, А.В. Иванов, Д.А. Ступин //Проблемы механики железнодорожного транспорта: динамика, прочность и безопасность движения подвижного состава: тез докл. XI
Междунар. конф. – Днепропетровск: ДИИТ, 2004.
2. Транспорт в России. 2009: сб. ст./ Росстат.- М., 2009. – Т.65. - 198 с.
3. Болдырев, А.П. Расчет и проектирование амортизаторов удара подвижного состава / А.П. Болдырев, Б.Г.
Кеглин. - М.: Машиностроение -1, 2004. − 199 с.
Материал поступил в редколлегию 21.09.10.
58
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2010. № 4(28)
УДК 621.86
А.В. Лагерев, И.А. Лагерев, В.В. Говоров
МОДЕРНИЗАЦИЯ КРАНА-МАНИПУЛЯТОРА
САМОХОДНОЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ МАШИНЫ АСТ-4-А
Приведены рекомендации по увеличению номинальной грузоподъемности крана-манипулятора
самоходной энергетической машины АСТ-4-А. Несущая металлоконструкция рассчитана на прочность и
жесткость методом конечных элементов. Показаны схемы усиления несущей металлоконструкции.
Ключевые слова: кран-манипулятор, модернизация, увеличение грузоподъемности, расчет на прочность,
расчет на жесткость, конечноэлементный расчет, усиление металлоконструкции.
Объектом исследования является кран-манипулятор самоходной энергетической
машины для сварки магистральных трубопроводов АСТ-4-А (рис. 1). Машина производится ЗАО «Дизель-Ремонт» (г. Брянск).
Рис.1. Самоходная энергетическая машина АСТ-4-А
Кран-манипулятор с поворотной стрелой предназначен для подъема и перемещения
палатки сварщика в зону сварки труб большого диаметра. Палатка сварщика накрывает
стык и предотвращает вредное воздействие окружающей среды на сварной шов. На стреле
манипулятора с помощью приварных скоб крепятся электрические кабели, соединяющие
размещенные в кузове агрегата сварочные выпрямители и посты сварки, находящиеся в палатке.
Цель исследования – разработка рекомендаций по
увеличению номинальной грузоподъемности кранаманипулятора самоходной энергетической машины
с 750 до 1500 кг.
Металлоконструкция крана-манипулятора изготовлена из низколегированной стали 09Г2С (класс
прочности 390). Широкополосный листовой прокат,
относящийся к классу прочности 390, имеет предел
текучести σ Т =390 МПа, предел прочности (временное
сопротивление) σ В =530 МПа, относительное удлинение 18% [1].
На первом этапе исследования разработана геометрическая твердотельная модель крана-манипулятора
(рис. 2). Модель использована для уточнения особенностей рассматриваемой конструкции и построения её топологии при расчетах на прочность и жесткость методом
Рис. 2. Геометрическая модель
конечных элементов.
крана-манипулятора
Приняты следующие условные обозначения элементов несущей конструкции кранаманипулятора: секция А – верхняя часть стрелы, на которой установлен грузоподъемный
крюк; секция В – средняя часть стрелы; секция С – вертикальная цилиндрическая опора.
59
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2010. № 4(28)
Методика проверочного расчета металлоконструкции крана-манипулятора самоходной
энергетической машины базируется на нормативном методе предельных состояний [2 – 5].
В качестве рассматриваемых предельных состояний учитываются следующие:
• предельное состояние I – потеря несущей способности при однократном действии
максимальной нагрузки (обеспечение статической прочности и общей устойчивости металлоконструкции);
• предельное состояние II – потеря несущей способности при многократном действии нагрузки (обеспечение усталостной прочности металлоконструкции);
• предельное состояние III – возникновение деформаций, препятствующих нормальной эксплуатации крана, при сохранении несущей способности по условию предельного состояния I (обеспечение жесткости металлоконструкции).
Достижение предельного состояния I приводит к внезапному отказу конструкции и
связано с действием таких физических механизмов повреждения, как вязкое или хрупкое
разрушение материала при однократном эксплуатационном воздействии и потеря общей
или местной устойчивости. Его учет при проведении проверочного расчета позволяет обеспечить статическую прочность и устойчивость металлоконструкции крана-манипулятора.
Достижение предельного состояния II приводит к постепенному отказу конструкции и связано с действием таких физических механизмов повреждения, как многоцикловая усталость, ползучесть материала, коррозионное повреждение и изнашивание. Его учет
при проведении проверочного расчета позволяет обеспечить усталостную прочность металлоконструкции крана-манипулятора.
Достижение предельного состояния III связано с появлением недопустимо больших
упругих деформаций под воздействием номинальных эксплуатационных нагрузок. Его
учет при проведении проверочного расчета позволяет обеспечить общую жесткость металлоконструкции крана-манипулятора.
Применительно к крану-манипулятору самоходной энергетической машины в качестве расчетных случаев приняты следующие характерные периоды его эксплуатации:
• расчетный случай I – рабочее состояние оборудования при нормальной (номинальной) нагрузке и нормальных (номинальных) скоростях механизмов движения;
• расчетный случай II – рабочее состояние оборудования при максимальной рабочей и динамической нагрузке;
• расчетный случай III – нерабочее состояние оборудования при максимальной нагрузке.
Расчетный случай I соответствует штатным условиям работы крана-манипулятора
при плавных пусках, торможении и реверсировании механизмов движения. Он применяется при проведении расчета металлоконструкции по предельному состоянию II, т.е. на
сопротивление усталости. В расчете учитываются номинальные значения эксплуатационных нагрузок рабочего состояния крана, в число которых включаются [2; 3; 6; 7]:
• номинальный вес груза и грузозахватного устройства;
• собственный вес металлоконструкции крана-манипулятора;
• ветровая нагрузка рабочего состояния;
• динамические инерционные нагрузки, возникающие при пуске и торможении в
нормальных условиях работы исправных механизмов движения.
Если группа режимов работы крана-манипулятора ниже А6-А7 и его конструкция
изготовлена из стали с пределом текучести, не превышающим 600 МПа, то расчет на усталость не требуется [2]. В случае обеспечения статической прочности гарантируется
требуемое сопротивление усталости. Группа режимов работы исследуемого кранаманипулятора – А2-А3, предел текучести стали – 390 МПа.
Расчетный случай II соответствует работе крана-манипулятора с максимальной рабочей
и динамической нагрузкой в наиболее тяжелых условиях эксплуатации: во время резких пус60
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2010. № 4(28)
ков, экстренного торможения, реверсирования движения, при внезапном выключении или
включении электропитания, предельной ветровой нагрузке. Он применяется при проведении
проектных расчетов крановых металлоконструкций по предельному состоянию I, т.е. на статическую прочность и устойчивость. Расчет выполняется по максимальным действующим
или предельно возможным значениям эксплуатационных динамических нагрузок с учетом
рекомендованных значений запаса прочности [2; 3]. При этом учитываются номинальные
значения таких эксплуатационных нагрузок рабочего состояния крана-манипулятора, как:
• номинальный вес груза и грузозахватного устройства;
• собственный вес металлоконструкции крана-манипулятора;
• вес механизмов и устройств, установленных на кране-манипуляторе.
В качестве предельно возможных значений динамических нагрузок рассматриваются:
• максимальные инерционные усилия при перемещении штоков гидродвигателей;
• максимальная ветровая нагрузка рабочего состояния;
• максимально допустимые уклоны опорной поверхности установки машины;
• испытательная нагрузка при динамическом нагружении.
Расчетный случай III соответствует ситуации, когда кран-манипулятор не выполняет
никакой работы, т.е. перемещаемый груз отсутствует, а механизмы движения выключены.
Он применяется при проведении проектных расчетов крановых металлоконструкций по
предельному состоянию I, т.е. на статическую прочность и устойчивость. В расчете учитываются максимальные действующие (предельно возможные) значения эксплуатационных нагрузок нерабочего состояния, в число которых включаются:
• собственный вес металлоконструкции крана-манипулятора;
• вес установленных на кране-манипуляторе механизмов и устройств;
• предельная ветровая (ураганная) нагрузка;
• испытательная нагрузка при статическом нагружении.
При этом положение стрелы выбирается наиболее опасным, т.е. соответствующим
максимально возможным нагрузкам на рассчитываемые элементы конструкции.
При оценке нагруженности металлоконструкции крана-манипулятора самоходной
энергетической машины не целесообразно учитывать все характерные для конкретного
расчетного случая нагрузки, так как вероятность их одновременного действия в условиях
эксплуатации практически равна нулю. Поэтому для каждого расчетного случая выделены
типовые последовательности движений, совершаемые механизмами крана-манипулятора
(табл. 1).
Типовые последовательности движений крана-манипулятора
Обозначение
последовательности
a
b
c
Таблица 1
Содержание
последовательности движений
Подъем (с основания) и опускание (с торможением) груза при
неподвижной самоходной энергетической машине и неработающем механизме поворота крана-манипулятора
Разгон (торможение) механизма поворота с грузом на крюке крана-манипулятора в горизонтальной плоскости относительно вертикальной оси при неподвижной самоходной энергетической машине и неработающих остальных механизмах движения
Разгон (торможение) самоходной энергетической машины при
неработающих механизмах движения крана-манипулятора
61
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2010. № 4(28)
Расчетные сочетания нагрузок определяются возможными в условиях эксплуатации
сочетаниями расчетных случаев и типовых последовательностей движений. Их условное
обозначение складывается из номера расчетного случая (I, II или III) и буквенного обозначения типовой последовательности (а, b, c). В табл. 2 для крана-манипулятора самоходной
энергетической машины приведен перечень эксплуатационных нагрузок, подлежащих
учету для возможных расчетных сочетаний.
Таблица 2
Перечень эксплуатационных нагрузок для расчета крана-манипулятора
самоходной энергетической машины АСТ-4-А
Эксплуатационная
нагрузка
Весовая нагрузка:
груз
вес элементов металлоконструкции
Инерционные динамические нагрузки
Нагрузки от перекоса
Ветровая нагрузка:
рабочего состояния
нерабочего состояния
Испытательная нагрузка:
статическая
динамическая
Расчетный случай
I
II
Расчетное сочетание нагрузок
Ia
Ib
Ic
IIa
IIb
IIc
III
+
+
+
–
+
+
+
–
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
–
+
–
–
–
–
–
–
–
–
+
–
+
–
+
–
–
+
–
–
–
–
–
–
–
+
–
+
–
+
+
–
Примечание. «+» – нагрузка учитывается; «–» – нагрузка не учитывается.
Несущая металлоконструкция крана-манипулятора рассчитана на прочность и жесткость методом конечных элементов [8; 9]. Учитывались расчетные сочетания нагрузок
IIa, IIb, IIc, III.
Расчет выполнен для следующих вариантов взаимного расположения секций А и В:
1) секция А расположена горизонтально, секция В находится в положении наибольшего подъема;
2) секция А находится в положении наибольшего опускания, секция В – в положении наибольшего подъема.
Для анализа результатов проведен дополнительный расчет конструкции при работе
с первоначальным грузом 750 кг. В этом случае нагрузки заданы согласно комбинации IIa.
Несущая металлоконструкция крана-манипулятора является тонкостенной, поэтому
для исследования ее напряженно-деформированного состояния использованы плоские
трех- и четырехузловые конечные элементы (Tria3-Shell и Quad4-Shell), моделирующие
поведение трехмерных пластин и оболочек. Характерный размер конечного элемента
равен 5 мм.
Конечноэлементные модели (рис. 3) построены на основе геометрии, импортированной из пакета твердотельного моделирования с помощью универсального алгоритма
обмена графическими данными. При этом исходные твердотельные модели были преобразованы в поверхностные. Перед созданием сетки конечных элементов из геометрической
модели были исключены объекты, усложняющие модель, но существенно не влияющие на
результаты расчета (технологические отверстия для установки крепежных элементов, направляющие устройства для закрепления электрических кабелей и трубопроводов гидравлической системы крана, недеформируемые элементы и т.д.).
62
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2010. № 4(28)
а)
б)
в)
Рис. 3. Конечноэлементные модели элементов несущей металлоконструкции крана-манипулятора:
а – секция А; б – секция В; в – секция С
Созданные конечноэлементные модели проверены на правильность построения с
помощью встроенных в МКЭ-пакет средств. В результате были исключены разрывы сетки
и нарушения геометрии конечных элементов. Конечноэлементная сетка была доработана
в ручном режиме.
Материал конструкции моделировался изотропной средой. Были заданы следующие
характеристики материала: модуль упругости E = 2,1 ⋅1011 Па; коэффициент Пуассона
µ = 0,3; плотность 7850 кг/м3.
В результате расчета выявлены наиболее опасные зоны исходной металлоконструкции
крана-манипулятора и наихудшие сочетания нагрузок при работе с грузом массой 1500 кг.
Напряжения в исходной металлоконструкции при повышении грузоподъемности с
750 до 1500 кг увеличиваются на 55…65%. Это объясняется тем, что при увеличении грузоподъемности растут только связанные с грузом нагрузки. В то же время собственный вес, инерционные и ветровые воздействия на металлоконструкцию не изменяются.
Наиболее опасным с точки зрения прочности является сочетание нагрузок IIa.
Следует отметить, что возникающие в конструкции под действием сочетаний IIa, IIb и IIc напряжения отличаются мало (не более 5%). Напряжения для сочетания III ниже на 30…40% по
сравнению с напряжениями для сочетания IIa.
Напряжения в секции А для второго варианта меньше на 40…60% по сравнению с
напряжениями для первого варианта, в секциях В и С – больше на 20…30%.
К опасным зонам конструкции, в которых в первую очередь следует ожидать разрушения, относятся следующие:
• секция А: верхний и нижний пояса, область перехода верхнего пояса к накладке,
обечайка и боковая стенка раскоса крепления гидроцилиндра;
• секция В: верхний и нижний пояса, боковина задней части, проушина крепления
нижнего гидроцилиндра, проушина крепления верхнего гидроцилиндра;
• секция С: внутренняя труба ниже проушины крепления нижнего гидроцилиндра, стык
внешней трубы и бокового ребра, угол кронштейна.
63
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2010. № 4(28)
Результаты расчета исходной конструкции при увеличенной грузоподъемности для
сочетания IIa показаны на рис. 4.
а)
в)
б)
Рис. 4. Эквивалентные напряжения (МПа) для сочетания нагрузок IIa
Для обеспечения прочности и жесткости металлоконструкции необходимо усилить
секции А и В. Секция С способна выдержать возросшую нагрузку. Кроме того, следует
усилить проушины крепления шарниров.
Подобраны варианты усиления металлоконструкции крана-манипулятора (рис. 5).
Напряжения в опасных зонах усиленных элементов при грузоподъемности 1500 кг не превышают напряжения в исходной конструкции при грузоподъемности 750 кг.
а)
б)
Рис. 5. Схемы усиления металлоконструкции:
а – секция А; б – секция В
Секция А по верхнему и нижнему поясам, обечайке, накладке и боковой стенке раскоса
крепления гидроцилиндра усиляется стальными элементами толщиной 5 мм. Пояса секции В
от проушин опирания на секцию С до проушин крепления верхнего гидроцилиндра усиляются накладками толщиной 10 мм, в головной части – накладками толщиной 5 мм. Боковая
стенка секции В и проушины крепления нижнего гидроцилиндра усиляются листовыми элементами толщиной 5 мм.
64
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2010. № 4(28)
При проведении работ по усилению конструкции необходимо придерживаться следующих правил: объем сварки должен быть минимальным, так как сварные швы являются
зонами концентрации напряжений и дефектов, снижающих пределы прочности и выносливости конструкции; сварные швы следует располагать в удобных и доступных местах; при
усилении балки сначала следует усиливать нижний пояс, а затем верхний.
Напряжения в стреле крана-манипулятора усиленной конструкции показаны на рис. 6.
а)
б)
Рис. 6. Эквивалентные напряжения (МПа) в стреле усиленной конструкции:
а – секция А; б – секция В
Крюк крана-манипулятора изготовляется из заготовки «Крюк 9А-2». Данная заготовка имеет максимальную грузоподъемность для машин и механизмов с машинным приводом и группой режима работы механизма подъема до 4М, равную 2 т [10; 11].
Дополнительно проведены расчеты крюка и его подвески в нелинейной постановке.
Учитывалась геометрическая нелинейность, обусловленная контактным взаимодействием
деталей конструкции. Наибольшие напряжения в секции А крана-манипулятора в области
опирания втулки составляют 90…110 МПа, во втулке – 150…170 МПа, в грузовом крюке –
160..180 МПа. Таким образом, прочность грузозахватного органа обеспечена.
В табл. 3 приведены значения перемещений крюка для базовой конструкции крана
при грузоподъемности 750 и 1500 кг и для усиленной конструкции. Видно, что предлагаемые
схемы усиления обеспечивают требуемую жесткость конструкции.
Перемещения крюка крана-манипулятора
Элемент конструкции
Секция А
Секция В
Секция С
Суммарные
перемещения крюка
Конструкция (грузоподъемность, кг)
750
1500
Усиленная
750
1500
Усиленная
750
1500
Усиленная
750
1500
Усиленная
x
0,00089
0,00217
0,00084
0,00275
0,00418
0,00244
0,00167
0,00219
–
0,00531
0,00854
0,00547
Перемещения, м
y
0,0190
0,0318
0,0201
0,0646
0,1050
0,0553
0,0018
0,0019
–
0,0854
0,1387
0,0770
Таблица 3
z
0,00712
0,00812
0,00693
0,02930
0,03760
0,02230
0,00793
0,01170
–
0,04435
0,05742
0,04093
Напряжения, действующие в конструкции после усиления, сопоставимы с первоначальными. Поэтому существующая схема расстановки ребер жесткости позволит избежать локальной потери устойчивости элементов.
65
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2010. № 4(28)
По итогам научно-исследовательской работы можно сделать вывод, что несущая металлоконструкция крана-манипулятора после усиления способна выдержать нагрузки при
увеличении грузоподъемности с 750 до 1500 кг.
Согласно ПБ 10-257-98, изменение конструкции крана, вызывающее необходимость
корректировки паспорта, в том числе изменение грузоподъемности, называется реконструкцией. Поэтому после окончания работ по повышению грузоподъемности ранее выпущенный кран-манипулятор должен быть зарегистрирован (перерегистрирован) в органах
Ростехнадзора.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Прокат из стали повышенной прочности. Общие технические условия: ГОСТ 19281-89.
2. Соколов, С.А. Металлические конструкции подъемно-транспортных машин / С.А. Соколов. – СПб.:
Политехника, 2005. – 423 с.
3. Лагерев, А.В. Нагруженность подъемно-транспортной техники / А.В. Лагерев. – Брянск: БГТУ, 2010. – 180 с.
4. Конструкции несущие стальные кранов. Принципы проектирования: DIN 15018.
5. EN 12999:2002. Cranes-Loader cranes. – Brusseles, 2002. – 96 p.
6. Проектирование грузоподъемных машин: учеб. пособие / С.А. Казак, В.Е. Дусье, Е.С. Кузнецов [и др.];
под ред. С.А. Казака. – М.: Высш. шк., 1989. – 319 с.
7. Строительные нормы и правила. Нагрузки и воздействия: СНиП 2.01.07-85.
8. Шимкович, Д.Г. Расчет конструкций в MSC/NASTRAN for Windows / Д.Г. Шимкович. – М.: ДМК Пресс,
2003. – 448 с.
9. Инженерные расчёты механических конструкций в системе MSC.Patran-Nastran / Е.К. Рыбников,
С.В. Володин, Р.Ю. Соболев. - М., 2003. – 130 с.
10. Крюки однорогие. Заготовки. Типы. Конструкция и размеры: ГОСТ 6627-74.
11. Краны грузоподъемные. Классификация механизмов по режимам работы: ГОСТ 25835-83.
Материал поступил в редколлегию 3.09.10.
66
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2010. № 4(28)
УПРАВЛЕНИЕ, ВЫЧИСЛИТЕЛЬНАЯ ТЕХНИКА
И ИНФОРМАТИКА
УДК 539.3
И.Н. Серпик, К.В. Шевченко
РАЗРАБОТКА ГЕНЕТИЧЕСКОГО АЛГОРИТМА
СЛАБОВЗАИМОДЕЙСТВУЮЩИХ ПОПУЛЯЦИЙ
ДЛЯ ОПТИМИЗАЦИИ НЕСУЩИХ СИСТЕМ
Предложен генетический алгоритм оптимизации несущих конструкций, использующий несколько слабовзаимодействующих популяций с различными параметрами изменения. Рассмотрены вопросы ускорения
поиска оптимального решения и построения критериев остановки вычислений. На тестовых примерах проиллюстрирована высокая эффективность представленной итерационной схемы.
Ключевые слова: оптимизация, генетический алгоритм, несущие конструкции, слабовзаимодействующие
популяции, координатный спуск.
Оптимизация несущих систем связана с решением достаточно сложных задач математического программирования. Обычно постановка задач такого типа включает минимизацию целевой функции при значительном числе ограничений в виде равенств и неравенств. При этом во многих случаях приходится сталкиваться с необходимостью поиска
на дискретных множествах варьируемых параметров (профилей стержней, толщин листов,
марок материалов и т.д.).
Наиболее существенные проблемы возникают при структурной оптимизации, которая предусматривает учет изменения схем взаимодействия между элементами деформируемого объекта. Кроме того, здесь необходимо принимать во внимание дополнительное
ограничение, связанное с исключением возможности появления геометрически изменяемых или мгновенно изменяемых систем. Структурная оптимизация может быть сведена к
задаче параметрического синтеза путем введения дополнительных дискретных параметров, управляющих наличием или отсутствием элементов расчетной схемы, однако это связано с еще большим увеличением числа варьируемых параметров. В результате классические подходы к поиску экстремумов становятся неприемлемыми, так как либо приводят к
чрезмерным затратам машинных ресурсов, либо вообще не позволяют выполнять оптимальное проектирование реальных объектов.
Данная проблема, тем не менее, может найти свое решение на основе методов современных информационных технологий. Одним из таких подходов, позволяющих осуществлять оптимальный структурно-параметрический синтез достаточно сложных несущих конструкций, являются генетические алгоритмы [1-5], иначе называемые эволюционным моделированием, которые функционируют по принципам совершенствования видов
в живой природе. Эти вычислительные схемы дают возможность достаточно эффективно
проводить поиск глобального минимума и при этом не требуют непрерывности варьируемых параметров.
Генетические алгоритмы предусматривают создание группы (популяции) особей,
определяемых набором параметров (генов); отбор особей по критерию выживаемости,
связанному со значением целевой функции; последовательную смену поколений для
обеспечения минимального (или максимального) значения целевой функции. Процесс модификации поколений осуществляется на основе операторов кроссинговера и мутации.
Кроссинговер предполагает обмен значениями параметров между двумя или более особями. Под мутацией понимается случайное изменение этих параметров. Проблеме разработ67
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2010. № 4(28)
ки генетических алгоритмов посвящено большое число исследований, в том числе применительно к оптимизации деформируемых систем. Тем не менее вопросы ускорения синтеза оптимальных объектов и выработки рационального подхода к завершению вычислительного процесса еще требуют дальнейшего изучения.
В настоящей статье предлагается генетический алгоритм, позволяющий повысить
эффективность эволюционного синтеза при проектировании несущих систем. Главной
особенностью данного алгоритма является параллельное использование в каждом поколении нескольких взаимодействующих между собой популяций. При этом для каждой популяции указываются свои параметры изменения. Для обмена лучшими особями между популяциями вводится механизм примешивания – периодического заимствования некоторого количества особей из других популяций. Такая схема алгоритма позволяет реализовать
поиск как вблизи найденных ранее оптимальных значений, когда незначительно изменяется небольшое число генов, так и вдали от уже имеющихся решений, когда изменению
подвергается относительно большое число генов. С целью ускорения процедуры в операторах кроссинговера и мутации учитывается характер влияния изменения генов на целевую функцию, а на этапе, когда генетическое разнообразие популяций становится малым,
реализуется метод координатного спуска.
Расчет напряженно-деформированного состояния фермы выполняется с помощью
метода конечных элементов в форме метода перемещений на базе программного комплекса DSMFem, позволяющего за счет использования специализированного языка достаточно
просто модифицировать расчетные схемы оптимизируемых систем.
Постановка задачи. Остановимся на классической проблеме синтеза ферм по условию минимума массы, так как на тестовых задачах такого типа обычно оценивается производительность генетических алгоритмов [1; 2]. Запишем целевую функцию в виде
J
M = ∑ ϕ j A j l j ρ j ⇒ min ,
j =1
где M – масса стержней; J – число стержней в исходной структуре фермы; ϕ j – коэффициент учета наличия j-го стержня в текущей конфигурации фермы ( ϕ j = 1 , если стержень
учитывается, и ϕ j = 0 , если стержень отсутствует); A j , l j , ρ j – площадь поперечного
сечения, длина и плотность материала j-го стержня.
Считается, что в общем случае могут варьироваться площади A j и параметры ϕ j .
Рассматриваются следующие ограничения [1; 2]:
• условие мгновенной неизменяемости объекта;
• равновесие узлов конечноэлементной модели;
• условия прочности в форме задания допускаемых напряжений;
• условия жесткости в форме максимально допустимых по модулю перемещений в
заданных направлениях.
Ограничения по напряжениям и перемещениям учитываются путем введения
штрафной функции вида
I
F = ∑ ki f i ,
i
где I – общее число ограничений, не удовлетворенных для рассматриваемого варианта
конструкции; k i – коэффициент, нормирующий степень важности учета ограничения i; f i
– функция, отражающая превышение получаемой величины над допускаемым значением
68
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2010. № 4(28)
для этого ограничения.
Алгоритм решения задачи. При выполнении итерационного процесса используем n
основных популяций, включающих по N особей. Эти особи подвергаются изменениям с
помощью генетических операторов. Некоторые популяции при переходе от поколения к
поколению могут меняться относительно слабо, но при этом достаточно часто учитывать
результаты отбора в донорских популяциях, а некоторые – модифицироваться достаточно
интенсивно. Одна из основных популяций назначается контрольной. Для нее выполняются проверки условий завершения итерационной процедуры. Кроме того, вводится вспомогательная популяция элитных особей, в которой собираются наиболее приспособленные
особи из основных популяций. Размер вспомогательной популяции также равен N. Элитные особи используются в итерационной схеме в качестве перспективного генетического
материала. Все получаемые результаты сохраняются в базе данных, позволяющей повторно учитывать результаты расчетов для особей с одинаковым генетическим набором. При
принятии решения об остановке итерационного процесса учитывается стабилизация в
контрольной популяции генетического состава и значений целевой функции.
Общая структура рассматриваемого генетического алгоритма приведена на рис. 1.
Разъясним основные этапы этой итерационной схемы.
1. Ввод исходной информации. Задаются сведения о расчетной схеме объекта, множествах допустимых значений варьируемых параметров, параметрах управления итерационным процессом.
2. Формирование начальных популяций. Строятся хромосомы особей основных популяций. При этом в каждой популяции создаются:
• особь, имеющая минимальные значения варьируемых параметров;
• особь, имеющая максимальные значения;
• особи со случайными значениями генов.
Популяция элитных особей формируется из лучших особей основных популяций.
3. Расчет чувствительности функции цели к изменению значений генов. Считается,
что допустимые значения каждого гена отсортированы по возрастанию. В популяции
элитных особей, отсортированной по возрастанию целевой функции, выделяются субпопуляция A из N/3 лучших особей и субпопуляция B из N/3 худших особей. Осредненная по
особям чувствительность функции цели к изменению значения k-го гена оценивается выражением

3
C k =  ∑ Pi k − ∑ Pi k  ,
N A
B

где Pi k – номер варианта допустимого значения k-го гена i-й особи.
Параметр C k показывает, в каком направлении желательно изменять ген: в сторону
увеличения или в сторону уменьшения.
4. Создание особей на основе кроссинговера или координатного спуска. Если популяция еще не стабилизировалась по генетическому составу, реализуется одноточечный
или многоточечный кроссинговер. Вероятность отбора родительской особи должна быть
тем выше, чем лучше значение целевой функции. Для этого популяция сортируется по
возрастанию целевой функции. Номер i особи выбирается из упорядоченной последовательности в пределах от 1 до N с помощью выражения
5.
i = Gnorm (m, σ ) ,
где G norm (m,σ) – генератор целых чисел, распределенных по нормальному закону; m – ме69
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2010. № 4(28)
диана этой величины, соответствующая i=1; σ = (N-1)/3 – среднее квадратичное отклонение распределения.
Результирующий номер значения каждоНачало процедуры
го k-го гена будет определяться зависимостью
max Pi k , Pjk , если g norm R C k , σ > 0 ;
*
P
=

Ввод исходной информации
k
k
min Pi , Pj , если g norm (R (C k ), σ ) ≤ 0 ,
где Pi k , Pjk − значения генов родительских
Формирование начальных
особей;
популяций
Ck
,
R(C k ) =
K + Ck
Расчет чувствительности
(
(
функции цели к изменению
значений генов
Примешивание особей из
связанных популяций
Отбор лучших особей
Цикл по поколениям
Создание особей на основе
мутации
Цикл по популяциям
Создание особей на основе
кроссинговера или координатного спуска
(( ) )
)
)
K – число допустимых значений гена; g norm –
генератор вещественных чисел, распределенных по нормальному закону.
Если популяция стабилизировалась,
вместо кроссинговера осуществляется смещение значений генов методом координатного
спуска. Данный подход предполагает последовательное тестирование функции цели при
изменении каждого гена на один уровень в
меньшую или большую сторону.
5. Создание особей на основе мутации.
Значения варьируемых генов выбираются
случайным образом из множеств допустимых
значений:
P ** = Gnorm Pr + R C k , σ ,
(
( ) )
где P r – значение гена для родительской особи, рассматриваемой до выполнения кроссинОпределение признаков стаговера или координатного спуска.
билизации популяции
6. Примешивание особей из связанных
популяций. Для рассматриваемой популяции
копируются лучшие особи из других основПроверка условий
ных популяций и из популяции элитных осозавершения пробей. При этом осуществляется перемешивание
цедуры
генетического материала. Использование
элитных особей позволяет удерживать всю
совокупность популяций в окрестностях с
наименьшими значениями целевой функции.
Запись полученного
7. Отбор лучших особей. Из группы
решения
особей, полученных в результате осуществления кроссинговера или координатного спуска,
мутации и примешивания, отбираются N лучКонец процедуры
ших особей, которые образуют новое поколение для популяции.
Рис. 1. Общая блок-схема алгоритма
8. Определение признаков стабилизации
популяции. Для каждой основной популяции
оценивается идентичность всех особей по генетическому составу и значению функции цели. Данные признаки в дальнейшем используются для принятия решения о необходимо70
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2010. № 4(28)
сти выполнения процедуры координатного спуска или завершения всего итерационного
процесса.
9. Проверка условий завершения процедуры. Как только одно из условий стабилизации выполняется на протяжении заданного числа итераций, считается, что искомое
решение найдено.
В табл. 1 отражены основные рассматриваемые параметры управления вычислительным процессом. Для определения числа особей, используемых в операциях кроссинговера, мутации или примешивания, соответствующий коэффициент ( α kr , α mut или α pr )
умножается на число N.
Таблица 1
Параметры управления итерационным алгоритмом
Обозначение
Описание
NK
Номер контрольной популяции
Коэффициент, определяющий число особей популяции, участвующих в
α kr
операции кроссинговера
Коэффициент, определяющий число особей популяции, участвующих в
α mut
операции мутации
Коэффициент, определяющий число особей, используемых в операции
α pr
примешивания
Число поколений, которые должны быть стабилизированы по генетичеG
скому составу для остановки вычислений
Число поколений, которые должны быть стабилизированы по значению
V
целевой функции для остановки вычислений
Rkr
Число разрезов в хромосоме при кроссинговере
σ okr
Среднее квадратичное отклонение для особи при кроссинговере
g
σ kr
Среднее квадратичное отклонение для гена при кроссинговере
σ omut
Среднее квадратичное отклонение для особи при мутации
g
mmut
Число генов в особи популяции, рассматриваемых для мутации
g
pmut
Вероятность мутации гена
g
σ mut
Среднее квадратичное отклонение для гена при мутации
m opr
Популяция, используемая для примешивания
p opr
Вероятность примешивания
Примеры оптимизации ферм. Для анализа сходимости разработанного генетического алгоритма рассматривались два примера; в первом выполнялась структурная оптимизация однопролетной двухопорной фермы, избыточная структура которой показана на
рис. 2а, во втором – параметрическая оптимизация консольной фермы (рис. 2б).
Пример 1. Для однопролетной фермы задавались: ширина панелей L1 = 1 м , площадь
поперечного сечения стержней A = 2 см 2 , величины сосредоточенных сил P1 = 5000 Н ,
P2 = 2000 Н . В качестве значений девяти варьируемых параметров принимались флаги,
определяющие наличие или отсутствие каждой из пар симметрично расположенных
стержней, не входящих в нижний пояс фермы. Задавались допускаемые напряжения, равные 100 МПа. Глобальный минимум здесь достигается при получении одной из структур,
приведенных на рис. 3.
71
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2010. № 4(28)
P2
P2
L1
1
2
7
9
8
3
P1
P1
10
5
6
L2
P2
4
P1
P
P
2 L2
4 L1
а)
б)
Рис. 2. Схемы оптимизируемых конструкций для примеров 1 (а) и 2 (б)
Рис. 3. Оптимальные схемы ферменной конструкции для примера 1
Исследовалось влияние числа используемых популяций и условий остановки процедуры на результат оптимизации. Рассматривались итерационные схемы с введением одной и трех основных популяций. При выполнении итерационного процесса принималось:
N K = α kr = α mut = α pr = 1 . Ряд других параметров управления генетическим алгоритмом
дан в табл. 2, где для Rkr под «max» понимается максимально возможное (предельное)
число разрезов в хромосоме. В табл. 3 для каждого набора величин G, V дано число Ou
рассчитанных уникальных вариантов конструкции и число Π сгенерированных поколений при выполнении только одной реализации генетического алгоритма. Ячейки таблицы
для реализаций, в которых не удалось получить оптимальную конструкцию затушеваны.
Отметим, что при повторном запуске на счет оптимальная конструктивная система могла
быть найдена для любых рассматриваемых значений G и V. Из представленных в табл. 3
данных видно, что использование системы трех основных популяций позволило обеспечить существенно бóльшую стабильность достижения результата по сравнению со случаем введения только одной основной популяции.
Пример 2. Данная ферма является наиболее известным классическим примером для
исследования работоспособности генетических алгоритмов [1; 2]. Рассматривается параметрическая оптимизация с независимым варьированием площади поперечного сечения
каждого из 10 стержней. Принимается, что модуль упругости материала стержней равен
689,48 МПа, сила P=445,37 кН, плотность материала равна 2768 кг/м3. Вводятся ограничения по напряжениям в стержнях и перемещениям узлов в горизонтальном и вертикальном
направлениях. Допускаемые напряжения равны 172,37 МПа, перемещения – 5,08 см. В
качестве допускаемых значений каждого из изменяемых параметров задаются следующие
30 величин (см2): 0,64516; 223,87052; 283,8704; 347,74124; 615,48264; 697,41796;
757,41784; 859,99828; 959,99808; 1138,06224; 1381,93272; 1739,99652; 1806,448; 2019,3508;
72
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2010. № 4(28)
2299,9954; 2459,99508; 3099,9938; 3839,99232; 4239,99152; 4639,99072; 5499,989; 5999,988;
6999,986; 8599,9828; 9219,3364; 11077,3972; 12374,1688; 14838,68; 18116,0928; 21741,892.
Таблица 2
Параметры итерационного процесса для примера 1
n
1
3
№
популяции
1
1
2
3
Кроссинговер
Мутация
Примешивание
Rkr
σ okr
g
σ kr
σ omut
g
mmut
g
pmut
g
σ mut
m pr
p opr
max
2
4
max
0,4
0,2
0,3
0,4
0,4
0,2
0,3
0,4
0,4
0,3
0,5
0,4
Все
3
5
Все
1
0,5
1
1
0,4
0,2
0,3
0,4
Элитная
3
3
Элитная
0,8
0,3
0,3
0,8
Таблица 3
Сведения о стабильности алгоритма для примера 1
n
1
3
G
1
5
10
15
20
30
1
5
10
15
20
30
Ou / Π при значениях V, равных
1
41 / 5
57 / 7
46 / 5
75 / 9
70 / 9
108 / 14
39 / 1
86 / 5
69 / 3
110 / 8
90 / 5
66 / 3
5
33 / 4
56 / 7
91 / 14
115 / 20
59 / 8
80 / 12
52 / 2
79 / 5
101 / 8
111 / 8
103 / 8
98 / 10
10
86 / 14
62 / 9
116 / 18
99 / 18
133 / 32
131 / 26
36 / 1
95 / 7
130 / 13
172 / 26
114 / 15
121 / 16
15
69 / 9
80 / 11
89 / 16
170 / 37
134 / 27
288 / 85
34 / 1
83 / 5
112 / 11
129 / 18
163 / 27
205 / 34
20
142 / 22
69 / 10
98 / 18
128 / 26
118 / 28
126 / 31
71 / 4
81 / 5
109 / 12
151 / 18
136 / 25
134 / 23
25
30 / 3
135 / 25
135 / 27
150 / 31
133 / 26
117 / 30
61 / 3
79 / 5
91 / 11
137 / 16
166 / 27
211 / 64
30
35 / 3
63 / 10
150 / 26
132 / 24
125 / 29
189 / 47
41 / 1
75 / 6
108 / 11
125 / 18
150 / 23
172 / 32
В расчете использовались 3 основные популяции. При выполнении оптимизации
принималось: N K = 1 , α kr = 2 , α pr = 1 , G = 40 . V = 50 . Параметры популяций вычислительного процесса приведены в табл. 4.
Таблица 4
Параметры популяций итерационной схемы для примера 2
№
популяции
1
2
3
Кроссинговер
Мутация
Примешивание
Rkr
σ okr
g
σ kr
σ omut
g
mmut
g
pmut
g
σ mut
m pr
p opr
2
4
max
0,2
0,3
0,7
0,2
0,3
0,7
0,3
0,5
0,8
3
5
Все
0,5
1
1
0,7
1,5
2
3
3
Элитная
0,3
0,6
0,7
Результат оптимального синтеза (площади поперечных сечений для результирующей
конструкции) выглядит следующим образом:
Стержень
Площадь, см2
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
4,352 0,084 2,973 2,661 0,016 0,148 1,442 3,565 3,565 0,016
Максимальное напряжение составило 140 МПа, перемещение –5,073 см. Масса
стержней данной конструкции равна 2357,47 кг. График изменения наименьшей массы
для получавшихся в итерациях вариантов несущей системы представлен на рис. 4. При
этом за 61 поколение, потребовавшееся для нахождения решения задачи, было рассчитано
73
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2010. № 4(28)
напряженно-деформированное состояние для 4418 уникальных вариантов конструкции.
Масса, 3300
кг
3200
3100
3000
2900
2800
2700
2600
2500
2400
2300
0
10
20
30
40
50
60 Поколение
70
Рис. 4. Изменение массы стержней наилучшей особи в зависимости от номера поколения
Рядом авторов были получены варианты фермы с наименьшей массой в пределах от
2424,6359 до 2472,8205 кг [1], т. е. предлагаемый алгоритм дал возможность найти более
эффективное решение по сравнению с этими результатами.
Таким образом, численные эксперименты для разработанного генетического алгоритма показали, что введение системы слабовзаимодействующих популяций позволяет
существенно повысить стабильность итерационной схемы. При этом вычислительная
процедура такого типа показала высокую эффективность на классическом тестовом примере оптимизации консольной фермы.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Togan, V. An improved genetic algorithm with initial population strategy and self adaptive member grouping /
V. Togan, A.T. Dolaglu // Comp. Struct. – 2008. – Vol. 86. – P. 1204-1218.
2. Nanakorn, P. An adaptive penalty function in genetic algorithms for structural design optimization / P.
Nanakorn, K. Meesomklin // Comp. Struct. – 2001. – Vol. 79. – Р. 2527–2539.
3. Серпик, И.Н. Генетическая процедура синтеза несущих конструкций вагонов / И.Н. Серпик,
В.В. Мирошников, М.И. Серпик, А.И. Тютюнников // Качество машин: сб. тр. IV Междунар. науч.-техн.
конф. – Брянск: БГТУ, 2001. – Т. 1. – С. 75-77.
4. Серпик, И.Н. Структурно-параметрическая оптимизация стержневых металлических конструкций на
основе эволюционного моделирования / И.Н. Серпик, А.В. Алексейцев, Ф.Н. Левкович, А.И. Тютюнников // Изв. вузов. Строительство. – 2005. – №8. – С. 16-24.
5. Серпик, И.Н. Эволюционное моделирование в проектировании несущих систем вагонов / И.Н. Серпик,
В.Г. Сударев, А.И. Тютюнников, Ф.Н. Левкович // Вестн. ВНИИЖТ. – 2008. – № 5. – С. 21-25.
Материал поступил в редколлегию 17.11.10.
74
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2010. № 4(28)
УДК 519.876.2
В.К. Гулаков, А.К. Буйвал, П.А. Паршиков
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ УПРАВЛЕНИЯ
ПРОЦЕССОМ СОГЛАСОВАНИЯ ИНТЕРЕСОВ СУБПОДРЯДЧИКОВ
ПРИ ВЫПОЛНЕНИИ РАБОТ ПО ПРОЕКТУ
Проанализированы основные аспекты процесса управления проектами в системе договорных отношений.
Рассмотрена математическая модель согласованного взаимодействия субподрядчиков при изменении плана
выполнения проекта с использованием механизма мотивационного управления. Предложены модель интеллектуального агента и алгоритм его поведения в процессе согласования интересов на основе механизма кооперативного принятия решений.
Ключевые слова: управление проектами, договорные отношения, график проекта, мотивационное управление, мультиагентное моделирование, согласование интересов.
Управление проектами – раздел науки управления в области социальных и экономических систем, который занимается изучением методологий, методов, форм и программных средств для наиболее эффективного и рационального управления изменениями в условиях ограниченных ресурсов [1]. Как правило, при разработке механизмов управления
проектами практически не рассматриваются сценарии воздействия на них при отклонениях от первоначального плана. При формировании того или иного механизма управления
проектами предполагается, что он запускается в момент начала проекта и функционирует
до самого конца, определяя однозначно последовательность и особенности работы всех
исполнителей и результаты выполнения всего проекта в целом. Однако такой механизм
адекватен далеко не всем реальным ситуациям.
Если параметры проекта и воздействия внешней среды, которые могут оказать влияние на его выполнение, известны в момент формирования требований к проекту, подбора
исполнителей, заключения договоров и синтеза механизма управления, то можно заранее,
на начальном этапе описать структуру процесса управления, разработать возможные сценарии для воздействия на процесс выполнения. Построение такой методики управления
проектом может оказаться очень громоздким, так как в ней необходимо будет учесть огромное количество различных параметров и случайных факторов.
Ситуация, когда известны значения всех параметров и факторов, влияющих на процесс выполнения проекта, встречается крайне редко. Это влечет за собой высокую степень
неопределенности как результатов выполнения отдельных работ по проекту, так и всего
проекта в целом. Выработка методик управления проектом, учитывающих любую возможную неопределенность, и сценариев, дающих необходимую последовательность действий на любой случай, неэффективна ввиду своей сложности, а зачастую просто невозможна. В связи с этим актуальной становится задача согласования интересов участников в
динамике реализации проекта.
В ходе выполнения сложных распределенных проектов зачастую выявляется неадекватность построенной модели управления проектом, а фактические результаты работы отличаются от запланированных. Если взаимовыгодные для обеих сторон параметры договора в процессе выполнения проекта становятся невыгодными в связи с изменением
внешних условий, неточностями прогнозирования и планирования, то у исполнителя может возникнуть желание изменить условия договора. И в этой ситуации необходимо своевременно согласовать между исполнителями возможные изменения в параметрах договоров, чтобы избежать реактивных и неоптимальных решений.
Согласование интересов субподрядчиков друг с другом можно рассматривать как
одноуровневое взаимодействие участников системы, когда все они являются равноправ75
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2010. № 4(28)
ными партнерами, а для координации между ними выделяется центральный управляющий
орган – генеральный подрядчик. В системе договорных отношений инициатором изменения контрактов становится один из субподрядчиков, который предлагает остальным участникам перезаключить контракт с учетом новых внешних условий. При этом субподрядчик, инициатор изменения контракта, под управлением центрального координатора должен разработать и предложить такие условия, которые заинтересовали бы остальных участников системы. Как правило, изменение полезности инициатора при новом контракте
существенно превышает изменение полезности у остальных участников проекта, поэтому
он имеет возможность различными способами делиться полезностью с остальными без
значительного экономического ущерба.
Взаимодействие агента-субподрядчика и центра на этапе подготовки к выполнению
проекта описывается моделью определения параметров договора, основным инструментом исследования которой является задача стимулирования. Она заключается в нахождении такой величины вознаграждения исполнителя со стороны генерального подрядчика,
которая побуждала бы первого предпринимать действия в интересах последнего.
Пусть N = {1,2,..., n} – множество исполнителей. Стратегией i-го исполнителя ( i ∈ N )
является выбор действия y i , принадлежащего множеству допустимых действий Ai
( yi ∈ Ai ). Вектор действий исполнителей, заключающихся в выполнении необходимого
объема работ по договору в определенные проектом сроки, вычисляется как
y = ( y1 , y 2 ,..., y n ) ∈ A′ = ∏ Ai .
i∈N
Целевая функция исполнителя f i (⋅) есть разница стимулирования σ i ( y ) и затрат
ci ( y ) , а целевая функция подрядчика Ф(⋅) представляет собой разницу между доходом
H ( y ) и суммарными затратами на стимулирование. Оптимальной в задаче согласования в
многоэлементной системе является компенсаторная система стимулирования [2]:
c ( y D , y ), y = y iD ,
σ i ( y D , y ) =  i i −Di i
0, y i ≠ y i ,
D
где y – оптимальное реализуемое действие, являющееся равновесием в доминантных
стратегиях игры исполнителей и равновесием по Парето всей системы (рис. 1).
ПОДРЯДЧИК
Ф( y, σ ) = H ( y ) − ∑ σ i ( y )
i∈N
σ1( y)
СУБПОДРЯДЧИК 1
y1D
f1 ( y, σ ) = σ 1 ( y ) − c1 ( y )
...
yiD
σ i ( y)
СУБПОДРЯДЧИК i
f i ( y, σ ) = σ i ( y ) − c i ( y )
σ n ( y)
...
ynD
СУБПОДРЯДЧИК n
f n ( y, σ ) = σ n ( y ) − c n ( y )
Рис. 1. Модель определения параметров договора
Подрядчик компенсирует затраты i -му исполнителю в случае выбора действия yiD ,
которое находится в результате решения задачи оптимального согласованного планирования:


y D = arg max  H ( y ) − ∑ ci ( y ) .
y∈A′
i∈N


76
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2010. № 4(28)
Пусть в результате изменения внешних условий один из субподрядчиков желает
оценить последствия изменения сроков выполнения своей работы, т.е. оценить переход от
первоначального плана y D к плану y . Такой переход возможен, если новый план y ∈ A
по сравнению с ситуацией y D обеспечивает большую суммарную полезность, которая
выражается утилитарной функцией коллективного благосостояния:
N
N
i =1
i =1
]
[
N
N
i =1
i =1 j =1
M
Ф( y, y D ) = ∑ ϕ i ( y, y D ) = −∑ ci ( y ) − ci ( y D ) = −∑ ∆ci ( y, y D ) = −∑∑ ∆cij ( y, y D ) > 0 ,
где ϕ i ( y, y ) –выигрыш i-го элемента при переходе от первоначальной игровой ситуации
D
y D ∈ A к ситуации y ∈ A ; ∆cij ( y, y D ) – затраты i-го субподрядчика при изменении сроков
выполнения j-й работы (дополнительные затраты).
Для утверждения нового контракта необходимо согласие всех элементов, а для этого
новые условия должны обеспечивать не меньшие значения полезностей, чем при старом
контракте. Если кто-то получает меньшую полезность, то новый контракт не заключается,
следовательно, старый остается в силе. Поэтому элементам целесообразно разработать
механизм управления взаимодействием в системе, т.е. договориться о перераспределении
полезностей (дохода) в виде побочных платежей, когда им всем выгодны переход от действия y D к действию y и соблюдение условий нового контракта. Задача согласованного
взаимодействия решается по следующему алгоритму [3].
На первом этапе выбирается новый оптимальный план y :
N
n
m
y = arg max ∑ f i ( x) = arg max ∑ ϕ i ( x, y D ) = arg min ∑∑ ∆cij ( x, y D )
К
a
[
x∈A
Н
b
]
x∈A
i∈N
x∈A
i =1
i =1 j =1
при ∀a, t ( y ) < min t ( y ) , где t ( y ) – момент окончания работы a при выполнении плаb∈S а
K
a
на y; t bН ( y ) – момент начала работы b при выполнении плана y; S a – множество работ,
которые следуют за работой a.
На втором этапе выбираются стимулирующие воздействия η , обеспечивающие заинтересованность всех элементов в выполнении плана и не меньшую полезность по сравнению со старым контрактом:
f i ( y,η ) ≥ f i ( y D ) , arg max f i ( xi ,η , y −i ) = yi .
xi ∈Ai
Все элементы при этом разделятся на три группы (рис. 2):


I1 = i ∈ N | ϕ i ( y, y D ) ≥ 0, arg max f i ( xi , y −i ) = yi  ,
xi ∈Ai


I 2 = i ∈ N | ϕ i ( y, y D ) ≤ 0, max f i ( xi , y −i ) ≤ f i ( y D ) ,
xi ∈Ai


I 3 = i ∈ N | ϕ i ( y, y D ) ≤ 0, max f i ( xi , y −i ) > f i ( y D ) ,
xi ∈Ai


где I = I1  I 2 ∪ I 3 и I1 ∩ I 2 ∩ I 3 = ∅ .
Субподрядчик из первой группы ( i ∈ I1 ) получает преимущество при переходе к новой ситуации y и будет делиться полезностью с субподрядчиками, попавшими в другие
две группы ( i ∈ I 2 ∪ I 3 ). Система стимулирующих воздействий имеет вид


η = s =  sij1
77
i∈I1
j∈I 2
, sij2
i∈I1
j∈I 3

,

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2010. № 4(28)
где sij > 0 – полезность, которой i-й исполнитель ( i ∈ I1 ) делится с ј-м исполнителем
( j ∈ I 2 ∪ I 3 ).
ПОДРЯДЧИК (МЕТАЦЕНТР)
N
Ф ( y , y D ) = ∑ ϕi ( y , y D )
i =1
uA
Множество
субподрядчиков I2
uA
yj
σ 1ij ( y, x j )
i∈I1
Множество
субподрядчиков I1
yj
σ ij2 ( y, x j )
Fi ( y,σ i , x) = fi ( x) −
F j ( y,σ 1j , x) = f j ( y ) +
+ ∑ σ ij1 ( y, x j )
uA
yi
F j ( y,σ 2j , x) = f j ( y ) +
∑ σ ij1 ( y, x j ) − ∑ σ ij2 ( y, x j )
yj
j∈I 2
Множество
субподрядчиков I3
yj
j∈I3
+ ∑ σ ij2 ( y, x j )
i∈I1
Рис. 2. Модель согласованного взаимодействия с передачей полезности
Чтобы перераспределение полезности стимулировало субподрядчиков к выполнению плана y, необходимо использовать компенсаторную систему, когда исполнители из
первой группы делятся с остальными, только если последние выполняют план:
2
1
s ( x), y j = x j ,
s ( x), y j = x j , 2
(1)
i, j ∈ N ,
σ ij ( y, x j ) =  ij
σ 1ij ( y, x j ) =  ij
yj ≠ xj,
yj ≠ xj,
 0,
 0,
где σ ij (⋅) – платеж от i-го агента j-му.
Система стимулирующих воздействий должна отвечать ряду условий:
∀i ∈ I1 ϕ i ( y, y D ) ≥ ∑ sij1 + ∑ sij2 ,
∑s
∀j ∈ I 2
∀j ∈ I 3
∑s
i∈I1
(2)
j∈I 3
≥ −ϕ j ( y, y D ) ,
(3)
≥ max f j ( x j , y − j ) − f j ( y ) .
(4)
i∈I1
2
ij
j∈I 2
1
ij
x j ∈A j
Суммируя показатели (1) по всем агентам (внутренние платежи при этом взаимно
сокращаются), получим, что за счет побочных платежей можно осуществить переход в
такое состояние системы, чтобы сумма выигрышей всех участников в этом состоянии была не меньше, чем в первоначальном. Оптимальный согласованный план максимизирует
сумму целевых функций участников.
Для любого субподрядчика при фиксированном виде стимулирующих воздействий
(1), удовлетворяющих неравенствам (2-4), план y является равновесием Нэша в чистых
стратегиях:
E N ( x) = {y ∈ A | ∀i ∈ N ∀xi ∈ Ai Fi ( y,σ , y ) ≥ Fi ( y,σ , xi , y −i )}.
Поставленная задача относится к классу задач теории игр с непротивоположными
интересами, а именно к играм с согласованным вектором интересов с запрещенными ситуациями. Определение равновесия Нэша в системе предполагает полное знание целевых
функций и допустимых множеств действий каждого субподрядчика. Однако центральный
координатор практически никогда не располагает точной информацией о предпочтениях
агентов. Все эти предположения существенно ограничивают возможности применения
теории игр для формализации взаимодействий субподрядчиков в процессе согласования
интересов.
78
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2010. № 4(28)
Для решения задачи согласования интересов необходимы качественно новые интеллектуальные программные системы. Причем основой для их создания могут стать подходы, предложенные в области синергетики и базирующиеся на принципах самоорганизации. Основной предмет исследования синергетики – совместные (кооперативные) действия независимых частей системы, результатом которых является возникшее состояние
равновесия.
Основным путем создания таких самоорганизующихся систем является мультиагентный подход, стремительное развитие которого наблюдается в последнее десятилетие [4]. Главным компонентом системы выступает автономный интеллектуальный агент,
способный воспринимать состояние окружающей среды, вырабатывать решение и взаимодействовать с другими агентами. Агент действует от имени пользователя и ведет переговоры, снимая тем самым с человека избыточную информационную нагрузку.
Такая особенность интеллектуальных агентов, как возможность самоорганизации,
принципиально отличает мультиагентное моделирование от других подходов к принятию
решений [5]. Независимые автономные объекты программы могут самостоятельно принимать решения, согласовывать свои взгляды на решение задачи, они получают возможность проявлять активность и вступать в отношения друг с другом.
Агентная парадигма искусственного интеллекта позволяет естественным образом,
без семантического разрыва перейти от постановки задачи в терминах теории игр к ее решению в рамках многоагентной системы, так как структуру системы субподрядчиков при
работе по проекту можно представить в виде мультиагентной системы, описывающей
функционирование этой организации. Правила взаимодействия интеллектуальных агентов
заложены в описании механизма функционирования организационной системы. Теория
организационного управления и мультиагентное моделирование образуют совокупность
дополняющих друг друга методов теоретического и экспериментального исследования
организационных систем.
В модели элементы организационной системы заменяются интеллектуальными агентами с формализованными процедурами принятия решений, включающими в себя основные параметры, характеризующие индивидов, прежде всего мотивы экономической активности, ее цели и средства достижения этих целей.
Согласование плана выполнения работ базируется на механизме кооперативного
принятия решений в мультиагентных средах, который предполагает распознавание одним
из агентов-субподрядчиков целесообразности кооперативного решения по изменению
плана, формирование множества агентов, интересы которых будут затронуты в случае
принятия коллективного решения, определение в процессе переговоров совместного плана, который не противоречит интересам агентов, совместные действия агентов согласно
выработанному плану и принятым обязательствам [6]. Использование методики кооперативного принятия решений позволит всем заинтересованным исполнителям участвовать в
принятии решений по новому плану, который обеспечит им не меньшие значения полезности, чем исходный, с учетом возможного стимулирования за согласие принять коллективное решение.
Для оценки целесообразности кооперативного решения субподрядчик должен оценить увеличение полезности при изменении сроков выполнения своей работы a :
ϕ ( y, y D ) = ∆ca ( y D , y D ) − ∆ca ( y, y D ) .
Полученную величину следует сравнить с величиной компенсации, которую необходимо будет выплатить множеству агентов S (a ) , интересы которых будут затронуты.
Множество S (a ) включает агентов, выполняющих следующие по графику работы. Побочный платеж для их стимулирования составит
79
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2010. № 4(28)




min c b ( y 1 ) − c b0 ( y D ) ,  c b ( y 2 ) − c b0 ( y D ) + ∑ σ c ( y c , y cD ))  , y b ≠ y bD ,
∑ σ ab ( y b , y ) =  
c∈S ( b )


b∈S ( a )

D
0
,
y
y
,
=
b
b

(
D
b
) (
)
где план y 1 отвечает условию t bК ( y 1 ) = t bК ( y D ) , а план y 2 – условию t bК ( y 2 ) > t bК ( y D ) .
Согласованное изменение плана выполнения проекта возможно, если выигрыш от
перехода превышает величину стимулирующих выплат:
∆ca ( y D , y D ) − ∆ca ( y, y D ) > ∑ σ ab ( yb , ybD ) .
b∈S ( a )
Агент является носителем целевой функции субподрядчика, задающей величину дополнительных затрат ∆c a ( y, y D ) при выполнении работы a на множестве ее временных
положений ( t aН ( y ) × t aК ( y ) ). Предлагается задавать значения целевой функции дискретным
образом в виде кортежа (a, t aН ( y ), t aК ( y ), ∆ca ( y, y D )) , осуществляющего отображение
t aН ( y ) × t aК ( y ) → ∆ca ( y, y D ) . Данные кортежи не разглашаются агентами и используются в
процессе кооперативного принятия решений.
Переговоры агентов базируются на механизме последовательного принятия решений, заключающемся в обмене предложениями и контрпредложениями, после получения
которых возможно установление обратной связи. На основе базового протокола парных
переговоров был разработан групповой протокол, допускающий одновременное участие в
процессе согласования нескольких агентов. Существует последовательность точек принятия решений агентами, которые зависят друг от друга и при прохождении которых приобретаются знания об окружении (рис.3).
ready
ready
0
done
1
12
ask-cost
ask-cost
accept
confirm
confirm
6
renege
reply-cost
7
renege
renege
2
5
ask-cost
accept-all
reject
reject
done
11
reject-all
reject
confirm-all
accept-all
8
reject-all
3
13
hand-over
reply-cost
4
final
9
confirm-all
10
hand-over
renege-all
renege-all
reject-all
11
renege-all
Рис.3. Диаграмма состояний агента-субподрядчика
Синтезированная модель мультиагентной системы обладает следующими характеристиками:
1. Одноуровневая архитектура взаимодействия системы агентов.
2. Гибридная модель интеллектуального агента, комбинирующая реактивный и делиберативный компоненты.
80
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2010. № 4(28)
3. Использование механизма кооперативного принятия решений.
4. Коммуникация агентов на основе теории коммуникативных (речевых) актов.
5. Язык обмена информацией и знаниями KQML.
6. Использование механизма последовательного принятия решения.
На основе синтезированной модели была разработана распределенная система поддержки принятия решений «Координатор» [7]. Система спроектирована с использованием
мультиагентной среды Anylogic 5, предоставляющей инструмент для быстрого создания
профессиональных агентных моделей [8]. Система «Координатор» состоит из набора
взаимодействующих интеллектуальных агентов, управление которыми осуществляют
участники проекта с использованием разработанного графического интерфейса.
Разработанная методика согласования интересов субподрядчиков при изменении
плана выполнения работ с применением механизма мотивационного управления позволяет сделать оптимальную стратегию устойчивой к индивидуальным отклонениям отдельных агентов. Положенная в ее основу математическая модель согласованного взаимодействия в терминах теории игр с непротивоположными интересами позволяет учитывать
формализованные особенности процесса управления проектом, логическую последовательность выполнения работ, а также общие для всех участников проекта критерии эффективности.
Методика интеллектуальной поддержки принятия управленческих решений, опирающаяся на экономические аспекты управления проектами, агентную парадигму искусственного интеллекта, которая естественным образом учитывает особенности построенной модели согласования интересов, сформулированной в терминах теории игр, составляет практическую основу реализации предложенного подхода.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Бурков, В.Н. Как управлять проектами: науч.-практ. изд. / В.Н.Бурков, Д.А.Новиков. – М.: Синтег-ГЕО,
1997. – 188 с.
2. Новиков, Д.А. Стимулирование в организационных системах / Д.А.Новиков. – М.: Синтег, 2003. – 312 с.
3. Богатырев, В.Д. Механизм управления взаимодействием в одноуровневой организационной системе /
В.Д. Богатырев // Автоматика и телемеханика. – 2005. – №5. – С. 156-174.
4. Городецкий, В.И. Многоагентные системы (обзор) / В.И. Городецкий, М.С. Грушинский, А.В. Хабалов //
Новости искусственного интеллекта. – 1998. – №2. – С.23-57.
5. Тарасов, В.Б. От многоагентных систем к интеллектуальным организациям: философия, психология, информатика / В.Б.Тарасов. – М.: Эдиториал УРСС, 2002. – 352 с.
6. Wooldridge, M. Towards a Theory of Cooperative Problem Solving / M. Wooldridge, N. Jennings // Proceedings
of the MAAMAW'94 / Ed. by Y. Demazeau, J.-P. Muller and J. Perram. – London: ACM Press, 1994. –
P. 192-224.
7. Гулаков, В.К. Распределенный подход как метод оперативного управления проектом / В.К.Гулаков,
А.К.Буйвал, П.А.Паршиков // Вестн. БГТУ. – 2010. – №1. – С. 54-63.
8. Карпов, Ю.Г. Имитационное моделирование систем. Введение в моделирование с AnyLogic 5 /
Ю.Г.Карпов. – СПб.: БХВ-Петербург, 2005. – 400 с.
Материал поступил в редколлегию 6.12.10.
81
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2010. № 4(28)
УДК 681.5
О.Н. Федонин, Д.И. Петрешин, В.А. Хандожко, А.В. Агеенко
ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ ТОКАРНО-РЕВОЛЬВЕРНОГО
СТАНКА С ЧПУ 1В340Ф30 ПУТЕМ МОДЕРНИЗАЦИИ И НАСТРОЙКИ ЕГО
СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ 1
Предложен способ проведения модернизации системы управления токарно-револьверного станка с ЧПУ
1В340Ф30. Приведена структурная схема системы управления станка. Представлены результаты влияния
параметров системы управления на точность перемещения рабочих органов станка. Предложен способ повышения точности системы управления станка.
Ключевые слова: металлорежущий станок, система управления, модернизация, точность системы управления, станочные параметры.
Эксплуатация вполне работоспособных, но технически устаревших средств труда
сдерживает рост производительности труда. Анализ предприятий Брянской области показывает, что большинство металлорежущих станков – это станки 80-х гг. выпуска, имеющие как физический, так и моральный износ. Если физический износ можно устранить
проведением капитального ремонта, включающего восстановление направляющих, замену
деталей шпиндельного узла, ходовой части приводов и т.д., то моральный износ систем
управления можно устранить только модернизацией, включающей замену системы числового программного управления, системы управления приводами подач, датчиков обратной
связи. [4]
Под модернизацией станков понимается приведение их в соответствие с современными требованиями путем внесения частичных изменений и усовершенствований в конструкцию станков с целью повышения их эффективности.
Модернизация систем управления может включать замену:
1) УЧПУ и измерительной системы;
2) УЧПУ, системы управления приводами и измерительной системы;
3) УЧПУ, системы управления приводами, двигателей и измерительной системы.
Самым дешевым вариантом модернизации является первый вариант, а самым дорогостоящим - третий. Выбор варианта модернизации зависит от экономических возможностей предприятия, а также от технического состояния системы управления. Например, довольно часто системы управления приводами подач находятся в хорошем состоянии, в
этом случае наиболее приемлемым является первый вариант.
Примером модернизации металлорежущего станка может служить модернизация
системы управления станка мод. 1В340Ф30, имеющегося на кафедре «Автоматизированные технологические системы» Брянского государственного технического университета.
Данный станок имеет вертикальную восьмипозиционную головку на крестовом суппорте
и предназначен для выполнения разнообразных токарных работ (в основном при обработке сложных деталей со ступенчатым и криволинейным профилем).
Для данного станка выбран первый вариант модернизации.
Вместо морально устаревшего устройства ЧПУ «Электроника НЦ-31» было установлено устройство ЧПУ NC-201M [5]. Данное устройство позволяет управлять четырьмя
координатами, в том числе шпинделем, и контролировать положение органов перемещения с помощью фотоэлектрических датчиков (энкодеров).
Структурная схема системы управления на основе устройства ЧПУ NC201-M представлена на рис. 1.
Исследование выполнено в рамках ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной
России» на 2009-2013 гг.
1
82
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2010. № 4(28)
В соответствии со структурной схемой были разработаны электрические схемы системы управления станка. Управление электрооборудованием станка, а также контроль над
ходом технологического процесса и состоянием системы осуществляются с помощью
СЧПУ NC201-M через внешний модуль дискретных входов/выходов NC110-41D, который
обеспечивает согласование дискретных входов/выходов модулей I/O УЧПУ с каналами
электроавтоматики управляемого оборудования.
Модуль
дискретных
входов/выходов
Электронный
штурвал
Станок 1В340Ф30
Электроавтоматика
Приводы подач
УЧПУ
Датчики
положения
Рис. 1. Структурная схема системы управления
Устройство ЧПУ управляет системами смазки и гидравлики, приводом главного
движения, приводом подач, револьверной головкой. Помимо этого, устройство ЧПУ контролирует наличие давления в системах смазки и гидравлики, положение продольного и
поперечного суппортов, зажим револьверной головки, а также его положение. В случае
аварии размыкается аварийная цепь и выключается технологическое оборудование.
Управление приводами подач осуZ=30
ществляется подачей управляющего наm=4
t В=10 мм
пряжения от ЦАП.
ЛИР158А
Использование устройства ЧПУ
NC201-M потребовало замены датчиков
положения. На ходовых винтах через соединительную муфту были установлены
фотоэлектрические датчики ЛИР-158А
(рис.2).
Z=30
Для согласования СЧПУ с токарноm=4
револьверным станком 1В340Ф30 была
выполнена характеризация. Характеризацией называется процедура настройки модулей на определенные параметры и характеристики. Она осуществляется путем
записи файлов характеризации в память
СЧПУ. С помощью этих файлов СЧПУ
Рис. 2. Схема установки ЛИР-158А
получает всю информацию, необходимую
для функционирования программного обеспечения, управляющего технологическим процессом обработки деталей.
В файле FCRSYS содержатся параметры объявления памяти и имен файлов характеризации, в файле AXCFIL – параметры управления осями, в файле PGCFIL - параметры управления
технологическим процессом, а в файле IOCFIL - параметры программы логики станка.
После завершения процедуры характеризации СЧПУ ещё не способна управлять металлорежущим станком. В связи с этим составлена программа управления вспомогательными ме83
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2010. № 4(28)
ханизмами станка - программа логики станка. Программа логики создавалась с помощью
встроенного языка PLC. PLC - это программное средство для реализации логики станка
между СЧПУ и управляемым металлорежущим станком. На программу логики станка было
получено свидетельство в Объединенном фонде электронных ресурсов «Наука и образование» [6].
Основные этапы модернизации систем управления металлорежущих станков с ЧПУ
показаны на рис. 3.
Важным этапом модернизации системы
Анализ документации
управления станка является настройка параметров файлов характеризации. С помощью
настройки параметров СЧПУ можно повысить
Анализ кинематических схем
точность оборудования, не изменяя его механическую часть, стоимость которой зачастую в
10 и более раз превосходит стоимость самой
Разработка новых схем
системы числового программного управления.
электроавтоматики
В России в эксплуатации находятся несколько тысяч токарных станков с ЧПУ, в коОпределение необходимости модерторых используются различные системы ЧПУ.
низации главного привода и привода
Основные их функции - это выполнение логиподач
ческой, геометрической и терминальной задач.
В частности, геометрическая задача, от выполнения которой зависит точность обработЗамена устройства ЧПУ
ки, решается с помощью традиционных алгоритмов. При этом не учитываются параметры
настройки системы ЧПУ, влияющие на динаСогласование работы УЧПУ с работой
мику и точность обработки [1 - 3].
оборудования станка
-150
Рис. 3. Блок-схема модернизации металлорежущих станков
-10 0
0
R7
20
+Z
В России и за рубежом, несмотря на
многообразие систем ЧПУ, отсутствуют рекомендации и методики по комплексной настройке их параметров. Одной из причин
этого является различие в организации
+X
управления данными параметрами (компенсация люфта в приводе подач, коэффициен- Рис. 4. Траектория перемещения инструмента, имеющая идеальный круговой контур
ты усиления ПИД-регулятора и др.).
Оценить влияние параметров настройки системы управления, учитывающих типовые погрешности, на точность обработки возможно с помощью графиков, полученных программой «Осциллограф», входящей в базовое программное обеспечение системы ЧПУ NC-201M.
С этой целью был отработан круговой контур (рис.4), заданный в кадре управляющей программы G90 G94 G2 X10 Z-150 R70 F100. В режиме осциллографирования получена погрешность выполнения кругового контура (рис.5).
Ошибка рассчитывается как R=R1-R2, где R1 – действительный радиус дуги в текущем тике, рассчитываемый по позиции датчиков двух осей; R2 – радиус, заданный в кадре
круговой интерполяции.
84
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2010. № 4(28)
Круговой контур, задаваемый в кадре круговой интерполяции, совпадает с осью абсцисс. Из графика видно несоответствие траектории перемещения вершины инструмента,
заданной в кадре управляющей программы, и реальной траектории. На одной части длины
окружности диаметр превышает номинальное значение, а на другом участке диаметр уже
меньше номинального.
Рис. 5. График траектории движения инструмента, отличающейся от геометрически
правильной: * – участок смены направления движения инструмента; ** – участок нечувствительности привода; *** – участок, вызванный погрешностью способа управления
На участок * оказывает влияние люфт при смене направления, а также величина силы трения покоя, вызванной мгновенной остановкой привода при смене направления оси.
Для измерения люфта следует переместить привод на некоторую величину, заведомо
большую, чем величина этой зоны, в направлении «плюс», а затем в направлении «минус». Разность между значениями погрешности при движении в «плюс» и в «минус» будет являться люфтом в этой точке. Данную последовательность действий необходимо повторить для других точек. Компенсировать погрешность,
вызванную люфтом, можно записью в инструкцию GAS
файла AXCFIL среднего значения этой погрешности (мм)
(рис. 6).
Для компенсации погрешности, вызванной трением
покоя, необходимо в инстРис. 6. Строка файла характеризарукции FRC файла AXCFIL
ции AXCFIL (инструкция GAS):
(рис. 7) установить значение
* - значение, необходимое для комскорости (мм/мин), прибавпенсации люфта
ляемое к текущему значению
скорости при смене направления движения (параметр **), а Рис. 7. Строка файла характеритакже время действия компенсации трения покоя
(пара- зации AXCFIL (инструкция
метр *).
FRC): * – параметр для записи
Величина участка ** (рис. 5) зависит от величины ско- значения времени компенсации;
ростной компенсации и чувствительности привода. Для уст- ** - параметр для записи значеранения участка ** следует отключить скоростную компен- ния скорости компенсации
сацию (UEP=1) и записать в инструкцию GAS файла
AXCFIL величину мертвой зоны (рис. 8), т.е. величину нечувствительности привода.
85
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2010. № 4(28)
Рис. 8. Строка файла характеризации AXCFIL (инструкция GAS): * значение, необходимое для компенсации мертвой зоны
Зону нечувствительности привода можно определить, задавая перемещения, соответствующие минимально допустимым перемещениям для УЧПУ.
Величина перемещения, при которой привод начнет
перемещаться, будет являться величиной нечувствительности привода. Перед измерением необходимо
обеспечить отсутствие люфта привода.
Характер изменения графика (рис. 5) в течение
времени обработки свидетельствует о наличии накопленной погрешности, включающей в том числе по-
грешность ходового винта. Максимальную величину отклонения
кругового контура H можно
уменьшить с помощью компенсации дрейфа приводов (инструкция GAS). Для этого используются сигналы чтения и ком- Рис. 9. Строка файла характеризации AXCFIL
(инструкция GAS): * - сигнал чтения смещения нуля;
пенсации смещения нуля (рис.
** - сигнал компенсации
9). Данные сигналы должны
быть прописаны в программе логики.
Рис. 10. Третья секция
файла характеризации
AXCFIL: * - значения
,необходимые для компенсации геометрических
ошибок
Рис. 11. График величины рассогласования оси X токарноревольверного станка 1В340Ф30:1,2,3 – отработка кадров со скоростями
1000, 500 и 10 мм/мин соответственно
Для компенсации геометрических ошибок следует измеренные значения h 1 , h 2 ,…, h n
указать в третьей секции файла AXCFIL в инструкции EXX (рис. 10). Кроме того, в этой
секции необходимо указать шаг коррекции (инструкция PAS), а также точку микронуля
(инструкция NM0).
В результате при отработке кадра управляющей программы система ЧПУ будет учитывать значения параметров настройки привода и тем самым компенсировать соответствующие погрешности.
На точность воспроизведения траектории перемещения инструмента оказывает
влияние точность позиционирования, зависящая от величины рассогласования E, получаемой как разность между расчетным числом импульсов, соответствующим величине
перемещения, заданной в кадре управляющей программы, и числом импульсов от датчика
перемещения, соединенного с ходовым винтом через муфту.
86
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2010. № 4(28)
Для получения графика величины рассогласования были отработаны несколько кадров управляющей программы с различными скоростями подачи (рис.11).
Из графика видно, что величина рассогласования существенно повышается с увеличением подачи. Уменьшить величину рассогласования возможно путем регулировки привода. В УЧПУ NC-201M имеется возможность регулировки привода с помощью инструкции GM0 (рис.12).
Рис.12. Строка файла характеризации AXCFIL (инструкция GM0)
KC=7,5; KV=16,667.
Величина рассогласования рассчитывается по формуле
e=максимальная скорость/KV·60.
Для токарно-револьверного станка 1В340Ф30 оптимальной является скорость 6821
мм/мин, при которой величина рассогласования составляет 1мм.
В результате проведенных исследований выявлено, что на точность кругового контура влияют следующие факторы: неправильная настройка привода, неправильно установленные коэффициенты усиления, ошибка рассогласования, скоростная и интегральная
составляющие ПИД-регулятора, дрейф привода, жесткость механики.
Модернизация системы управления токарно-револьверного станка с ЧПУ 1В340Ф30
позволила значительно сократить количество электроаппаратуры (электромагнитных реле, диодов и т.д.), а часть функций (переключение обмоток главного двигателя, выбор позиции револьверной головки) реализовать программно. Повысилась точность станка за
счет уменьшения его дискретности (применение 14-разрядного ЦАП и фотоэлектрического датчика с числом импульсов 2500), а также благодаря правильной настройке параметров системы управления.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Коровин, Б.Г. Системы программного управления промышленными установками и робототехническими
комплексами: учеб. пособие для вузов/ Б.Г. Коровин, Г.И. Прокофьев, Л.Н. Рассудов. Л.: Энергоатомиздат, Ленингр. отд-ние, 1990. - 352 с.
2. Кузнецов, Ю.Н. Станки с ЧПУ: учеб. пособие / Ю.Н. Кузнецов. - Киев: Высш. шк., 1991. - 278 с.
3. Ротач, В.Я. Алгоритмы и программы расчетов настройки ПИ- и ПИД-регуляторов по переходным характеристикам системы/ В.Я. Ротач, В.Ф. Кузищин, С.В. Петров // Автоматизация в промышленности. –
2009.-№12. - С.12-16.
4. Судьин, Е.Ф. Модернизация станков с ЧПУ: учеб. пособие для слушателей заоч. курсов повышения квалификации ИТР по техн. обслуживанию, ремонту и модернизации оборудования в условиях перевооружения и интенсификации машиностроит. пр-ва / Е.Ф. Судьин. – М.: Машиностроение, 1990. – 40 с.
5. Устройство числового программного управления NC201-M. Техническая документация. – СПб.: БалтСистем. - 280 с.
6. Свидетельство о регистрации электронного ресурса №15576 «Программа логики станка токарно- револьверного с вертикальной головкой на крестовом суппорте повышенной точности 1В340Ф30»/О.Н. Федонин, Д.И. Петрешин, В.А. Хандожко, А.В. Агеенко// Объединенный фонд электронных ресурсов «Наука
и образование».
Материал поступил в редколлегию 27.11.10.
87
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2010. № 4(28)
ЭКОНОМИКА И МЕНЕДЖМЕНТ
УДК 330.341
А.В. Новикова, В.М. Панченко, В.В. Исайченкова
ИННОВАЦИОННОЕ РАЗВИТИЕ И МОДЕРНИЗАЦИЯ ЭКОНОМИКИ РФ
КАК ФАКТОРЫ ПОВЫШЕНИЯ НАЦИОНАЛЬНОЙ
КОНКУРЕНТОСПОСОБНОСТИ В УСЛОВИЯХ ГЛОБАЛИЗАЦИИ
Представлена оценка конкурентоспособности РФ на мировом рынке. Приведены типичные проблемы, возникающие при внедрении инноваций на отечественных предприятиях. Предложены пути их решения на
основе изучения передового зарубежного опыта.
Ключевые слова: конкурентоспособность, инновация, модернизация, зарубежный опыт, кластеризация.
В последнее время Президентом и Правительством РФ большое значение придается
инновациям и модернизации на их основе экономики страны. Эти понятия стали весьма популярны, однако далеко не все задумываются об их истинном смысле и назначении. Вместе
с тем, как свидетельствует мировой опыт, именно в инновациях кроется основа повышения
конкурентоспособности – как страны в целом, так и каждого предприятия в частности.
Несмотря на пристальное внимание к данной теме, результаты инновационной деятельности в РФ не столь успешны. Экспертов, скептически оценивающих возможности
экономики страны совершить модернизационный рывок, немало. В своих аргументах они
опираются на международные рейтинги конкурентоспособности, в которых Россия стабильно числится в аутсайдерах. Так, в 2009 г. в рейтинге конкурентоспособности Международного института развития менеджмента (IMD) РФ снова оказалась в конце списка,
заняв 51-е место из 58 возможных [1].
Рассмотрим основные факторы, повлиявшие на столь низкий результат, худший с
2006 г. Подсчет баллов IMD проводил по четырем критериям: состояние экономики,
эффективность правительства, эффективность бизнеса и состояние инфраструктуры, которые, в свою очередь, подразделяются более чем на 300 конкретных показателей.
В числе сильных сторон РФ указаны низкий государственный долг, эффективность
фискальной политики, объем резервов и дешевые энерготарифы для компаний. В рейтингах
конкурентоспособности наша страна может похвастаться первым местом лишь по запасам
сырьевых ресурсов (30 трлн долларов США) и седьмым местом по средней продолжительности школьного образования (10,5 лет).
Что касается слабых сторон, то РФ заметно проигрывает лидерам рейтингов в уровне
качества государственных институтов, профессиональности управления, стабильности и
предсказуемости законодательства, обеспечении безопасности граждан. Имеется существенное отставание по основным экономическим показателям, показателям эффективности бизнеса, инвестиций в инфраструктуру, образование и непрерывное повышение квалификации рабочей силы, а также по показателям сокращения неравенства между богатыми и бедными,
состояния инфраструктуры, образования, здравоохранения и окружающей среды.
Согласно отечественному рейтингу конкурентоспособности инновационных систем, составленному организацией малого и среднего бизнеса «Опора России», РФ занимает 38-е место из 50 стран. При этом наша страна уступает не только мировым лидерам – США, Швейцарии, Швеции, Сингапуру, - но и таким странам, как Польша, Турция, а также партнерам по
группе БРИК [5]. Рейтинг был составлен на основании анализа 80 показателей, а также опроса 203 ученых, 200 руководителей малых компаний, 250 глав средних и крупных предприятий и 2000 граждан РФ.
Специалисты «Опоры» выделили шесть основных факторов, влияющих на иннова88
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2010. № 4(28)
ционную активность. Это «таланты», коммерциализация инновационных идей, спрос, инфраструктура, защита интеллектуальной собственности и наличие технических регламентов, а также эффективность государственного управления. По каждому из этих факторов у
России имеется потенциал роста.
Относительно «талантов» и идей в РФ было выделено несколько проблем по следующим причинам. Первая – отток одаренных ученых за рубеж, вторая – нежелание
молодежи идти в науку, третья — недофинансирование образования. По данным
«Опоры», доля государственных расходов на образование в ВВП РФ составляет 3,9%, в то
время как в Израиле – 6,2%, в Финляндии – 6,1%, в США – 5,7%. Недостатки базового
начального образования сказываются также на высшем образовании. В настоящее время
лишь 23,9% аспирантов и 26,1% докторантов выбирают в качестве области применения
знаний технические науки, остальные предпочитают защищаться в гуманитарной сфере.
Более того, из всех аспирантов, заканчивающих обучение, диссертации защищают всего
31,5%, из докторантов – 33,4%.
Не намного лучше обстоят дела с коммерциализацией уникальных разработок.
Только 25% ученых пытались поставить свое изобретение на коммерческие рельсы, и
лишь 4% это удалось. При этом все попытки изобретателям приходится делать на собственные средства или деньги родственников.
Не способствует развитию инноваций и спрос, а точнее, его отсутствие: обычные
покупатели с недоверием относятся к новинкам, а государственные структуры не проявляют должного интереса к новым разработкам.
В качестве примера неэффективности государственной политики опрошенные ученые
и предприниматели отметили коррупцию в системе конкурсного финансирования научных
исследований. Более половины ученых заявили о распространении практики проведения
конкурсов под конкретных людей. Другое проявление коррупции — откаты, которые
победитель конкурса должен выплатить организаторам за свою победу.
Доля РФ в мировых затратах на НИОКР с 1997 по 2007 г. снизилась на 5%. В то же
время другие страны существенно увеличили финансирование науки. Среди лидеров в
этом направлении – Китай, Турция, ЮАР, Израиль.
Отставание российских инновационно-промышленных экономических показателей от
зарубежных довольно серьезное. В РФ доля предприятий, осуществляющих технологические
инновации, составляет 9,4%, тогда как в ФРГ – 73%, в Бельгии – 58%, в Эстонии – 47%, в Чехии
– 41%. По-прежнему невысока доля высокотехнологичной продукции в общей структуре
российского экспорта: в 2009 г. она составила всего 2%, тогда как аналогичный показатель в
товарном экспорте США – 28,2%, Франции – 19,4%, Китая – 16,7%, Германии – 15,3%.
Таким образом, инновации, позиционируемые как важнейший фактор развития
конкурентоспособности РФ, в существующих условиях вряд ли смогут оправдать все возлагаемые на них надежды. Это связано со следующими основными причинами. Во-первых,
инновации обычно окупаются на растущем рынке, но российской продукции приходится
конкурировать с зарубежными производителями, которые обладают более развитыми технологиями и инфраструктурой и могут снижать за счет этого себестоимость своих инноваций.
Во-вторых, внедрение инноваций сопряжено со сложными процедурами патентного
сопровождения и юридической защиты от недобросовестной конкуренции, что требует
больших финансовых затрат, времени и высокого качества государственного управления.
В-третьих, прибыль от инноваций во многом определяется скоростью их внедрения.
Чем больше период внедрения, тем выше вероятность не попасть на целевой рынок или
столкнуться на нем с сильным конкурентом.
К счастью, многие руководители российских предприятий осознают, что инновации
– это не только громкое слово, но и важнейший элемент обеспечения
конкурентоспособности. Именно жесткая конкуренция на современных рынках заставляет
89
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2010. № 4(28)
искать пути модернизации компаний.
Национальной ассоциацией инноваций и развития информационных технологий
(НАИРИТ) было проведено исследование инновационной активности отечественного
крупного бизнеса. По данным НАИРИТ, в 2009 г. в РФ произошел переворот: государство
стало более интересным и активным участником научно-исследовательской
инновационной деятельности, чем бизнес. Это выражается в цифрах затрат крупнейших
российских корпораций на НИОКР: в прошлом году они все вместе потратили на научные
разработки и их внедрение 800 млн долларов (для сравнения: мировой крупный бизнес
вложил в 2009 г. в новые разработки 532 млрд долларов). В частности, ОАО «Газпром»
потратило на НИОКР 0,00075% от выручки (605 млн долл.), АФК «Система» - 50,6 млн
долл., ОАО «Ситроникс» - 44,8 млн долл., «Группа ГАЗ» - 19,5 млн долл. В то же время
эти цифры кажутся просто смешными по сравнению с затратами мировых брендов: Toyota
– 9 млрд долл. инвестиций в инновации за прошлый год, Nokia – 8,7 млрд долл., Roche
holding – 8,1 млрд долл., Microsoft – 8,1 млрд долл., General motors – 8 млрд долларов.
Самая пугающая цифра – данные по утечке мозгов. Необходимо отметить, что в последнее время в РФ резко изменилось настроение людей. В 2006 г. из страны за рубеж (в
основном в США) уехало 6200 молодых ученых, представляющих интерес для
инновационной отрасли. После того как в 2007-2008 гг. объявили инновационную
программу, было зафиксировано падение оттока кадров за границу (до 4700 чел. в 2007 г.
и 3400 чел. в 2008 г.). В 2009 г. резко возросло число отъезжающих за границу молодых
ученых – 6100 человек. Это, скорее всего, связано с тем, что данные Правительством РФ
обещания по росту оплаты труда и дополнительным социальным привилегиям ученым,
занятым в инновационной сфере, не выполняются в полной мере.
Как показывает практика, российские предприятия, проявляющие инновационную
инициативу, сталкиваются с множеством проблем. Перечислим основные:
- низкая востребованность инноваций в российской экономике, связанная с ее монополизацией, слабостью механизмов конкуренции, отсутствием необходимых институтов инновационного менеджмента;
- низкая платежеспособность потребителей инновационных продуктов вследствие
невысоких доходов основной массы населения, неготовности платить более высокие цены
за качественную продукцию, а также неспособности предприятий приобретать высококачественное оборудование из-за постоянных ограничений в доступе к ресурсам банковского кредитования;
- недостаточная численность высококвалифицированных специалистов, способных
работать в инновационной сфере, особенно в отраслях промышленности (в настоящее
время только 5% экономически активного населения РФ относится к категории высококвалифицированных специалистов, в то время как в развитых странах этот показатель составляет около 50%);
- отсутствие эффективной государственной инновационной политики, опирающейся на повышение качества человеческого капитала как главной движущей силы всех преобразований в современной экономике;
- недостаточное информационное оповещение о возможностях государственной
поддержки, защите интеллектуальных прав, успешном опыте внедрения инноваций, методах и принципах ведения инновационной деятельности;
- недостаток свободных денежных ресурсов, не компенсируемый финансовой поддержкой со стороны государства, высокие проценты за использование банковских кредитов;
- высокая стоимость нововведений и экономический риск, длительный срок окупаемости проектов;
- недостаточность налоговых льгот для инновационных предприятий;
90
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2010. № 4(28)
- недостаток оперативной организационной и ресурсной поддержки со стороны региональных властей и органов местного самоуправления.
Важнейшую роль в инновационной деятельности предприятий играет информационная
осведомленность. Так, на политическом уровне заметно стремление превратить понятия «инновации» и «модернизация» в тандем. Однако эти два термина имеют различное значение.
Инновация - новый продукт (услуга), нашедший спрос на рынке. При этом слово
«новый» означает, что этот продукт до сих пор отсутствовал на данном рынке и не имеет
аналогов по своим потребительским свойствам. В свою очередь, инновационная технология – это технология, которая позволяет произвести новый продукт или услугу. Таким
образом, инновации имеют ориентацию на рынок. Отсюда вытекает ряд следствий:
- инновация – самая рискованная стратегия реагирования на изменения рынка;
- внедрять инновации необходимо быстро, чтобы не дать конкурентам занять ту же
рыночную нишу;
- существует «порочный круг бедности»: компании необходима инновация, чтобы
повысить свою конкурентоспособность, но она уже должна быть конкурентоспособной,
чтобы осуществить инновацию [4].
Бо Паркер, директор Центра технологий и инноваций PricewaterhouseCoopers (СанХосе, Калифорния), дал следующую классификацию инноваций [2]:
1. Научные инновации – заключаются в формировании знаний, их анализе и
длительном обсуждении.
2. Инновации, относящиеся к производству, и инновации на уровне продуктов.
3. Дополняющие и революционные инновации.
4. Секторные и универсальные инновации.
5. «Малобюджетные» инновации и инновации «по рыночной цене».
По мнению Бо Паркера, российским предприятиям необходимо тщательно проанализировать свою деятельность и стратегические планы развития, чтобы выбрать правильный
тип инновации, который соответствовал бы целям компании и имеющимся ресурсам. Без
правильной оценки типа внедряемой инновации нельзя добиться ее успешного внедрения.
Модернизация не может быть рыночной: она не может ни торговаться на рынке, как
инновация, ни применяться к нему, как госрегулирование. Модернизация как таковая
применима только к производству. В узком смысле модернизация – это обновление
основных фондов, замена морально устаревшего оборудования на новое, современное.
Модернизация во всех своих предметных трактовках так или иначе предполагает
наличие образца, например технологии для промышленного производства. В отличие от
инновации, которая направлена на еще несуществующее, модернизация, напротив,
ориентируется на уже существующее. С этой точки зрения инновация – движение из
настоящего в будущее, а модернизация – из прошлого в настоящее. Причем в обоих
случаях жизненно важно не ошибиться с «определением времен»: в случае инновации –
не промахнуться с тем, что действительно имеет хорошие шансы стать «будущим», а в
случае модернизации – не перепутать еще конкурентоспособное «настоящее» с уже
отслужившим свое «прошлым».
Большое значение для инновационной деятельности предприятий имеет ее финансирование. Представители бизнеса не спешат переходить на выпуск инновационной продукции и вкладывать деньги в модернизацию производства. Основная причина - отсутствие дешевых и «длинных» заемных средств, без которых невозможно наладить производство конкурентоспособных товаров [3]. Как показал анализ, проведенный Российским союзом промышленников и предпринимателей, в конце 2009 г.
40% опрошенных бизнесменов заявляли о полной недоступности заемных денег. Согласно же последним опросам о сложностях с привлечением финансов заявили уже
91
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2010. № 4(28)
55% российских предпринимателей. Помимо того, оказалось, что модернизация и инновации часто приводят к увеличению налоговых расходов: чем новее и технологичнее оборудование, тем оно дороже, и соответственно тем больший налог на имущество приходится выплачивать предприятию.
Банки, в свою очередь, объясняют нежелание кредитовать реальный сектор
экономики высокими рисками и просроченными кредитами, которые наблюдаются у
многих предприятий. Выход из ситуации представители банковского сектора видят в
разделении ответственности между финансовыми структурами и государством.
Положительные примеры такого взаимодействия уже есть. Так, государственная
корпорация «Роснано» пополам с несколькими банками финансирует ряд инновационных
наукоемких проектов.
Можно сделать вывод, что в настоящее время в РФ существует множество негативных факторов, препятствующих развитию инноваций и модернизации отечественной экономики. Однако конкурентная среда вынуждает представителей бизнеса искать пути выхода из сложившейся ситуации. Для того чтобы найти возможные решения обозначенных
проблем, рассмотрим опыт развитых и развивающихся стран.
Важнейшим направлением в экономике США является активизация инновационной
деятельности с целью создания научно-технического базиса для всестороннего развития
страны. Одним из основных двигателей технического прогресса являются предприятия сектора МСП (малые и средние предприятия), инновационная активность которых подтверждается тем, что количество нововведений, приходящихся на одного научного сотрудника,
в них в 4 раза выше, чем в крупных организациях. При этом число нововведений на 1 доллар затрат на НИОКР в секторе МСП в 24 раза превышает аналогичный показатель для
крупных предприятий. Кроме того, инновационная активность специалистов, занятых в
сфере малого бизнеса, выраженная в относительном количестве патентов, выданных на одного работника, почти в 16 раз превышает аналогичный показатель для крупных предприятий. Таким образом, малые предприятия, имея ограниченные ресурсные возможности,
проявляют высокую активность в инновационной сфере деятельности, которая связана с
большими рисками [6].
В рамках политики США по развитию МСП был разработан ряд национальных программ, финансируемых из государственного бюджета, которые предоставили инновационным МСП и изобретателям широкие возможности в реализации их разработок. В частности,
для стимулирования инновационной деятельности законодательством США предусмотрено
исключение из налогообложения многих затрат (приобретение документации, оборудования,
изготовление опытных образцов, проведение испытаний, оплата патентных услуг и др.).
Японский опыт поддержки и развития МСП отличается высоким уровнем государственного влияния на основные процессы реформирования экономики страны. За короткий
период времени Япония вошла в число лидеров мировой экономики, обладая весьма ограниченными природными ресурсами. В значительной мере это было достигнуто благодаря
целенаправленной государственной политике, ориентированной на всемерную поддержку и
развитие МСП. Успешность реформирования японской экономики во многом определялась
быстротой и адекватностью реакции государственных органов управления на изменения,
происходящие на глобальных и внутренних рынках. С учетом высокой значимости сектора
МСП в экономике страны особое внимание в процессах реформирования уделяется совершенствованию взаимодействия государственных, региональных и местных органов власти с
разветвленной инфраструктурой поддержки МСП. В Японии еще в 1983 г. была принята
концепция, направленная на развитие технополисов, и последующий опыт показал, что
темпы их экономического роста значительно превышают средние показатели по стране.
При этом высока роль местного самоуправления, которая заключается в возможности
предоставления дополнительных льгот участникам проектов, включая освобождение от
92
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2010. № 4(28)
местных налогов, выделение целевых дотаций и займов из местных бюджетов.
В апреле 2009 г. японское правительство приняло «Комплекс стратегических мер по
преодолению кризиса» (Policy Package to Address Economic Crisis), в котором до конца 2010г.
приоритетным
направлением
является
проведение
инвестиционной
политики,
ориентированной на развитие экономической инфраструктуры и инновационной
деятельности, обеспечивающих рост потенциала национальной экономики. С конца 2010г.
предполагается начать уверенный подъём экономики с помощью объединения таких
движущих факторов, как развитие местных рынков и расширение экспорта новых продуктов
и услуг, созданных благодаря успешной коммерциализации инновационных разработок по
снижению потребления углеводородов и других невосполнимых природных ресурсов.
В Индии за последние 4 года произошли крупные перемены в организации государственной поддержки предпринимательства. Два ранее существовавших министерства
поддержки МСП были в 2007 г. объединены в Министерство микро-, малого и среднего
предпринимательства (ММСП), которое координирует деятельность мощной и весьма
разветвлённой инфраструктуры поддержки ММСП, имеющей свои подразделения во всех
крупных и средних городах. В настоящее время в стране действует 30 институтов по обслуживанию ММСП с 248 филиалами; 6 центров инновационного развития предпринимательства; 52 научно-технологических центра; 17 испытательных станций с 2 центрами
сертификации продукции; 58 интегрированных центров промышленного развития; 75
производственных и обучающих центров; 20 отраслевых центров развития технологии
производства; 60 технологических бизнес-инкубаторов; 26 научно-технических парков, в
том числе 9 – программного обеспечения; 348 зон экономического развития.
Важную роль в технологическом развитии ММСП играют кластеры, объединяющие
большое количество малых предприятий. По данным Центра международного промышленного сотрудничества UNIDO, в Индии действует свыше 2000 кластеров, из которых 388 –
промышленной направленности, а 1657 ориентированы на взаимодействие ремесленнических
предприятий. Кластеры поставляют свыше 60% экспортной продукции страны, а некоторые
крупные кластеры производят до 90% отдельных видов продукции, выпускаемой в стране.
В Китае также огромное внимание уделяется развитию малых и средних инновационных предприятий. В настоящее время в стране действует около 6 миллионов научнотехнических посреднических организаций, в которых занято почти 110 миллионов
специалистов. В 2009г. правительством Китая утверждён статус инновационного
предприятия. Этот статус присвоен 90 предприятиям, которые имеют собственный бренд
и, благодаря техническому новаторству, обладают высокой конкурентоспособностью на
мировом рынке.
По сравнению с другими государствами Швейцария выделяет на развитие науки
больший процент от валового внутреннего продукта (ВВП). При этом более 2/3 всех инвестиций поступает от частных предпринимателей. Часть научных исследований проводится за рубежом, и на эти цели выделяется даже больше средств, чем на исследования внутри страны. С целью поддержки научно-технологических разработок на высоком уровне
Швейцария привлекает талантливых ученых и исследователей со всего мира.
В Германии создана комфортная инновационная среда. В поощрении и внедрении инноваций особую роль играют патентные агентства (их в Германии 23), программа поддержки
инновационных проектов (EXIST), льготное кредитование и, не в последнюю очередь, так называемые бизнес-ангелы. Это частные инвесторы, связующее звено между изобретателями и
заказчиками, которые рискуют своим капиталом, чтобы вывести идею на стадию реализации.
Можно сделать вывод, что за рубежом успешному внедрению инноваций способствует
государственная поддержка. Правительства активно пропагандируют важность инноваций и
стремятся свою заинтересованность подтвердить действиями, содействуя малому и среднему
предпринимательству, предлагая компаниям, занятым инновациями, льготы и кредиты, вкла93
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2010. № 4(28)
дывая огромные суммы в образование. Тем самым создается благоприятный климат для развития инновационной деятельности, в результате чего предприятиям, учебным заведениям и
государству удается успешно сотрудничать и получать большую прибыль.
По результатам изучения наиболее успешного зарубежного опыта обозначим пути
повышения инновационной и модернизационной активности предприятий РФ.
Прежде всего, государство, которое не меньше производителей заинтересовано в повышении конкурентоспособности предприятий, должно проявить инициативу. Необходимо принять закон о поддержке инновационной деятельности, который будет содержать
комплекс мер по содействию инновационному бизнесу, таких, как снижение таможенных
пошлин на импорт необходимого оборудования, оптимизация налогообложения, оказание
финансовой помощи инновационным фирмам и т.д.
Однако предприятия имеют возможность самостоятельно внедрять инновации. Так,
кластерный подход превратился в последние годы в ключевой инструмент региональной
промышленной политики не только ведущих индустриальных стран (Германия, США,
Япония, Франция), но и развивающихся (Индия, Индонезия, Малайзия, Мексика, Никарагуа, Гондурас, Ямайка, Боливия, Мадагаскар, Марокко). Ярким примером удачно работающего кластера является так называемая Силиконовая долина – крупнейший технологический центр США, объединяющий 58 компаний и 4 университета.
Кластер рассматривается как сетевая организация территориально взаимосвязанных и
взаимодополняющих предприятий (включая специализированных поставщиков, в том числе
услуг, а также производителей и покупателей), объединенных вокруг научнообразовательного центра, которая связана вертикальными связями с местными учреждениями и органами власти с целью повышения конкурентоспособности предприятий, регионов и
национальной экономики. Наличие кластеров позволяет национальным отраслям развивать и
поддерживать свои конкурентные преимущества, не уступая даже технически более развитым странам. Все фирмы кластера делают инвестиции в специализированные исследования,
развитие родственных технологий, информацию, развитие инфраструктуры и человеческие
ресурсы, что проявляется в синергетическом эффекте и позволяет малому предпринимательству выстоять в жесткой конкурентной борьбе на глобализированных рынках.
В настоящее время стратегия создания производственных кластеров в РФ реализуется в
рамках нескольких программ федерального значения: «Национальная технологическая база»,
«Реформирование и развитие оборонно-промышленного комплекса», «Развитие гражданской
авиационной техники», «Исследования и разработки по приоритетным направлениям науки и
техники». Сегодня в России существует несколько кластеров, образованных вокруг таких отраслей народного хозяйства, как химическая, нефтегазовая промышленность, автомобилестроение, металлургия, машиностроение и судостроение. Далеко не каждый субъект РФ может похвастаться наличием кластеров – только 72 кластера было создано и еще 74 находятся
на стадии формирования. Наибольшее количество кластеров находится в Санкт-Петербурге
(6) и Самарской области (5) (для сравнения: в США функционируют 380 кластеров, в Дании –
29, в Финляндии – 9). Однако уже сейчас существующие на территории нашей страны кластеры успешно доказывают, что сотрудничество предприятий в промышленной сфере приводит к улучшению экономического состояния фирм, входящих в объединение, а также региона, в котором кластер расположен.
Не менее важное значение в борьбе за модернизацию производства имеет управление
знаниями. Требуется расширение использования знаний как ресурса и продукта производства. При этом необходимо добиваться оптимального сочетания знаний, ориентированных
на эффективность, и знаний, ориентированных на инновации, а также развивать аутсорсинг
и субконтрактацию. Это позволит малым компаниям встраиваться в производственные технологические цепочки. Крупный бизнес должен осуществлять заказы научноисследовательских работ и НИОКР у малых и средних предприятий. На сегодняшний день
94
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2010. № 4(28)
этот ресурс практически не используется.
Необходимо решить проблему привлечения отечественных и зарубежных инвестиций, которые помогут решить проблемы финансирования исследований, внедрения новых
технологий. Безусловно, сейчас далеко не все компании могут привлечь чужие средства,
но, по словам помощника Президента РФ Аркадия Дворковича, наблюдается позитивная
тенденция: в I квартале 2010 г. российская экономика привлекла иностранные инвестиции
на 13,1 млрд долларов, что на 9,3% больше, чем за аналогичный период 2009 г., при этом
накопленный объем инвестиций в РФ на конец марта составил 265,8 млрд долларов. За
2009 г. инвестиции в отечественную экономику сократились на 21% по сравнению с
2008 г. Прогнозируется, что прямые иностранные инвестиции в РФ удвоятся в ближайшие
3–4 года и составят десятки миллиардов долларов.
Согласно некоторым исследованиям, идеальная инновационная организация — это
симбиоз лидерской и обучающейся организаций. Основная идея лидерской организации:
во внешней среде компания стремится к положению лидера в отрасли, на рынке; внутри
компании создается атмосфера, в которой все руководители формируются как настоящие
лидеры, каждый из которых воспитывает лидерские качества и лидерское поведение у
всех своих подчиненных и поддерживает их стремление к лидерству, не прекращая собственного развития. Обучающаяся же организация должна стремиться менять свою структуру и цели в соответствии не только с меняющейся конкурентной средой, но и с новейшими научными разработками в технической и управленческой области.
Каждая организация инновационного рода, как и всякая другая, обладает общими и
специфическими свойствами. Создавая инновационную организацию или усиливая инновационный аспект деятельности существующей компании, необходимо понять системный
характер такой работы, познать и осмыслить современные формы реализации системного
подхода, подходы к системному формированию и трансформации организаций (каждый
такой подход для своего времени также являлся инновационным продуктом), проанализировать имеющиеся возможности и ограничения, определить и сформулировать свои ожидания таким образом, чтобы их можно было сделать основой выбора направлений и целей
конкретной деятельности по проектированию и проведению изменений. Ключевую роль в
конкретизации ожиданий и представлений о желательном виде организации играет образ
(видение) будущего организации.
Итак, проблема внедрения инноваций сейчас стоит как никогда остро и сопряжена
со множеством проблем, среди которых недостаточность государственных инициатив,
малая осведомленность руководителей компаний об инновациях и модернизации, нехватка денежных средств для реализации перспективных проектов. Крайне необходима законодательная поддержка субъектов бизнеса, а также тесное сотрудничество между предприятиями, образовательными центрами и местными властями. В современных условиях
каждое предприятие должно развивать инновационную деятельность, чтобы повысить
свою конкурентоспособность и как можно более полно использовать имеющиеся и перспективные конкурентные преимущества.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Россия по-прежнему аутсайдер в рейтинге конкурентоспособности. - http://www.primetass.ru/news/articles/-201/%7B42F98368-E222-4E1E-BA07-84AB5700A2B3%7D.uif
2. Инновации: Кривая опыта. - http://www.vedomosti.ru/newspaper/print/2010/07/28/241891
3. Кто оплатит пол-инновации. - www.rg.ru/2010/07/08/dengi.html
4. Модернизация vs. Инновация. - http://www.russ.ru/layout/set/print/pole/Modernizaciya-vs.-Innovaciya
5. Откуда берутся инновации. - http://expert.ru/articles/2010/06/29/otkuda_innovatsii/
6. Исследования НП «Московский центр развития предпринимательства». - http://giac.ru/
Материал поступил в редколлегию 29.09.10.
95
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2010. № 4(28)
УДК 006.06
Г.В. Ефимова
УПРАВЛЕНИЕ ПРОЦЕССАМИ АУТСОРСИНГА В СИСТЕМЕ МЕНЕДЖМЕНТА
КАЧЕСТВА ОРГАНИЗАЦИИ 1
Предложен методологический подход к управлению процессами аутсорсинга в системе менеджмента качества, позволяющий эффективно выбрать поставщиков аутсорсинга, снизить риск возникновения несоответствий в процессе аутсорсинга и оценить его результативность.
Ключевые слова: аутсорсинг, система менеджмента качества, критерии выбора, результативность.
В современных условиях обременение организаций непрофильными видами деятельности уменьшает эффективность производства и является одной из причин снижения
конкурентоспособности. Во избежание этого в настоящее время во всем деловом мире
стали прибегать к практике аутсорсинга.
Термин «аутсорсинг» (от англ. outside resource using — использование внешних ресурсов) в международной бизнес-практике определяет последовательность организационных решений, суть которых состоит в передаче некоторых ранее самостоятельно реализуемых организацией функций или видов деятельности внешней организации, или третьей
стороне [1].
С выходом международных стандартов ISO 9001 версии 2008, в которых изложены
требования и рекомендации, связанные с аутсорсингом, интерес к нему резко возрос. Согласно пункту 4.1 ГОСТ Р ИСО 9001-2008 [2], если предприятие принимает решение, что
какие-либо процессы, влияющие на соответствие продукции предъявляемым требованиям, могут быть выполнены внешними организациями, то предприятие должно обеспечить
управление такими процессами. Тип и объем управления должны быть определены в рамках системы менеджмента качества.
Процесс аутсорсинга – это процесс, который организация идентифицировала как необходимый для своей системы менеджмента качества, но для осуществления которого она
выбрала внешнюю сторону [3].
Таким образом, если какой-либо процесс, связанный с выполнением требований заказчика, передан внешним организациям, организация должна обеспечить управляемые
условия, необходимые для гарантированного выполнения требований потребителя.
Управление процессами аутсорсинга в системе менеджмента качества (СМК) является новым направлением для изучения и разработки. Этим и объясняется малое количество имеющейся специализированной литературы по менеджменту качества, касающейся
данного вопроса. В настоящей статье предлагается методологический подход к управлению процессом аутсорсинга в СМК. Алгоритм реализации требований к такому процессу
(рис. 1) основывается на этапах обычного аутсорсинг-проекта [1]: подготовка и разработка
аутсорсинг-проекта, заключение соглашения (контракта) об аутсорсинге и его выполнение, т.е. конкретная деятельность партнеров по реализации аутсорсинг-проекта. Заключительным этапом процесса аутсорсинга является обязательный элемент современного менеджмента – оценка эффективности функционирования бизнес-системы и качества управления.
Работа выполнена в рамках реализации ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 гг. (контракт № П770 от 20.05.10).
1
96
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2010. № 4(28)
Рис. 1. Блок-схема алгоритма управления аутсорсингом в СМК
97
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2010. № 4(28)
Рассмотрим представленный подход поэтапно.
1. Анализ фактического состояния организации. На этапе стратегического обоснования и планирования проводится анализ фактического состояния организации: определяются цели, стратегические приоритеты, анализируется действующая в организации система менеджмента качества.
2. Принятие решения «производить или покупать». Необходимо распределить выделенные процессы в СМК организации по возможности применения к ним аутсорсинга, так
как не все виды деятельности СМК могут быть отданы на сторону. Данный принцип классификации процессов основывается на обязательных требованиях к СМК. Таким образом,
процессы СМК могут быть разделены на 4 группы [4]:
1) виды работ в рамках СМК организации, осуществление которых не может быть
передано «на сторону» (например, разработка политики и целей в области качества, планирование создания и развития СМК, определение ответственности и полномочий);
2) виды работ в рамках СМК организации, осуществление которых может быть передано на сторону в полном объеме (например, менеджмент инфраструктуры, менеджмент производственной среды, проектирование и разработка, управление устройствами
для мониторинга и измерений);
3) виды работ в рамках СМК организации, осуществление которых может быть передано на сторону частично (например, менеджмент человеческих ресурсов (передается
лишь деятельность по подготовке персонала), производство и обслуживание (кроме валидации процессов производства и обслуживания));
4) работы, присоединяющиеся к базовым в случае передачи последних на сторону
(например, управление документацией, управление записями, управление несоответствующей продукцией, корректирующие и предупреждающие действия).
Выбор приоритетного направления для реализации аутсорсинга предлагается осуществлять на основе сопоставления стоимости затрат на реализацию процесса собственными
силами с затратами на приобретение услуг аутсорсинга, так как для большинства компаний основной причиной выбора аутсорсинга является снижение издержек. Для этого необходимо определить перечень приоритетных направлений для аутсорсинга и сопоставить
стоимость затрат на реализацию процесса собственными силами З собств с затратами на
приобретение услуг аутсорсинга З аутс .
Если соотношение З собств /З аутс <1, то реализация процесса другой организацией не
принесет никакой выгоды.
Если соотношение З собств /З аутс >1, то в этом случае следует предпочесть приобретение услуг аутсорсера.
Затем определяется конечное приоритетное направление с учетом всех причин выбора организацией аутсорсинга. После этого необходимо смоделировать выбранный процесс СМК и выбрать форму организации отношений с аутсорсером.
3. Определение степени управления аутсорсинговым процессом. Одной из основных
задач, стоящих перед организацией, которая намеревается использовать процесс аутсорсинга в своей деятельности, является определение степени управления данным процессом.
Степень управления (Y) процессами аутсорсинга является функцией от трех основных параметров и определяется по формуле [5]
Y = ϕ(P, T, R),
где P — оценка производственного риска возникновения сбоев (несоответствий) в процессе аутсорсинга; Т — оценка риска некомпетентности поставщика (внешней организации,
выполняющей процесс аутсорсинга); R — оценка риска негативного влияния аутсорсинга
на конечную продукцию (услугу), поставляемую потребителю.
Значение Р характеризует появление риска получения несоответствующей продукции, обусловленного сложностью технологии производства. Например, при выполнении
98
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2010. № 4(28)
сварочных работ имеется высокий риск появления бракованной продукции. Это связано
со сложностью технологических операций, входящих в состав процесса, необходимостью
контроля параметров окружающей среды при сварке, качества электродов, состава газа,
применяемого для сварки, технологии наложения сварных швов и т. д.
Значение Т характеризует профессиональную квалификацию поставщика. Его рекомендуется определять на стадии выбора поставщиков услуг по адекватным критериям.
При подтвержденной высокой квалификации поставщика управлению процессом аутсорсинга может быть уделено меньшее внимание.
Значение R характеризует влияние аутсорсинга на конечную продукцию (услугу),
поставляемую предприятием потребителю, т.е. влияние выходных данных (результата)
процесса на последующие стадии процессов жизненного цикла продукции.
Величина Y определяется по формуле
Y = R+A,
где А — вероятностная оценка возможного возникновения сбоев в процессе аутсорсинга,
A = P/T.
Таким образом, физический смысл этой оценки заключается в определении вероятности появления сбоев (несоответствий) в процессе аутсорсинга. Сбои могут быть связаны с влиянием двух основных факторов: сложности технологического процесса и квалификации поставщика.
Чем больше значение Y, тем выше степень управления. В зависимости от значения Y
выделяются области управления аутсорсингом (табл. 1) [5].
Области управления аутсорсингом
Таблица 1
Значение Y,
Характеристика степени управления аутсорсингом
баллы
Y1 Y1 ∈ [–2, 3] Пониженная степень управления аутсорсингом.
Характеризуется периодическим мониторингом исполнения аутсорсером основных ключевых параметров контракта
Y2 Y2 ∈ [4, 8] Средняя степень управления аутсорсингом.
В данной области следует осуществлять мониторинг промежуточных контрольных точек выполнения аутсорсером своих обязательств
по договору
Y3 Y3 ∈ [9, 13] Полное управление процессом аутсорсинга, включающее в себя:
− оценку и выбор поставщика на основании адекватно разработанных критериев;
− установление периода повторной переоценки;
− определение способов и процедур контроля деятельности
аутсорсера в контракте;
− постоянный контроль выполнения аутсорсером своих обязательств по контракту;
− определение и измерение показателей результативности процесса аутсорсинга;
− оценку и анализ результативности процесса аутсорсинга на
основании измеренных показателей;
− выработку мероприятий по улучшению процесса аутсорсинга
Y
Так как процедура полного управления аутсорсингом в СМК в литературе практически не рассматривается, то ей было уделено особое внимание в статье.
99
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2010. № 4(28)
4. Выбор партнера-аутсорсера. Это является важным этапом, ведь главная часть успеха проекта зависит именно от выбора партнера-аутсорсера. Автором предложен метод
выбора аутсорсера СМК, механизм которого представлен на рис. 2.
При
изучении
рынка услуг аутсорсинга необходимо получить детальную информацию о каждом из
возможных поставщиков услуг. Такая информация необходима
для проведения как количественного, так и
качественного анализа
в ходе выбора конкретного партнера. Какие
качественные показатели определяют решение и сколько поставщиков услуг должно
быть — две основные
проблемы
выбора
партнера-аутсорсера.
Определяющим
критерием выбора аутсорсера является его
качество, т.е. степень
соответствия присущих
характеристик требованиям. Таким образом, необходимо опреРис. 2. Блок-схема алгоритма выбора партнера-аутсорсера СМК
делить набор требований (критериев), которым должен удовлетворять аутсорсер процессов СМК. Критерии
выбора поставщика для выполнения процессов СМК отличаются от критериев выбора поставщиков продукции (услуг) (п. 7.4.1 ГОСТ Р ИСО 9001-2008).
В данной статье предлагаются следующие критерии выбора аутсорсера, позволяющие оценить качество его услуг по обеспечению выполнения требований к аутсорсинговому процессу:
− стоимость выполнения процесса аутсорсером;
− органичность включения процесса, осуществляемого аутсорсером, в действующую
СМК организации;
− наличие СМК у аутсорсера;
− возможность участия организации в управлении процессом, переданным аутсорсеру;
− надежность аутсорсера (минимизация риска);
− наличие опыта в сфере деятельности процесса, передаваемого аутсорсеру;
− финансовое состояние аутсорсера;
− репутация, известность фирмы-аутсорсера на рынке;
− компетентность персонала фирмы-аутсорсера;
− успешный опыт предыдущего сотрудничества.
100
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2010. № 4(28)
В зависимости от вида передаваемого процесса СМК перечисленные критерии могут
расширяться или объединяться. Предлагается оценивать потенциальных партнероваутсорсеров на соответствие разработанным критериям по 100-балльной шкале.
Так как при применении аутсорсинга организация не освобождается от ответственности за соответствие всем требованиям потребителей и обязательным требованиям, то
необходимо соотнести степень обеспечения качества и минимизации риска при взаимодействии с аутсорсером со стоимостью услуг по осуществлению процесса СМК.
Выбор поставщика аутсорсинга предлагается осуществлять независимо от сферы
деятельности организации на основе следующего совокупного показателя:
П аут =
max
(1)
где П аут – показатель приоритетности аутсорсера для передачи процесса необходимого
для СМК; К – качество услуг по обеспечению выполнения требований к аутсорсинговому
процессу; Р – обеспеченность безопасности (минимизации риска); Ц – стоимость услуг аутсорсера по выполнению процесса, необходимого для СМК.
Оценка величины риска аутсорсинга (Р) может исходить из результатов оценки финансово-экономических, социальных и технических рисков [6]. Результаты получаются на
основе средних оценок экспертов (вес и вероятность наступления соответствующего риска).
Отношение качества к цене и отношение показателя обеспеченности безопасности к
цене должны стремиться к максимуму, поэтому их сумма в формуле (1) также должна
стремиться к максимуму. На основании максимального значения показателя приоритетности аутсорсера для передачи процесса, необходимого для СМК, выбирается поставщик
аутсорсинга.
Прежде чем оценивать потенциальных аутсорсеров по выбранным критериям, необходимо сделать запрос нужной информации. Для этого подрядчикам направляется специально разработанная для этих целей форма. Заполненные формы анализируются членами
комиссии, после чего в сводную таблицу проставляются баллы по всем аутсорсерам. Из
соотношения цены, качества и риска комиссия определяет конкретного партнерааутсорсера.
Получив информацию от потенциальных поставщиков услуг аутсорсинга и обобщив
ее наряду со сведениями из других источников, организация-клиент может выбрать двухтрех партнеров для реализации аутсорсинг-проекта, с которыми будут проводиться дальнейшие переговоры.
В общем случае количество поставщиков услуг зависит от сложности поставленной
задачи и количества отдельных компонентов предлагаемых решений. Если поставщикам
услуг предстоит работать вместе либо над взаимосвязанными задачами, необходимо убедиться в совместимости их позиций.
5. Разработка условий контракта, способов и процедур контроля за деятельностью
аутсорсера. Выполнение контракта. После того как оценены все потенциальные аутсорсеры
и один из них выбран в качестве партнера, разрабатываются условия соглашения (контракта)
об аутсорсинге. По окончании данного этапа необходимо составить договор об аутсорсинге, где обязательно должны быть определены способы и процедуры контроля деятельности аутсорсера, права и обязанности сторон.
Одной из наиболее важных особенностей аутсорсинга является то, как и в какой степени будет осуществляться контроль заказчиком. Например, можно вести контроль за аутсорсером по центрам ответственности, что позволяет формировать показатели, характеризующие вклад отдельных подразделений и управленцев в результативность процесса.
Кроме того, в результате передачи процессов на сторону может понадобиться изменение организационной структуры и имущественного комплекса организации, перерас101
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2010. № 4(28)
пределение ответственности и полномочий, социально-психологическая подготовка работников для работы в новых условиях.
6. Оценка результативности процесса аутсорсинга. В требованиях ГОСТ Р ИСО 90012008 указано, что организация должна обеспечить необходимую степень управления процессами, передаваемыми другой организации, если они входят в СМК. Управлять процессом намного легче, зная его сильные и слабые стороны, основные причины несоответствий. Для
этого организация заранее определяет перечень необходимых показателей для измерения, который может быть представлен в виде таблицы (табл. 2). В контрактном соглашении об аутсорсинге организация-заказчик может указать данные, которые будут собираться в ходе выполнения процесса.
Таблица 2
Перечень показателей результативности процесса, переданного на аутсорсинг
Наименование поЕдиница измереОтветственный за
Формула для расчета
казателя, обозначения, оптимальное сбор данных по попоказателя
ние
значение
казателю
Передаваемые на аутсорсинг процессы могут быть совершенно разными, поэтому
сложно определить какой-то стандартный перечень показателей результативности и эффективности для аутсорсинговых процессов. Однако можно установить основные правила выбора таких показателей:
− для большинства компаний главной причиной предпочтения аутсорсинга собственному производству является финансовая выгода, поэтому среди показателей должен быть показатель экономической эффективности;
− работник, определяющий показатели для измерения аутсорсингового процесса, должен четко знать специфику такого процесса;
− необходимо определить, что является самым главным в выбранном процессе; особое
внимание нужно уделить вопросам безопасности и качества.
Кроме того, доказательствами выполнения аутсорсером соответствующих требований к СМК являются:
− систематическое представление аутсорсером соответствующих записей;
− проведение периодических проверок выполнения требований ИСО 9001 и собственных требований организации на месте выполнения работ (аудит второй стороны);
− соответствующая деятельность по верификации результатов осуществления процессов, переданных на аутсорсинг;
− стимулирование аутсорсера сертифицировать свою СМК на соответствие требованиям ИСО 9001 в той системе сертификации, которой доверяет организация-заказчик (это
позволит в большей степени или даже полностью переложить бремя подтверждения соответствия СМК аутсорсера требованиям ИСО 9001:2000 на плечи соответствующего органа
по сертификации).
После практической реализации процесса аутсорсинга необходимо оценить, целесообразно ли было передавать данный процесс на сторону, выявить положительные и отрицательные результаты аутсорсингового процесса и, самое главное, выяснить причины неудачи.
Оценивание результативности процесса аутсорсинга предлагается проводить на основе двух показателей:
− показателя результативности процесса аутсорсинга, отражающего степень выполнения требований потребителей:
102
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2010. № 4(28)
R 1 = K уст – К факт ≤ 0,
где К уст – значение показателя выполнения требований потребителей, установленное в
плане; К факт - фактическое значение показателя выполнения требований потребителей;
− показателя результативности процесса аутсорсинга, отражающ
− его эффективность осуществления процесса с экономической точки зрения для заказчика:
R 2 = Ц уст – Ц факт ≥ 0,
где Ц уст – цена, выставленная аутсорсеру на стадии заключения соглашения; Ц факт – цена,
фактически выплаченная аутсорсеру.
7. Выработка мероприятий по улучшению процесса аутсорсинга. По показателям результативности проводится анализ с помощью различных методов и инструментов управления качеством, делаются выводы и разрабатываются мероприятия по улучшению аутсорсингового проекта. Результаты анализа может использовать и сам аутсорсер с целью повышения
своей конкурентоспособности.
Предложенный методологический подход позволит, с одной стороны, учесть основные критерии, которые влияют на тип и степень управления процессами аутсорсинга, а
следовательно, на качество конечной продукции, а с другой – определить необходимую
степень контроля и управления аутсорсингом в зависимости от специфики процессов, переданных на выполнение сторонним организациям.
Изначально четко и правильно спланированный и разработанный процесс аутсорсинга в СМК позволит получить большие выгоды: снизить затраты, сосредоточиться на
основных видах деятельности, выполнить требования потребителя и других заинтересованных сторон, избежать несоответствий при сертификационном и инспекционном аудитах, повысить качество продукции и обеспечить конкурентоспособность организации.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Аникин, Б.А. Аутсорсинг и аутстаффинг: высокие технологии менеджмента / Б.А. Аникин, И.Л. Рудая. –
М.: ИНФРА-М, 2009. – 320 с.
2. ГОСТ Р ИСО 9001-2008. Системы менеджмента качества. Требования.
3. ISO/TC 176/SC 2/N630R2. Руководство по аутсорсинговым процессам.
4. Качалов, В.А. Что же такое «аутсорсинг»? / В.А. Качалов // Методы менеджмента качества. – 2008. – №
4. – С. 36-39; № 5. – С. 28-33.
5. Марцынковский, Д.А. Процессы аутсорсинга в СМК: степень управления, анализ рисков / Д.А. Марцынковский // Компетентность. – 2009. – № 4 (65). – С. 40 – 47.
6. Галлямов, А.Н. Аутсорсинг при организации подрядных работ в строительных компаниях: дис…. канд.
экон. наук/ А.Н. Галлямов. – СПб., 2006. – 147 с.
Материал поступил в редколлегию 17.10.10.
103
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2010. № 4(28)
ОБРАЗОВАНИЕ
УДК 14. 35. 07
С.Л.Черенкова
СИСТЕМА МОНИТОРИНГА КОМПЕТЕНТНОСТИ СТУДЕНТОВ
ТЕХНИЧЕСКОГО ВУЗА В СФЕРЕ ЗДОРОВЬЯ
Изложена методика организации тестирования здоровья студентов с использованием сети Интернет.
Ключевые слова: компетентностный подход, здоровье, мониторинг, студент, психология, физическая
культура, комплексный подход.
Компетентностный подход все шире внедряется в различные сферы деятельности
человека, в том числе в систему высшего образования. Необходимо подчеркнуть, что данный подход исходит из принципиально иных требований к образованию, чем это принято
в традиционном обучении, где наиболее важным считается понимание теоретических основ и наличие большого объема знаний по множеству различных учебных предметов. В
данном подходе содержание образования формируется «от результата». Важным становится не то, что ученик знает и может пересказать, а то, что из полученного в процессе
обучения он умеет использовать, причем использовать самостоятельно в различных формах культуры и деятельности. Компетенция определяеся как способность применять знания, умения и личностные качества для успешной деятельности в определенной области
[16, с. 24], т. е. компетентностный подход включает еще и характеристику специалиста
как личности.
Сегодня компетентностный подход становится не только методологическим подходом, но и технологической схемой разработки стандартов образования. Так, в Федеральном государственном образовательном стандарте высшего профессионального образования, разработанном в соответствии с данным подходом, отмечается, что выпускник технического вуза должен обладать следующими общекультурными компетенциями:
- владеть средствами самостоятельного, методически правильного использования
методов физического воспитания и укрепления здоровья, быть готовым к достижению
должного уровня физической подготовленности для обеспечения полноценной социальной и профессиональной деятельности;
- быть готовым организовать свою жизнь в соответствии с социально значимыми
представлениями о здоровом образе жизни.
Разработка норм здорового образа жизни, рекомендаций, которые могут помочь человеку сохранить свое здоровье, входит в задачи особого направления медицины – валеологии. К сожалению, эти рекомендации часто имеют чрезмерно общий характер, в них не
учитываются ни биологические, ни социально-психологические различия между людьми.
Все это неизбежно приводит к тому, что потребности отдельного человека начинают рассматриваться как подчиненные потребностям общества, а «борьба за здоровый образ жизни» вызывает неприязнь у значительного количества людей. Критика в адрес валеологии
исходит не только от психологов, но и от врачей. «Валеологическая модель из-за однообразия критериев имеет казарменный вид, что делает ее эмоционально непривлекательной…Здоровый образ жизни в принципе не может и не должен быть идентичным» [17,
с.25-26].
Вследствие этого считается, что реализация здорового образа жизни на уровне отдельного человека должна осуществляться в форме здорового стиля жизни - модели более
вариативной, личностно соотнесенной. Очевидно, что чем больше содержание, характер,
104
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2010. № 4(28)
форма, направленность здорового образа жизни будут соответствовать актуальным жизненным ценностям человека, его смысловым приоритетам, желаемым моделям образа
жизни, тем более полно и эффективно будет использован для оздоровления и развития богатый потенциал физической культуры.
Действующая система профессионального образования, к сожалению, также не учитывает индивидуально-личностные особенности студентов, эмоциональные и мотивационные факторы. Данные аспекты все еще остаются неиспользованным резервом в подготовке будущих специалистов, позволяющим значительно повысить продуктивность образовательного процесса.
Актуальность исследования здоровья студентов определяется наличием стрессогенных факторов в студенческой среде, таких, как ситуации экзаменов, вхождение в новую
социальную среду, необходимость личностного самоопределения в будущей профессиональной деятельности.
Широкое внедрение технических средств и компьютерных технологий в учебный
процесс обусловило возросшую интенсивность информационного потока – это с одной
стороны. С другой стороны, ограниченное время на переработку и усвоение информации,
необходимость заучивания больших объемов материала, перегруженность учебных программ в сочетании с несовершенным режимом питания и иррациональной организацией
досуга заставляют студентов заниматься по 10-12 часов, а в период сессии - до 14 часов
в сутки. Объем и интенсивность нагрузок, испытываемых сегодня студентами, приближаются к тому уровню, который некоторые авторы называют «пределом физиологических
возможностей организма» [7; 9].
Все это выражается в нарушениях поведенческой регуляции студентов в процессе
обучения в вузе, проявляющихся в эпизодах девиантного поведения, пропусках занятий,
снижении успеваемости, наличии конфликтных ситуаций в учебном коллективе и с преподавателями, что свидетельствует о напряжении адаптационных процессов. В итоге в
настоящее время лишь 10% молодежи имеет нормальный уровень здоровья, около трети
юношей по медицинским показаниям не годятся для службы в армии. Примерно треть
заболеваний у подростков ограничивает выбор будущей профессии [8, с.174]. В то же
время именно в студенческий период формируется будущий профессионал, состояние
здоровья которого непосредственно влияет на успешность деятельности и стиль жизни в
целом и, таким образом, приобретает высокое общественное значение.
Данные тенденции, с одной стороны, становятся сдерживающим фактором для реализации человеком своего биологического и социального потенциала, а с другой обусловливают интерес и актуальность проблемы здоровья. Здоровье – это необходимое
условие активной и нормальной жизнедеятельности человека. Серьезные нарушения в
этой сфере влекут за собой изменения в привычном образе жизни, сложившейся практике
отношений с окружающим миром, возможную утрату профессиональной дееспособности,
а в целом – вынужденную коррекцию планов на будущее.
В студенческом возрасте личностные ресурсы кажутся неисчерпаемыми, а оптимизм
по отношению к собственному здоровью преобладает над заботой о нем. Сильная ориентация на переживание настоящего, высокая мотивация достижений вытесняют из сознания студента возможные опасения, связанные с состоянием своего здоровья.
Как показывают результаты опросов, среди молодежи ослаблено ценностное отношение к здоровью. В современной социальной ситуации инстинкт самосохранения молодых людей притупляется, распространяются социальные девиации и саморазрушительная
ориентация (алкоголь, наркотики, курение и т.д.). Неизрасходованные природные ресурсы, заложенные в норме в молодом организме, порой затушевывают то очевидное негативное влияние, которое уже в более зрелом или преклонном возрасте может реализоваться в объективных медицинских характеристиках организма.
105
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2010. № 4(28)
Особый интерес в этом плане представляют студенты технических университетов.
Исследователи Н.Н Авдеева, И.И Ашмарин, Г.Б Степанова, занимающиеся данной проблемой, отмечают, что студенты технического вуза в меньшей степени озабочены поддержанием своего здоровья и качеством питания [2].
Непосредственные причины этого хорошо известны: во-первых, долгосрочный демографический фон, в основном определяемый войной и политическими репрессиями 3040-х годов, и, во-вторых, нынешний социально-экономический кризис и сопровождающее его резкое снижение эффективности системы здравоохранения. Но есть и глубинные
причины ухудшения здоровья нации. Приоритет государственных интересов над личными
и свойственный, пожалуй, для всей истории России патерналистский тип взаимоотношений государства и личности определили прочно сложившийся характер отношения индивида к своему здоровью: в случае проблем со здоровьем человек полностью полагается на
государственную систему здравоохранения, а при их отсутствии – в очень малой степени
озабочен сохранением своего здоровья.
Забота о здоровье традиционно рассматривалась в советском обществе более как
проблема государства, чем как индивидуальная, личная проблема, поскольку и само здоровье провозглашалось общественным достоянием. Все это способствовало формированию и закреплению патерналистских ориентаций в сфере сохранения и укрепления здоровья. Имея свои преимущества, они порождали типичное для человека советской эпохи
личностно-незаинтересованное отношение к собственному здоровью, весьма низкую активность в его поддержании и укреплении. Отсутствовала и экономическая заинтересованность быть здоровым: даже при достаточно небольшом стаже работы человек имел
право на сохранение 80-100% зарплаты при временной нетрудоспособности, а количество
потерянных им по болезни дней весьма слабо влияло на карьеру, профессиональный статус и т.п. в условиях распределительной экономики.
Развитие с середины 80-х годов новых экономических отношений, прежде всего отход от патерналистских принципов организации социальной жизни, повлекло за собой постепенное изменение ориентаций в отношении собственного здоровья, физического состояния и своего имиджа. Здоровье рассматривается как одна из составляющих профессиональной подготовки специалиста, определяющая его конкурентоспособность. Акцент
в сфере сохранения и укрепления здоровья смещается в настоящее время в сторону личной ответственности человека за свое здоровье. Происходить процессы оздоровления начинают только тогда, когда ценность здоровья и ответственное к нему отношение прочно
занимают ведущее место в общей иерархии ценностных установок личности. А это возможно только в том случае, если формировать у молодежи субъектное отношение к своему здоровью, которое предполагает самостоятельное участие личности в формировании
и развитии своего потенциала здоровья. Эти изменения привлекают внимание к философским и психологическим аспектам проблемы здоровья, которые оказались практически не
разработанными.
Психология здоровья особое внимание уделяет определению цены, которую платит
человек в ситуациях повышенных требований, психических нагрузок и перегрузок. Адаптация студентов к новым условиям происходит ценой большого напряжения отдельных
систем организма. Многие исследователи, опираясь на изучение заболеваемости студентов
с большим объемом выборки, приходят к выводу, что их здоровье в процессе обучения от года к году ухудшается [3;14].
Таким образом, в настоящее время образование для большинства студентов продолжает оставаться здоровьезатратным, а стратегия здоровьесберегающей педагогической
системы высшего профессионального образования на данном этапе развития общества
оказывается малоэффективной. Вуз оказывается не в состоянии обеспечить не только укрепление и развитие, но и сохранение здоровья студентов. Во многих образовательных
106
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2010. № 4(28)
учреждениях применяются такие малодейственные мероприятия по охране и укреплению
здоровья, как лекции и беседы. В ряде образовательных учреждений акцент в сфере сохранения и укрепления здоровья переносится на медицинскую диагностику, оздоровительные, физиотерапевтические и другие лечебные мероприятия. При безусловной ценности и важности этих вариантов медицинской помощи остается неиспользованным оздоровительный потенциал образовательного учреждения.
Образование - это универсальный способ трансляции общественно-исторического
опыта, дар одного поколения другому, всеобщая культурно-историческая форма становления и развития сущностных сил человека, обретения им образа человеческого во времени истории и пространстве культуры. Так вот от того, что мы передаем в дар другому
поколению и как мы это делаем, очень сильно зависит и физическое, и душевное, и духовное здоровье наших воспитанников. Отсюда следует, что профессиональное долголетие будущего специалиста должно закладываться уже на этапе профессиональной подготовки. Вследствие этого здоровье студентов должно рассматриваться как одна из важнейших составляющих профессионального образования и являться предметом целенаправленного формирования и развития.
Необходима программа, предусматривающая целый комплекс мер, который человек
должен осуществлять по отношению к себе, опираясь на необходимые знания и умения.
Сохранение целостности личности, ее здоровья – главный результат успешной реализации
такой программы.
В то же время отмечается, что сегодня основная трудность заключается в разработке
и реализации программ такой работы, так как выбор адекватного подхода к исследованию феноменологии здоровья представляет серьезную теоретико-методологическую проблему. Очень проблематичной при этом является оценка уровня здоровья студентов. Для
решения данной задачи необходимо определиться с понятием «здоровье».
При всей важности этого понятия не так просто дать ему исчерпывающее определение. Существуют десятки концепций, основанных на различном понимании и определении здоровья, которые представлены в работах многих авторов и насчитывают свыше 60
различных вариантов [7]. Это объясняется, с одной стороны, различием исследовательских установок авторов, а с другой - многоаспектностью и противоречивостью самого
феномена человека, многообразием проявлений духовной и материальной жизни людей.
В 1946 году Всемирная организация здравоохранения предложила рассматривать
здоровье как состояние полного физического, социального и душевного благополучия.
Очевидно, что подобное определение является чрезмерно обобщенным и не может быть
использовано в реальной ситуации диагностики здоровья. Оно фиксирует скорее некий
идеал, к которому нужно стремиться.
Здоровье человека закладывается в раннем возрасте и определяется как анатомофизиологическими, возрастно-половыми особенностями растущего организма, так и
влияниями на него условий окружающей среды [12].
По данным известного отечественного ученого, академика РАМН Ю.П.Лисицына,
являющегося признанным авторитетом в области профилактической медицины и санологии, основным фактором, обусловливающим здоровье человека, является образ жизни (5055%). Влияние экологических факторов на здоровье оценивается примерно в 20-22,5%
всех воздействий, 20% составляют биологические (наследственные) факторы, а 10% приходится на долю недостатков и дефектов здравоохранения [10].
В настоящее время, по мнению генерального директора ВОЗ доктора Маргарет Чен,
здоровье необходимо рассматривать в наиболее широком контексте его позитивного воздействия на процесс социального и экономического развития общества в целом, а также в
его зависимости от этого процесса, что дает людям возможность жить полноценной в социальном и экономическом отношении жизнью. В понятие «здоровье» включаются такие
107
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2010. № 4(28)
формы поведения, которые позволяют улучшать нашу жизнь и делать ее более благополучной, достигать высокой степени самореализации [3; 14]. Российская педагогическая
энциклопедия [13] со ссылкой на определение ВОЗ подчеркивает, что «здоровье представляет собой не только биологическую, но и социальную категорию, то есть носит интегративный характер». В настоящее время выделяют здоровье физическое, психологическое и социальное. Проблема здоровья носит выраженный комплексный характер. Тем
самым недопустимо узкое толкование понятия здоровья как чисто медицинской, а тем более соматической категории.
Таким образом, сегодня в понятие «здоровье» вкладывается гораздо более широкий
смысл. На его изучении сосредоточены усилия таких научных дисциплин, как биология и
экология, медицина и психология, кибернетика и педагогика, а также ряда других наук.
Из этого следует, что здоровье – понятие многофакторное, а проблема его сохранения и
развития может быть решена только с позиций комплексного междисциплинарного подхода как к самому понятию «здоровье», так и к человеку как биосоциальной целостности.
Декларируемые определения здоровья достаточно механистичны и формальны.
Наибольшее внимание уделяется биологическим аспектам. Единым для всех является
развитие неспецифической адаптационной реакции с формированием определенных донозологических состояний.
В настоящее время все большее значение приобретает проблема разработки мероприятий активного восстановления функциональных возможностей человека на этапе донозологических нарушений. Поскольку переход от здоровья к болезни не является внезапным, то многие авторы рассматривают болезнь как нарушение взаимоотношений организма со средой, которые могут быть охарактеризованы с учетом процессов адаптации.
Сегодня ни у кого не вызывает сомнений, что многие негативные состояния на грани
нормы и болезни, а также различные расстройства связаны с изменением условий и образа
жизни, т. е. с проблемой адаптации человека [7]. Все факторы окружающей среды и образа жизни человека, вызывающие неспецифические адаптационные реакции организма и
ведущие к снижению его адаптационных возможностей, могут рассматриваться как факторы риска дезадаптации, которые одновременно являются и факторами риска заболеваний, поскольку последние представляют собой следствие нарушения гомеостаза и срыва
адаптационных механизмов. Поэтому способность адаптироваться к изменениям внешней
среды, сохраняя гомеостаз организма в новых условиях, имеет важное значение для предупреждения заболевания, а нарушение процессов адаптации может рассматриваться как
патофизиологическая основа многих болезней [6].
Вероятно, учитывая адаптационные возможности человека, можно не только прогнозировать возможные состояния здоровья, но и планировать осуществление соответствующих профилактических мероприятий. Однако для этого необходимо найти способ
оценки адаптационных возможностей человека, что крайне сложно, поскольку понятие
«адаптация» - одно из самых сложных, но вместе с тем основных в научном исследовании
человека. Именно механизмы адаптации, выработанные в процессе эволюции, обеспечивают возможность существования организма в постоянно изменяющихся условиях среды.
Благодаря процессу адаптации достигается оптимизация функционирования систем организма и сбалансированность в системе «человек-среда» [4; 11;15].
Опыт, накопленный в последние годы космической и полярной медициной, физиологией труда и спорта в отношении оценки состояния здоровья практически здоровых
людей, находящихся в неадекватных условиях среды, позволяет ставить вопрос о развитии новой области знаний на грани между физиологией и патологией – донозологической диагностики. Под донозологической диагностикой следует понимать оценку функционального состояния организма и его адаптационных возможностей в период, когда отсутствуют явные признаки заболеваний. Донозологическая диагностика занимается рас108
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2010. № 4(28)
познаванием состояний, пограничных между нормой и патологией, которые можно назвать донозологическими. В донозологической диагностике важен прогностический подход распознавания самых начальных доклинических изменений.
Очень важно рассматривать процесс адаптации с позиции комплексного подхода к
человеку, поскольку человек адаптируется как целостная структура, что требует одновременного учета как биологических, так и социальных составляющих этого процесса. Данный подход был заложен и обоснован в свое время Б.Г.Ананьевым, который считал, что
к индивидуальности следует подходить как к «интеграции всех свойств человека как индивида, личности и субъекта деятельности…» [4].
Ориентация образования на новый результат требует нового подхода к обеспечению
качества образования, критериям его оценки. Знания, навыки и умения должны быть дополнены и трансформированы в новое качество развитыми способностями, приобретенными
ценностями и готовностью к различным ситуациям изменений.
Следовательно, оценка компетентности должна быть интегральной и включать
не только уровень знаний, но и личностные характеристики будущего специалиста,
отражающие его способность к произвольной саморегуляции, которая обеспечивала бы
осознанность и ответственность как при выполнении учебных заданий, так и при выборе
способов своего поведения и жизненного пути.
С учетом изложенного представляется целесообразным оценку физического, психического и нравственного здоровья проводить не по наличию или отсутствию болезней,
отклонений и недостатков, а в большей степени по присутствию немалого числа определенных положительных качеств и достоинств в структуре личности (коммуникабельность,
оптимизм, высокая работоспособность и др.). В психологическом контексте исследователи трактуют понятие «здоровье» как определенный уровень интегрированности личности
или способность к интеграции (ассимиляции) жизненного опыта.
В настоящее время усилия исследователей направлены на разработку инструментария формирования и оценки здоровья будущего специалиста. При решении данной задачи,
по мнению В.С.Аванесова, «наиболее уместны подходы, основанные на тестовом измерении начальной и конечной подготовленности…» [1, с. 274]. Основная тенденция развития
такого инструментария состоит в постепенном переходе к методам количественной оценки.
Кроме того, выделяются еще две тенденции, позволяющие получать все более достоверную информацию об объекте оценки. Первая из них состоит в использовании не отдельных процедур, а специальных их комплексов, обычно включающих как качественную
оценку, так и количественные измерения различных характеристик индивидуального здоровья. Вторая тенденция связана со стремлением не просто получить в ходе оценки «моментальный снимок» состояния объекта оценки, а понять его генезис, для чего используется последовательный и сопоставимый набор достоверных сведений о нем, получаемый в
ходе специальной процедуры мониторинга.
Данные методологические предпосылки были положены в основу определения содержательных аспектов мониторинга компетентности студентов БГТУ в сфере здоровья,
включающего физкультурный и психологический компоненты, а также ее уровневую
оценку. Прежде всего необходимо оценить, насколько поддаются количественному измерению те или иные показатели сущностных характеристик; тогда уровни психофизической компетентности можно будет строить, опираясь в первую очередь на ее измеряемые
компоненты. Так, физкультурный компонент включает показатели, отражающие физическое развитие, физическую подготовленность и функциональное состояние студента, и
измеряется в баллах, что позволяет получить количественную оценку как по компоненту в
целом, так и по его составляющим.
109
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2010. № 4(28)
Составляющие психологического компонента не в полной мере поддаются количественному выражению и требуют дальнейших эмпирических исследований, но они не менее важны, и их необходимо учитывать. Сопоставление данных мониторинга по отдельным показателям, компонентам в целом, а также их составляющим (как по каждому студенту, так и по группам) на протяжении всего периода обучения позволит получить интересные данные относительно компетентности студентов в сфере здоровья, ее динамики от
курса к курсу.
Таким образом, опираясь на выявленные сущностные характеристики компетентности специалиста в сфере здоровья, можно определить основные уровни, соответствующие
различной степени ее развития. Выделение перечисленных компонентов позволяет оценить не только реальный уровень, но и направления развития компетентности в сфере
здоровья будущего специалиста технического профиля. Применение комплексного подхода, при котором используются показатели, относящиеся к разным системам, дает целостное представление о состоянии индивидуального здоровья студента.
Мониторинг включает в качестве основных блоков входную (в начале обучения), текущую (в процессе обучения) и выходную (в конце обучения) диагностику. В каждый из
этих блоков входят:
- собственно процедуры диагностики компетентности в сфере здоровья;
- групповые и индивидуальные формы работы со студентами по результатам диагностики;
- подготовка материалов по итогам диагностики и собеседований.
К основным задачам, решаемым в процессе мониторинга компетентности в сфере
здоровья, относятся:
- определение стартового уровня развития компетентности;
- выявление индивидуальных (физических и психологических) особенностей студентов, определяющих их потенциал в сфере здоровья;
- сравнение реальных результатов с эталонами и нормами и их содержательная характеристика;
- определение круга индивидуальных проблем студента, которые могут быть решены в процессе его обучения; помощь в выборе наиболее продуктивных путей формирования здоровья с учетом индивидуальности каждого обучающегося;
- разработка индивидуальной программы развивающей и коррекционной работы на
основе индивидуальных особенностей, выявленных проблем и психологических ограничений;
- оценивание результатов принятых мер;
- определение динамики формирования компетентности в сфере здоровья по итогам
диагностики.
Основными принципами мониторинга являются:
- позитивность (предполагает оценку выявляемых особенностей с точки зрения возможного личностного роста);
- комплексность (учет различных проявлений личности и их взаимодействия);
-обратная связь (совместное обсуждение со студентами результатов диагностики).
Для эффективного проведения мониторинга необходимо, чтобы этот процесс был
технологизирован, т. е. представлял собой четкий алгоритм последовательно выполняемых действий. С этой целью автором совместно с кафедрой «Информатика и программное
обеспечение» был разработан комплекс информационных средств, обеспечивающий своевременное получение систематизированных и упорядоченных сведений. Для этого была
использована методология функционального моделирования, а именно метод построения
автоматизированных систем и анализа данных. Данная методология представляет собой
совокупность методов, правил и процедур, предназначенных для построения функцио110
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2010. № 4(28)
нальной модели объекта предметной области (рис. 1, 2). Результатом работы программной
системы является получение отчетов (как по отдельному студенту, так и по группе студентов в целом), а также графическое представление результатов тестирования (как по отдельному пользователю, так и по группе пользователей). Это предоставляет возможность
исследования изменения показателей компетентности в сфере здоровья с течением времени.
Рис.1. Функциональная модель процесса тестирования
Рис. 2. Диаграмма первого уровня функциональной модели
Программно-методическое обеспечение делает мониторинг управляемым,
минимизирует время его проведения, что очень важно при массовых обследованиях.
111
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2010. № 4(28)
Использование в процессе мониторинга сети Интернет позволяет проводить удаленное
тестирование и значительно упрощает его проведение.
Таблица
Структура и содержание мониторинга компетентности студентов БГТУ в сфере здоровья
Компонент
Физкультурный
Сущностные характеристики компонента
1. Физическая подготовленность
• Мужчины:
- бег 100 м (скоростно-силовая
подготовленность);
- подтягивание на перекладине (силовая
подготовленность);
- бег 3000 м (общая выносливость).
• Женщины:
- бег 100 м (скоростно-силовая
подготовленность);
- поднимание (сед) и опускание туловища
из положения лежа, ноги закреплены, руки за
головой (силовая подготовленность);
- бег 2000 м (общая выносливость)
2. Физическое развитие:
- индекс Кетле (ИК);
- индекс Пинье (ИП);
- экскурсия грудной клетки (ЭГК)
3. Функциональное состояние:
- ЧСС в покое;
- уровень развития системы аэробного
энергообеспечения;
- проба с приседаниями;
- адаптационный потенциал
1. Структура темперамента
2. Уровень здоровья
3. Интернальный уровень субъективного
контроля (УСК)
4. Уровень реактивной и личностной
тревожности
Психологический
5. Рефлексия телесного потенциала
6. Мотивация достижения
7. Мотивация к успеху
8. Ценностные ориентации
9. Характер
10. Уровень общей самооценки
112
Возможность измерения
характеристики
5-балльная оценка
5-балльная оценка
Метод пульсометрии.
Тест Купера (12 мин).
Методика Янкелевича (1975).
Методика Р.М.Баевского
(1988)
Анкета «Оценка темперамента»
Анкета самооценки состояния
здоровья (по В. П. Войтенко)
Тест УСК
Методика самооценки уровня
реактивной
и
личностной
тревожности
Ч.Д.СпилбергаЮ.Л.Ханина
Анкета
саморефлексии
телесного потенциала
Опросник
мотивации
достижения
(модификация
А.Мехрабиана)
Методика мотивации к успеху
(Т. Элерс)
Методика
изучения
ценностных ориентаций (А.Н.
Николаева)
Тест акцентуаций характера
Шкала
самооценки
(по
М.Розенбергу)
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2010. № 4(28)
Таким образом, разработанная комплексная система мониторинга компетентности
студентов в сфере здоровья позволяет:
- осуществлять мониторинг компетентности студентов БГТУ в сфере здоровья (в
целом, по отдельному студенту, по группам), а также графически представлять
результаты тестирования;
- выявлять группы студентов, характеризующиеся различным уровнем здоровья
(здоров, группа риска, нездоров) и требующие соответственно различных решений и
подходов при дальнейшем обучении в вузе;
- с помощью оперативной информации, обеспечивающей систематическое
отслеживание изменений, максимально ориентироваться на личностные особенности
занимающихся;
- не только выявлять негативные отклонения в состоянии здоровья студенческой
молодежи, но и прогнозировать его развитие;
- определять качественное состояние физкультурного образования, эффективность и
рациональность применения физических упражнений и их комплексов, адекватность их
объема и интенсивности в каждом конкретном случае;
- на основе информации, имеющей не усредненный, а индивидуально-личностный
характер, принимать адекватные управленческие решения относительно средств, методов
и форм, использующихся в образовательно-воспитательном процессе;
- минимизировать время получения и обработки результатов тестирования и тем
самым повысить эффективность образовательного процесса в направлении формирования
компетентности студентов в сфере здоровья;
- открыть сознанию личности возможно более широкое представление об
аксиологических аспектах здоровья и создать предпосылки для формирования у студента
готовности к коррекции и принятию здорового стиля жизни.
Психолого-педагогическая интерпретация мониторинговой информации дает
возможность формировать компетентность студентов в сфере здоровья как целостное
медико-психолого-педагогическое явление, осуществлять целевое планирование учебного
процесса и реализовывать личностно-ориентированное обучение, а также изменять,
корректировать и совершенствовать педагогический процесс на другой качественной
основе.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Аванесов, В.С. Методологические и теоретические основы тестового педагогического контроля: дис. ...
д-ра пед. наук / В.С. Аванесов. – М., 1994. – 339с.
2. Авдеева, Н.Н. Здоровье как ценность и предмет научного знания / Н.Н. Авдеева, И.И. Ашмарин,
Г.Б.Степанова // Мир психологии. - 2000. - № 1. - C. 68-75.
3. Агаджанян, Н. А. Интегративная антропология и экология человека: области взаимодействия (очерки) /
Н. А. Агаджанян, Б. А. Никитюк, И. Н. Полунин. - М.; Астрахань, 1995. - 134 с.
4. Ананьев, Б. Г. Человек как предмет познания / Б. Г. Ананьев. – 3-е изд.– СПб.: Питер, 2001. – 288 с.
5. Байер, К. Здоровый образ жизни / К. Байер. - М.: Мир, 1997. - 368с.
6. Березин, Ф.Б. Психическая и психофизиологическая адаптация человека / Ф.Б.Березин. - Л., 1988. –
С.13-21.
7. Виленский, М.Я. Физическая культура и здоровый образ жизни студента / М.Я Виленский. – М.:
Гардарики, 2007. - 218 с.
8. Кабанов, М. М. Медицина и психология / М. М. Кабанов // Вести АМН СССР. - 1979. - № 5. - С. 45-51.
9. Кобяков, Ю.П. Проектирование и реализация здоровьеразвивающей технологии физического воспитания
студентов вузов: автореф. дис…. д-ра пед. наук / Ю.П. Кобяков. – М., 2006 . - 40 с.
10. Лисицын, Ю.П. Общественное здоровье и здравоохранение: учебник / Ю.П. Лисицын. – М.: ГЭОТАРМедиа, 2009. – 512с.
11. Марков, Б.В. Философская антропология: учеб. пособие для вузов / Б.В. Марков. – СПб.: Питер, 2008. 352с.
113
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2010. № 4(28)
12. Серова, Н.Б. Повышение резерва здоровья учащихся младших классов средствами физической культуры:
автореф. дис…. канд.пед. наук / Н.Б Серова. – Челябинск, 2000. - 25 с.
13. Российская педагогическая энциклопедия. В 2 т. Т. 1 / гл. ред. В.В. Давыдов. - М.: БРЭ, 1993.- 608 с.
14. Чермит, К.Д. Теория и методика физической культуры: опорные схемы: учеб. пособие / К.Д. Чермит. –
М.: Советский спорт, 2005. - 272с.
15. Rosen, R. Organisms as causal systems which are not mechanisms / R. Rosen // Theoretical Biology and
Complexity. - 1985. - P. 165-203.
16. Теория и практика реализации компетентностного подхода в строительном образовании: учеб. пособие /
под ред. А.Д.Ишкова. – М.: Архитектура-С, 2009. – 156с.
17. Гундаров, И. А. Актуальные вопросы практической валеологии : диагностика, средства и практика
обеспечения здоровья / И. А. Гундаров, В. А. Полесский // Валеология. - СПб., 1993. - С. 25-32.
Материал поступил в редколлегию 13.09.10.
114
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2010. № 4(28)
ЕСТЕСТВЕННЫЕ НАУКИ
УДК 534.1
В.Е. Холодовский, И.О. Мачихина, Е.А. Кульченков
ПОПРАВКА НА ЭЛЕКТРОННЫЙ ВКЛАД В ТЕПЛОЕМКОСТЬ МЕТАЛЛОВ
В МОДЕЛИ ВАН-ДЕР-ВААЛЬСОВСКИХ ВЗАИМОДЕЙСТВИЙ
Получены выражения для температурных зависимостей энергии и теплоемкости теплового движения центров зарядов внешних электронных оболочек атомов металлов с ОЦК и ГЦК решетками с учетом одного
вариационного параметра, названного эффективным радиусом атома.
Ключевые слова: динамическая модель, диполь, кристаллическая решетка, электронный вклад, кулоновская
сила, дипольный момент, теплоемкость.
Как известно из классической теории [1;2], электронный вклад в теплоемкость металлов при низких температурах выражается формулой
π 2 Nk B
(1)
T = γT ,
С el =
2TF
где T – абсолютная температура; TF – температура Ферми; N – число электронов электронного газа; γ =
π 2 Nk B
– удельная электронная теплоемкость.
2TF
Сравнение результатов расчета удельной электронной теплоемкости по формуле (1)
с экспериментальными данными показывает значительное их расхождение. Так, для Li
экспериментальное и расчетное значения удельной электронной теплоемкости соответственно равны 1,63 и 0,749 (мДж/моль∙К2) [1;2], т.е. экспериментальное значение более чем
в два раза превышает расчетное. Подобное несоответствие характерно и для ряда других
металлов с ОЦК и ГЦК решетками.
Согласно современным представлениям, электроны в металлах не являются полностью свободными, а адиабатически связаны с соответствующими ионными остовами. Такая связь обеспечивает создание дипольных моментов внутри атомов и осуществление
химической связи ван-дер-ваальсовского типа. Построена динамическая модель, описывающая колебания моноатомных кубических кристаллических решеток при силовом
взаимодействии между отдельными атомами, имеющем ван-дер-ваальсовский характер
[4–7]. Считается, что относительное перемещение остовов двух соседних атомов приводит
к изменению положения центров зарядов их внешних электронных оболочек (в.э.о.), в результате чего возникает внутриатомный диполь. Таким образом, движение атомов кристалла распадается на две составляющие: тепловое движение остовов атомов и тепловое
движение центров зарядов их в.э.о. Очевидно, что в классической модели динамики электронного газа в металлах никак не учитывается упорядоченное тепловое движение центров зарядов в.э.о. атомов решетки.
В настоящей работе на основе уравнения термодинамического равновесия рассчитаны энергия, теплоемкость и импульс теплового движения центров зарядов в.э.о. атомов
металлов с ОЦК и ГЦК решетками. Показано, что при определенном значении вариационного параметра rэф (таблица) можно получить поправку к теоретическим данным, учет
которой обеспечит наилучшее приближение к экспериментальным данным.
Расчет энергии колебаний центров зарядов в.э.о. атомов. Следуя принятым обозначениям [3–6], занумеруем атомы кристалла при помощи мультииндекса
ξ = (i, j, k ) ∈ Λ , i, j, k ∈ (1,...,2n ) , где Λ – множество допустимых значений мультииндекса.
115
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2010. № 4(28)
Как уже отмечалось, в процессе колебаний атомов металлов в каждом из них наводится
внутриатомный диполь, одним из полюсов которого является остов атома, а другим –

центр заряда его в.э.о. Обозначим через pξ плечо дипольного момента атома Aξ , наведенного за счет его перемещения относительно соседних атомов.

На внутриатомный диполь атома Aξ действует кулоновская сила Qξ , вызванная излучением остальных атомов решетки, в результате чего плечо дипольного момента атома

Aξ получает некоторое приращение ∆pξ и становится равным



Pξ = pξ + ∆pξ .
(2)
Наведенный дополнительный дипольный момент создает частичную экранизацию

силы Qξ . С учетом этой экранизации внешняя сила, действующая на остов атома, становится равной



Fξ = Qξ − βΔp ξ /α ,
где β = q 2 / 4πε 0 ; α =
3a 3
− поляризуемость атома; a – параметр решетки; q – эффектив8π
ный заряд диполя.

В первом приближении сила реакции Rξ на излучение внутриатомного диполя, приложенная к обоим его полюсам и имеющая на них противоположные направления, пропорциональна плечу диполя и равна [3]

2β 
Rξ = − 3 Pξ ,
3rэф
где rэф – радиус сферы, поток энергии излучения внутриатомного диполя через которую
считается равным работе силы реакции за единицу времени.
В состоянии термодинамического равновесия на любом временном промежутке
средняя энергия, поглощаемая атомом, совпадает со средней энергией, излучаемой им.
Данное условие будет выполнено, если считать, что внешняя, частично экранированная
кулоновская сила уравновешивается силой реакции, т.е.




2β
2β 
(3)
Fξ + Rξ = Qξ − 3 pξ − ( β / α + 3 )∆pξ = 0 .
3rэф
3rэф
При термодинамическом равновесии уравнение движения остова атома Aξ принимает вид [4;5]

β 
µ o uξ = − pξ ,
(4)
α

где µ o – масса остова; uξ (t ) – вектор его смещения из положения равновесия в момент

времени t . Решение этого уравнения uξ (t ) представляется в виде суперпозиции отдель
ных колебательных мод, определяемых волновым вектором K , область допустимых значений которого обусловливается требованием цикличности границ. Каждая колебательная
мода может быть представлена стоячей волной следующего вида:



uξ , K ,m (t ) = AK ,m g K ,m sin(ω K ,m t + ϕ K ,m ) sin( Krξ + ψ K ,m ), m = 1,2,3 ,


где rξ – радиус-вектор узла Pξ ; ω K ,m , g K ,m и AK ,m – частота, единичный вектор поляризации и амплитуда одной из трех колебательных мод, определяемых волновым вектором

K . Условие равенства энергии одной колебательной моды энергии квантового гармони-
116
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2010. № 4(28)
ческого осциллятора той же частоты ω K ,m определяет величину AK ,m согласно формуле
[6]
AK2 ,m =
4
µ oω K ,m N l (e
ω K , m / kT
− 1)
,
(5)
где N l – число атомов в решетке.

Введем сокращенное обозначение, полагая что Bξ , K ,m = AK ,m sin( Krξ + ψ K ,m ) . Тогда
решение уравнения (4) может быть записано так:


uξ (t ) = ∑
g K ,m Bξ , K ,m sin(ω K ,m t + ϕ K ,m ) .

(6)
K ,m
При этом, как следует из уравнения (4), справедливо равенство
αµ o


2
g
B  sin(ω K ,m t + ϕ K ,m ) .
pξ (t ) =
ω
∑
K ,m ξ , K ,m
K
m
,

β
(7)
K ,m

Кулоновская сила Qξξ ′ , действующая на остов атома Aξ со стороны диполя, наведенного в атоме Aξ ′ , как известно, выражается формулой

 


β
Qξξ ′ = 3 (3 < Pξ ′ , eξξ ′ > eξξ ′ − Pξ ′ ) ,
rξξ ′

где eξξ ′ – единичный вектор, указывающий направление от узла атома Aξ к узлу атома
Aξ ′ ; rξξ ′ – расстояние между этими узлами; скобки < > обозначают скалярное произведение векторов.

Тогда кулоновская сила Qξ , действующая на остов атома Aξ со стороны всех остальных атомов решетки, определяется формулой
l

 


β
(8)
Qξ = ∑ 3 ∑ [3 < Pξ ′ , eξξ ′ > eξξ ′ − Pξ ′ ] ,
r
′
i =1 i ξ ∈Si (ξ )

где внутренняя сумма выражает составляющую силы Qξ со стороны i -й координацион-
ной сферы, ri – соответствующее расстояние, а внешнее суммирование ведется по всем
координационным сферам атома Aξ .
С учетом равенства (2) формула (8) может быть записана так:
l
l

 


 


β
β
(9)
Qξ = ∑ 3 ∑ [3 < pξ ′ , eξξ ′ > eξξ ′ − pξ ′ ] + ∑ 3 ∑ [3 < ∆pξ ′ , eξξ ′ > eξξ ′ − ∆pξ ′ ] .
i =1 ri ξ ′∈Si (ξ )
i =1 ri ξ ′∈Si (ξ )


Обозначим слагаемые в правой части равенства (9) соответственно qξ и ∆qξ . Тогда с

учетом равенства (7) qξ представляется в виде
l





1
2
 t +ϕ  )
ω
ω
sin(
(3 < g K ,m , eξξ ′ > eξξ ′ − g K ,m ) Bξ ′, K ,m .
q ξ = αµ o ∑
∑
K ,m
K ,m
K ,m ∑ 3

i =1 ri ξ ′∈Si (ξ )
K ,m
Рассмотрим сумму
l





1
f K ,m = ∑ 3 ∑ (3 < g K ,m , eξξ ′ > eξξ ′ − g K ,m ) Bξ ′, K ,m .
i =1 ri ξ ′∈Si (ξ )
Непосредственной проверкой нетрудно показать, что справедливо равенство
l

 




1
f K ,m = Bξ , K ,m ∑ 3 ∑ (3 < g K ,m , eξξ ′ > eξξ ′ − g K ,m ) cos( K∆rξξ ′ ) ,
i =1 ri ξ ′∈Si (ξ )
117
(10)
(11)
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2010. № 4(28)

где ∆rξξ ′ – вектор сдвига от узла атома Aξ к узлу атома Aξ ′ .
Сумма в правой части равенства (11) представляет собой линейную операцию над

вектором g K ,m , матрицу которой мы обозначим через Hˆ K ,m . Тогда равенство (11) может
быть переписано в виде


f K ,m = Bξ , K ,m Hˆ K ,m g K ,m ,
а равенство (10) представляется так:


ω K2 ,m Hˆ K ,m g K ,m sin(ω K ,m t + ϕ K ,m ) Bξ , K ,m .
qξ = αµ o ∑

(12)
(13)
K ,m
Возвращаясь к равенству (3), перепишем его в виде



2β
2β 
qξ − 3 pξ = ( β / α + 3 )∆pξ − ∆qξ .
3rэф
3rэф
(14)
Согласно равенствам (7) и (13), левая часть равенства (14) выражается формулой


2β 
2
(15)
[ω K2 ,m ( Hˆ K ,m + 3 Eˆ ) g K ,m ] sin(ω K ,m t + ϕ K ,m )Bξ , K ,m ,
qξ − 3 pξ = αµ o ∑

3rэф
3rэф
K ,m
где Ê – единичная матрица, и представляет собой линейную комбинацию стоячих волн
sin(ω K ,m t + ϕ K ,m ) Bξ , K ,m
с векторными коэффициентами. Следовательно, равенство (14) может быть выполнено
только в том случае, когда и его правая часть есть та же самая линейная комбинация указанных стоячих волн. В свою очередь, это условие может быть выполнено лишь тогда, когда вектор-функция ∆pξ (t ) является некоторой линейной комбинацией данных стоячих
волн, т.е. справедливо равенство



(16)
∆
∆pξ (t ) = ∑
d
sin(ω K ,m t + ϕ K ,m ) Bξ , K ,m ,
K ,m

K ,m


где ∆d K ,m (как и g K ,m ) – безразмерный вектор, указывающий направление поляризации
соответствующей стоячей волны.

Рассматривая второе слагаемое ∆qξ в правой части формулы (9) и учитывая равенство (12), приходим к равенству


ˆ  ∆d  sin(ω  t + ϕ  )B  .
(17)
H
∆qξ (t ) = β ∑
K ,m
K ,m
K ,m
K ,m
ξ , K ,m

K ,m
Согласно равенствам (16) и (17), правая часть равенства (14) принимает вид



2β
2
1 ˆ ˆ
 ] sin(ω  t + ϕ  )B  .(18)
( β / α + 3 )∆pξ − ∆qξ = β ∑
[((
+
)
E
−
H
)
∆
d
,
ξ , K ,m
K
m
K ,m
K ,m
K ,m
3

α
3rэф
3rэф
K ,m
Формулы (15) и (18) показывают, что равенство (14) возможно лишь тогда, когда
совпадают соответствующие векторные коэффициенты в суммах, т.е.


2
2
1
(19)
αµ oω K2 ,m ( Hˆ K ,m + 3 Eˆ ) g K ,m = β (( 3 + ) Eˆ − Hˆ K ,m )∆d K ,m .
3rэф
3rэф α
2
1
Пусть Gˆ K ,m – матрица, обратная матрице ( 3 + ) Eˆ − Hˆ K ,m . Умножая обе части
3rэф α
равенства (19) на матрицу Gˆ K ,m , получим

αµ oω K2 ,m

2

Gˆ K ,m ( Hˆ K ,m + 3 Eˆ ) g K ,m .
∆d K ,m =
β
3rэф
118
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2010. № 4(28)

Обозначим через vξ смещение из положения равновесия центра заряда в.э.о. атома



Aξ в некоторый момент времени. Тогда справедливо равенство Pξ = u ξ − vξ , откуда



vξ = u ξ − Pξ .
Учитывая формулы (2,6,7,16), получаем

αµ oω K2 ,m 





(20)
−
−
∆
[(
1
)
vξ = ∑
g
d
K , m ] sin(ω K , m t + ϕ K , m ) Bξ , K , m .
,
K
m

β
K ,m
Положим, что


αµ oω K2 ,m 

d K ,m =
g K ,m + ∆d K ,m . Тогда, как нетрудно проверить, спра-
β
ведливо равенство

αµ oω K2 ,m 4

1

d K ,m =
( 3 + )Gˆ K ,m g K ,m .
β
3rэф α
Формула (20) представляет колебание центра заряда в.э.о. атома Aξ в виде наложения стоячих волн соответствующих частот с векторными амплитудами, выражаемыми
следующим образом:




hK ,m = ( g K ,m − d K ,m ) Bξ , K ,m = a K ,m Bξ , K ,m .
Как известно, энергия такого колебания задается формулой

µ eω K2 ,m a K2 ,m 2
e
Eξ = ∑
Bξ , K ,m ,
2
K ,m
(21)
где µ e – эффективная масса минусового полюса внутриатомного диполя.
Суммируя Eξe по всем атомам решетки, приходим к выражению для полной энергии
центров зарядов в.э.о. атомов кристалла:

µ eω K2 ,m a K2 ,m 2
e
(22)
E =∑∑
Bξ , K ,m .

2
ξ K ,m
Известно [6], что справедливо равенство

2
sin
(
rξ + ψ K ,m ) = N l / 2 .
K
∑
(23)
ξ
Меняя в правой части равенства (22) порядок суммирования и учитывая формулы
(5) и (23), приходим к равенству


2  2
2
 (g 
 )2
ω
ω
a
A
d
−
µ

K ,m K ,m K ,m
K ,m
K ,m
K ,m
e
e
.
(24)
E = µe Nl ∑
=
∑
ω  / kT

µ o K ,m
4
e K ,m
−1
K ,m

Задача вычисления координат единичного вектора поляризации g K ,m сводится к решению однородной системы трех уравнений следующего вида [3]:
 c x g x − bz g y − b y g z = γg x ;

− bz g x + c y g y − bx g z = γg y ;
 − b g − b g + c g = γg ,
x y
z z
z
 y x
(25)
где c x + c y + c z = 0 , γ = σ 0 − µω 2 . Выражения для коэффициентов системы (25) в случае
ОЦК и ГЦК решеток приводятся в литературных источниках [5;6].
119
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2010. № 4(28)
В настоящей работе при расчете матрицы Hˆ K ,m проводилось суммирование до шестой координационной сферы, т.е. при l = 6 . При этом задача вычисления координат век
тора d K ,m свелась к решению системы уравнений вида

µ oαω K2 ,m x
 p x d Kx ,m + f z d Ky ,m + f y d Kz ,m =
g K ,m ;
β


µ oαω K2 ,m y

y
x
z
g K ,m ;
 f z d K ,m + p y d K ,m + f x d K ,m =
β


µ oαω K2 ,m z
y
z
x
g K ,m ,
 f y d K ,m + f x d K ,m + p z d K ,m =
β

(26)
коэффициенты которой совпадают с соответствующими коэффициентами матрицы
3
2α + 3rэф
3
4α + 3rэф
Eˆ −
3
3αrэф
3
4α + 3rэф
Hˆ K ,m .
В условии цикличности границ волновой вектор выражается через целочисленные
координаты k x , k y , k z согласно формуле
 2π



K=
(k x e x + k y e y + k z e z ) ,
na
3
где n – число элементарных кубических ячеек в решетке, имеющей форму куба. В случае
ОЦК решетки k x , k y , k z = 0,…,n−1, а в случае ГЦК решетки k x = −n + 1,..., n , k y = 0,..., n − 1 ,
n
n −1
],..., [ ] [3].
2
2
Коэффициенты систем (25) и (26) представляются как функции переменных ξ ,η , ζ ,
определяемых следующими равенствами: ξ = πk x / n; η = πk y / n; ζ = πk z / n . Следова-
тогда как k z = −[
тельно, решения этих систем представляются как наборы функций ω m (ξ ,η , ζ ) и вектор

функции g m (ξ ,η , ζ ) и d m (ξ ,η , ζ ) , где m = 1,2,3 . В случае ОЦК решетки ( ξ ,η , ζ ) есть точка куба Π = [0, π ] × [0, π ] × [0, π ] , на которую приходится объем dV = π 3 / n 3 . В случае ГЦК
решетки точка ( ξ ,η , ζ ) пробегает параллелепипед Π = [−π , π ] × [0, π ] × [−π / 2, π / 2] и забирает на себя объем dV = π 3 / n 3 . Заменяя в формуле (24) операцию суммирования операцией интегрирования и переходя к циклической частоте, получим выражения для электронного вклада в энергию одного моля вещества в случае ОЦК и ГЦК решеток соответственно:
µ hN
E e = e 3a
µ oπ
∫∫∫{
П

2

ν1 (ξ ,η , ζ ) g 1 (ξ ,η , ζ ) − d 1 (ξ ,η , ζ )
(e hν 1 (ξ ,η ,ζ ) / kT − 1)
+
120
+

2

ν 2 (ξ ,η , ζ ) g 2 (ξ ,η , ζ ) − d 2 (ξ ,η , ζ )
(e hν 2 (ξ ,η ,ζ ) / kT − 1)

2

ν3 (ξ ,η , ζ ) g 3 (ξ ,η , ζ ) − d 3 (ξ ,η , ζ )
(e hν 3 (ξ ,η ,ζ ) / kT − 1)
+
(27)
}dV ;
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2010. № 4(28)
Ee =
µ e hN a
2µ o π 3
∫∫∫{
П

2

ν1 (ξ ,η , ζ ) g 1 (ξ ,η , ζ ) − d 1 (ξ ,η , ζ )
(e hν 1 (ξ ,η ,ζ ) / kT − 1)
+
+

2

ν 2 (ξ ,η , ζ ) g 2 (ξ ,η , ζ ) − d 2 (ξ ,η , ζ )
(e hν 2 (ξ ,η ,ζ ) / kT − 1)

2

ν 3 (ξ ,η , ζ ) g 3 (ξ ,η , ζ ) − d 3 (ξ ,η , ζ )
(e hν 3 (ξ ,η ,ζ ) / kT − 1)
+
(28)
}dV .
Дифференцируя выражения (27) и (28) по температуре, приходим к формулам для
электронного вклада в теплоемкость в случае ОЦК и ГЦК решеток соответственно:

2

2
e 
2
ν
g
d
e hν 1 (ξ ,η ,ζ ) / kT
(
,
,
)
(
,
,
)
(
,
,
)
−
ξ
η
ζ
ξ
η
ζ
ξ
η
ζ

∂E
1
1
1
µe h N a
e


{
=
+
Cv =
hν 1 (ξ ,η ,ζ ) / kT
3
2 ∫∫∫
2
 ∂T 
kT
µ
π
e
(
1
)
−
o
П
v


2

ν 22 (ξ ,η , ζ ) g 2 (ξ ,η , ζ ) − d 2 (ξ ,η , ζ ) e hν 2 (ξ ,η ,ζ ) / kT
+
+
(e hν 2 (ξ ,η ,ζ ) / kT − 1) 2

2

ν32 (ξ ,η , ζ ) g 3 (ξ ,η , ζ ) − d 3 (ξ ,η , ζ ) e hν 3 (ξ ,η ,ζ ) / kT
+
}dV ;
(e hν 3 (ξ ,η ,ζ ) / kT − 1) 2

2

e 
2
ν12 (ξ ,η , ζ ) g1 (ξ ,η , ζ ) − d1 (ξ ,η , ζ ) e hν 1 (ξ ,η ,ζ ) / kT

∂
E
µ
h
N
a
 = e
+
C ve = 
{
hν 1 (ξ ,η ,ζ ) / kT
3
2 ∫∫∫
2
 ∂T 
µ
π
kT
2
−
e
(
1
)
o
П

v

2

ν 22 (ξ ,η , ζ ) g 2 (ξ ,η , ζ ) − d 2 (ξ ,η , ζ ) e hν 2 (ξ ,η ,ζ ) / kT
+
+
(e hν 2 (ξ ,η ,ζ ) / kT − 1) 2

2

ν32 (ξ ,η , ζ ) g 3 (ξ ,η , ζ ) − d 3 (ξ ,η , ζ ) e hν 3 (ξ ,η ,ζ ) / kT
+
}dV .
(e hν 3 (ξ ,η ,ζ ) / kT − 1) 2
Используя формулы (27) и (28) для энергии колебательной моды центра заряда в.э.о.
атома, получим выражения для среднего импульса электрона, находящегося на в.э.о., в
случае ОЦК и ГЦК решеток соответственно:


2
2


ν1 (ξ ,η , ζ ) g1 (ξ ,η , ζ ) − d1 (ξ ,η , ζ )
ν 2 (ξ ,η , ζ ) g 2 (ξ ,η , ζ ) − d 2 (ξ ,η , ζ )
m
h
µ
+
+
p e = { e e3 ∫∫∫{
µ oπ П
(e hν 1 (ξ ,η ,ζ ) / kT − 1)
(e hν 2 (ξ ,η ,ζ ) / kT − 1)

2

ν3 (ξ ,η , ζ ) g 3 (ξ ,η , ζ ) − d 3 (ξ ,η , ζ )
+
}dV }1 / 2 ;
hν 3 (ξ ,η ,ζ ) / kT
− 1)
(e


2
2


ν1 (ξ ,η , ζ ) g1 (ξ ,η , ζ ) − d1 (ξ ,η , ζ )
ν 2 (ξ ,η , ζ ) g 2 (ξ ,η , ζ ) − d 2 (ξ ,η , ζ )
m
h
µ
+
+
p e = { e e 3 ∫∫∫{
2µ oπ П
(e hν 1 (ξ ,η ,ζ ) / kT − 1)
(e hν 2 (ξ ,η ,ζ ) / kT − 1)

2

ν3 (ξ ,η , ζ ) g 3 (ξ ,η , ζ ) − d 3 (ξ ,η , ζ )
}dV }1 / 2 ,
+
hν 3 (ξ ,η ,ζ ) / kT
(e
− 1)
где me – масса электрона.
121
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2010. № 4(28)
Удельная электронная теплоемкость и эффективный радиус для Na и Al
Химический
элемент
Температура
T, K
Таблица
Удельная
электронная
теплоемкость
металла
γ расч ,
мДж/моль∙К2
Удельная электронная теплоемкость металла
с учетом поправки γ расч ,
мДж/моль∙К2
Удельная
электронная
теплоемкость
металла
γ эксп ,
мДж/моль∙К2
Эффективный
радиус rэф ,
10 −10 м
Na
78
1,094
1,37
1,38
5a / 11
Al
298
0,912
1,345
1,35
2a / 5
На рис. 1–6 приведены температурные зависимости электронного вклада в энергию
и теплоемкость, а также среднего импульса электронов на в.э.о. для Na и Al при 78 K и
298 К соответственно [4].
E e ×1019 , эВ
E e × 1019 , эВ
4
30
3
20
2
10
1
0
0
0
100
200
T, K
300
0
С ve ,
Дж
К ⋅ моль
200
T , K 300
Рис. 2. Температурная зависимость
электронного вклада в энергию для Al
Рис. 1. Температурная зависимость
электронного вклада в энергию для Na
Сve ,
100
Дж
К ⋅ моль
0,15
0,03
0,1
0,02
0,05
0,01
0
0
100
200
T, K
0
300
0
100
200
T, K
300
Рис. 4. Температурная зависимость
электронного вклада в теплоемкость
для Al
Рис. 3. Температурная зависимость
электронного вклада в теплоемкость
для Na
122
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2010. № 4(28)
p e × 10 −27 , Н ⋅ с
p e × 10 −27 , Н ⋅ с
8
3
6
2
4
1
2
0
0
0
100
200
T, K
300
0
100
200
T, K
300
Рис. 6. Температурная зависимость
среднего импульса электронов на
в.э.о. для Al
Рис. 5. Температурная зависимость
среднего импульса электронов на
в.э.о. для Na
Итак, получены выражения для температурных зависимостей энергии, теплоемкости
теплового движения центров зарядов внешних электронных оболочек атомов, а также
среднего импульса электронов на в.э.о. атомов металлов с ОЦК и ГЦК решетками. Соответствующие величины рассчитывались в зависимости от одного вариационного параметра, названного эффективным радиусом атома, значения которого определялись таким образом, чтобы поправка к теоретическим данным по электронной теплоемкости металлов
обеспечивала наилучшее приближение к экспериментальным данным.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Киттель, Ч. Введение в физику твердого тела / Ч. Киттель. – М.: Наука, 1978. – 792 с.
2. Ашкрофт, Н. Физика твердого тела: в 2 т. / Н. Ашкрофт, Н. Мермин. – М., 1975.
3. Холодовский, В.Е. Поток энергии и сила реакции на излучение подвижного диполя / В.Е. Холодовский,
И.О. Сергеева // Вестн. БГУ. Серия «Естественные и точные науки». – 2005. – Вып.12. – №4. – С. 266–
268.
4. Холодовский, В.Е. Дисперсионные соотношения для кубических кристаллических решеток в модели
диполь-дипольных взаимодействий / В.Е. Холодовский, И.О. Мачихина, Е.А. Кульченков // Вестн.
ЮУрГУ. Серия «Математика, физика, химия». – 2009. – Вып.12. – №10. – С. 92–99.
5. Холодовский, В.Е. Принцип длинных волн и фононные спектры кубических кристаллических решеток /
В.Е. Холодовский, И.О. Мачихина //Вестн. ЮУрГУ. Серия «Математика. Механика. Физика». – 2009. –
Вып.1. – №22. – С. 97–104.
6. Холодовский, В.Е. Расчет теплоемкости и среднеквадратичных смещений по фононным спектрам для
кристаллов с ОЦК и ГЦК решеткой / В.Е. Холодовский, И.О. Мачихина, Е.А. Кульченков // Вестн.
ЮУрГУ. Серия «Математика. Механика. Физика». – 2010.– Вып.2. – №9. – С. 101–109.
Материал поступил в редколлегию 29.09.10.
123
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2010. № 4(28)
ОБЩЕСТВЕННЫЕ НАУКИ
УДК 930
Л.И. Афонина, Ю.Т. Трифанков, В.В. Дзюбан
ИССЛЕДОВАНИЕ ПАТЕРНАЛИСТСКОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ
В МАЛЬЦОВСКОМ ПРОМЫШЛЕННОМ ОКРУГЕ
Рассмотрена и проанализирована патерналистская политика управления в Мальцовском промышленном
округе во второй половине XIX века.
Ключевые слова: С.И. Мальцов, патернализм, Мальцовский округ, промышленные предприятия, социальная
политика, условия труда.
Российское общество в настоящий момент характеризуется изменением институциональной структуры. Происходит отмирание, уход в прошлое прежних моделей социального взаимодействия, на смену им приходят новые. Характерной особенностью российской цивилизации на разных исторических этапах можно назвать политику
патернализма 1.
При переходе от одного исторического этапа к другому менялись типы патернализма, и вплоть до завершения советского этапа он лишь развивался, укреплялся до максимально возможного уровня. По мнению С.Г. Кара-Мурзы, известного советского и российского ученого, «без государственного патернализма не может существовать никакое
общество – государство и возникло как система, обязанная наделять всех подданных или
граждан некоторыми благами на уравнительной основе. Государственный патернализм –
это и есть основание социального государства, каковым называет себя Российская Федерация» [1]. Следует отметить, что государственная система, в которой присутствовал патернализм, применялась во многих странах.
Рассмотрение патернализма как особой характеристики российской цивилизации в
сфере труда предполагает обращение к его социально-организационным проявлениям не
только со стороны государства, но и со стороны собственников [2, с. 461-467], поэтому
изучение истории данного вопроса, его положительных и отрицательных сторон в настоящее время является одной из приоритетных областей социально-экономической истории. В связи с этим в последнее время интересным представляется опыт династии Мальцовых, и в частности С.И. Мальцова как самого яркого представителя фамилии в плане
достигнутых результатов в деле индустриализации страны на протяжении XIX века.
Мальцовский промышленный округ располагался в трех губерниях: северной части
Брянского уезда Орловской губернии, средней и южной частях Жиздринского уезда Калужской губернии и восточной части Рославльского уезда Смоленской губернии [3, с.
508-510]. Там сложилась специфическая для России того времени культура производства
и жизнедеятельности, выражавшаяся как в чисто производственно-экономических характеристиках (хорошая техническая оснащенность, рентабельность производства, разнооб1
Патернализм (от лат. paternus – отцовский, pater - отец), покровительство, опека старшего по отношению к
младшим, подопечным. В развитых зарубежных государствах патернализмом в трудовых отношениях называют систему дополнительных льгот и выплат на предприятиях за счет предпринимателей. Направлен на
закрепление кадров, на смягчение трудовых конфликтов. В международных отношениях термин «патернализм» использовался для обозначения опеки крупных держав над более слабыми государствами, колониями,
подопечными территориями. В отношениях внутри государства – 1) покровительственное отношение государства к своим гражданам; 2) убеждение в том, что государство, правительство обязаны заботиться о гражданах, обеспечивать удовлетворение их потребностей за государственный счет, принимать на себя все заботы о благоденствии граждан.
124
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2010. № 4(28)
разие ассортимента и высокое качество продукции и др.), так и в особой социальной атмосфере, принципиально новых способах организации и воспроизводства рабочей силы и
системе взаимоотношений. Сформировавшаяся система производственно-экономических
отношений обусловливала благоприятную социокультурную среду. Здесь действовали
свои законы и порядки, с одной стороны, устанавливаемые заводовладельцем, а с другой вырабатываемые в результате социального взаимодействия проживающего в районе населения, находящегося в не характерных для основной массы крестьянского населения России условиях хозяйствования и жизнедеятельности (вследствие индустриализации). Все
это можно охарактеризовать как патриархально-семейный строй.
В отраслевой структуре занятости жителей дятьковско-людиновского комплекса
преобладала деятельность, ориентированная главным образом на промышленную сферу.
Это было вызвано не слишком благоприятными условиями для ведения земледельческой
деятельности на этих территориях, на что прямо указывается в воспоминаниях современников. «Громадное и в высшей степени оригинальное фабрично-заводское царство» было
создано там, «где убогая земля и отдаленность от промышленных центров, казалось, ничего не могли дать российскому крестьянину» [4, с. 234], а земледелие не приносило выгод [5, с. 285].
Кроме того, непрерывно растущие масштабы производства требовали перехода экономической деятельности населения от сельскохозяйственной к промышленной сфере.
Потребности в рабочей силе были велики, и практически все работоспособное население,
включая женщин и подростков, вынуждено было работать на промышленных предприятиях. Даже при значительной численности населения мальцовских владений, расположенных в плотно заселенных центральных районах России, ощущался острый недостаток
рабочей силы. По данным за 1856 год, общая численность населения, проживавшего при
заводах С.И. Мальцова, достигала 18600 человек, из них 14 тысяч были заняты непосредственно в заводских цехах, а остальные состояли при заводах чернорабочими. Однако этого количества было мало для удовлетворения всех потребностей в обслуживании производства [5, с. 275 - 285].
Современниками было оставлено немало свидетельств, дающих оценку как самому
С.И. Мальцову, так и порядкам на мальцовских предприятиях и уровню жизни рабочих.
Одним из такого рода свидетельств является описание «промышленного хозяйства»2, помещенное еще в 1857 году в «Морском сборнике» и изданное Морским ученым комитетом. В нем изложены материалы отчета К.Л. Ухтомского о посещении заводов Мальцова,
состоявшемся 29 октября 1856 года. «Крестьянские дома в один, два и три этажа; в центре
их каменная церковь прекрасной архитектуры. Все свидетельствует о порядке и довольстве» [5, с. 275 - 285]. Автор с удивлением писал о размерах владений и масштабах хозяйствования в селе Дятьково и на действующем там хрустальном заводе.
Известный русский прозаик, поэт, журналист В.И. Немирович-Данченко, путешествуя по Мальцовскому промышленному району, называл его особым районом на карте
русской промышленности, своего рода «царством, являющимся оазисом среди окружающего бездорожья и бескормицы». Он характеризовал сложившуюся здесь систему социальных взаимоотношений как социальную гармонию: «… здесь нет роскоши и излишеств,
- нет и нищеты, нет голодовок». Все рабочее население, по его мнению, жило «как у Христа за пазухой». Таким образом, «здесь была если не Америка, потому что здесь не было
того оживленного индивидуального развития, какое характеризует Америку, - то своего
Используется термин «промышленное хозяйство», так как на предприятиях С.И. Мальцова существовал
феодально-помещичий уклад, т.е. рабочие на промышленных предприятиях были наполовину крестьянами.
Это характерная особенность зарождения и развития капитализма в России.
2
125
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2010. № 4(28)
рода Аркадия 3: население жило здесь, не заботясь о завтрашнем дне, и не опасалось никаких невзгод... Что такое другие наши заводские районы? Рассадники нищеты и центры
пьянства и разврата, прежде всего. Приезжайте сюда, вы не встретите ни одного нищего, а
пьяные разве в Людинове попадутся вам, да и то редко. Это не вырождающееся поколение, каким является население окрестностей, это - люди сильные и сытые» [4, с. 234, 318 319].
А.П. Субботин, редактор-издатель экономического журнала конца XIX – начала ХХ
века, обследовавший в 1892 году по поручению Вольного экономического общества 4
Мальцовский округ, писал: «Самое развитие этого района представляет такие самобытные
черты, какими рельефно выражается предприимчивость русских людей, временно подавляемая искусственными условиями жизни, ярко оттеняется все то, на что эти люди способны в области экономического развития, если им не мешает излишняя регламентация и
другие стеснения, выработанные нашей административной системою, не приноровленной
к жизни» [6, с. 1-2].
Посещавшие мальцовские владения путешественники отмечали большую разницу
«между здешними постройками и постройками крестьян соседних уездов. Особенно хороши постройки рабочих при самих заводах и фабриках: тут невозможно встретить дом с
продавленною крышею или покосившийся на бок… Само же Дятьково похоже, скорее
всего, на уездный городок средней России: улицы широкие и ровные, дома или каменные
двухэтажные, или же чистенькие и довольно красивые, чаще всего деревянные одноэтажные домики» [7, с. 34].
Есть выводы и официальной комиссии, исследовавшей мальцовское «промышленное
хозяйство», что ни одна сторона рабочего быта не была оставлена без внимания, «были
сами собой достигнуты те результаты и осуществлены те реформы, к которым стремится
новейшая социальная экономия» [8, с. 14].
Все эти мнения современников, высоко оценивавших уровень существования проживавших здесь людей, нельзя считать случайными. Действительно, система хозяйствования и организация производства были отлажены и действовали эффективно.
В Мальцовском «промышленном хозяйстве» сложились принципиально новые способы организации рабочей силы: стимулирование трудовых отношений и иное создание
заинтересованности рабочих в результатах своей деятельности, чем в других промышленных регионах XIX века. Особое место в развитии Мальцовского округа занимало отношение предпринимателя к рабочим – непосредственным производителям продукции, от отношения которых к работе прямо зависели его процветание и материальное благосостояние. Мальцов это прекрасно понимал, о чем свидетельствуют мероприятия, направленные
на создание благоприятных условий труда и быта даже при довольно жестком прикреплении заводского населения к предприятию.
Приступая к рассмотрению патерналистской политики, в первую очередь необходимо обратить внимание на организацию труда. Все трудовые отношения на мальцовских
заводах были строго регламентированы. Прежде всего это касалось продолжительности
рабочего дня, которая была различной в зависимости от вида, сложности, вредности выполняемых работ, а также специализации предприятия. Для некоторых мастеровых рабочая смена начиналась в ночное время суток. Например, на Дятьковском заводе к варке
стекла обычно приступали в 1 - 2 часа ночи и заканчивали ее к 11 - 12 часам вечера. После
Аркадия – место беспечной, счастливой жизни, идиллического счастья; от др.-греч. области Аркадии, которая в поэзии изображалась как страна блаженного пастушеского существования.
4
Вольное экономическое общество, или Императорское Вольное экономическое общество, - старейшее из
учёных обществ России, самая первая общественная организация в Российской империи. ВЭО учреждено в
городе Санкт-Петербурге в 1765 году Екатериной II. Имело целью изучение положения русского земледелия
и условий хозяйственной жизни страны и распространение полезных для сельского хозяйства сведений.
3
126
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2010. № 4(28)
этого начинались дутье стеклянных изделий, их отливка механическими приспособлениями, прокалка в печах [9, с. 122]. Процесс варки стекла был очень длительным и трудоемким. Для остальной части мастеровых продолжительность рабочего дня составляла 912 часов в сутки. По свидетельству современника, работы «начинаются в 5 часов утра и
продолжаются без перерыва до половины восьмого утра, затем после получасового перерыва снова продолжаются до 11 часов; после этого следует перерыв на два часа, за которым идут <работы>с получасовым перерывом до 8 часов вечера» [7, с. 40]. Необходимо
отметить, что на своих заводах С.И. Мальцов впервые в Европе установил 8-часовой рабочий день на особо тяжелые работы.
Промышленная мощь Мальцовского региона позволила ему стать самодостаточным
социально-экономическим районом России. Здесь производилось все необходимое для
жизни: продовольствие, одежда, строительные материалы, мебель, посуда и т. д., - а также
добывались нужные для производства сырье, материалы, топливо, максимально обеспечивающие как потребности производства, так и нужды населения. Были здесь и свои «мальцовские деньги». По сведениям советского историка П.П. Парадизова, «в Мальцовском
районе ... с денежными «записками» мы встречаемся в начале XIX в. ...Первоначально это
были действительно только печатные расписки на простой бумаге достоинством от 10
коп. до 1 руб. По такой записке рабочий получал «припасы» из заводских магазинов. Район их распространения был строго ограничен рамками мальцовских владений. С иным положением мы сталкиваемся уже в 50-х годах, когда мальцовские деньги перешли границы
его владений и играли серьезное значение в торговых оборотах всего Жиздринского уезда» [10, с. 104].
Мероприятия социального характера были довольно широки, что для тогдашней
России было новым явлением. На средства предпринимателя для мастеровых возводились
дома городского типа, поощрялось и самостоятельное строительство жилья на льготных
условиях. Для чернорабочих устраивались казармы. Все это способствовало социокультурной трансформации заводского населения. С целью оказания помощи детям, старцам,
вдовам, сиротам и больным, проживавшим на территории заводских поселений, была создана целая система общественного призрения 5. Для одиноких и престарелых людей устраивались богадельни, для нетрудоспособных мастеровых, вдов, сирот устанавливались
пенсии. По инициативе С.И. Мальцова была разработана своего рода система социального
страхования в виде поддержки нетрудоспособных рабочих. В случае гибели или потери
трудоспособности рабочего его семья переходила на «попечение генерала». Каждая вдова
получала полное содержание от конторы.
После отмены крепостного права газета «Московские ведомости» сообщала, что
С.И. Мальцов не только обещал и впредь вносить за своих крестьян подушные и земские
повинности (1 до 20 тыс. руб.), но и по-прежнему оставил вдовам и сиротам получаемое
содержание (до 10 тыс. руб.) [11]. Приведем письмо заведующего Ивотской стекольной
фабрикой в Управление по делам Мальцовского товарищества от 11 мая 1989 года.
«Принимаю на себя ходатайство пред Вами, Милостивый Государь, за оставшееся
без помощи семейство одного из служащих местной конторы Ивана Николаевича Ткачевского, умершего 27 сего апреля внезапною смертию от удара и оставившего без всякого
средства к жизни двух невзрослых и вдобавок убогих детей и старушку мать – дряхлую,
слабую, положительно лишенную всякой возможности к какому-либо физическому труду.
Контора фабрики с своей стороны не лишним считает добавить, что умерший, Ткачевский, поступил на службу еще малолетним и прослужил безукоризненно – честно на 15
руб. месячного содержания в своей квартире до 60-ти летнего возраста, умер внезапно за
Губернские учреждения, введённые в России Екатериной II в 1775 году, в ведении которых находилось
управление народными школами, госпиталями, приютами для больных и умалишённых, больницами, богадельнями и тюрьмами.
5
127
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2010. № 4(28)
конторским столом, не оставив, как и все этого разбора люди, своему несчастному и вдобавок обиженному судьбою семейству ничего кроме нищеты и нужды какие непременно
следуют за потерею кормильца-отца, если только не будет какой либо пассивной помощи,
почему контора, рассчитывая на благосклонное внимание Ваше, Милостивый Государь, к
сиротам и убогим, покорнейше просит не найдете ли возможность разрешить выдать единовременно оставшимся бедным сиротам Ткачевского пособие по Вашему усмотрению и
не оставит в дальнейшем месячною пенсию, каковою пользуются многие осиротевшие
семейства»6 [12].
Из письма видно, что это не единственный случай прошения о помощи семейству,
оставшемуся без средств к существованию, такую помощь получали многие. Таким образом, это была действенная система.
Однако сравнительно хорошие условия быта и достаточно высокий жизненный уровень рабочих были сопряжены с напряженной трудовой деятельностью. Тяжелый труд
отрицательно сказывался на физическом состоянии трудящихся. Существовала градация
на здоровые и тяжелые работы. «К самым здоровым относились работы на мелких заводах: лесопильных, кирпичных заводах, фаянсовой фабрике, столярных и плотничных мастерских, где нет пыли и высокой температуры и не нужно большой усидчивости. Затем
следует работа на чугунолитейных и железоделательных заводах» [6, с. 20]. По словам
А.П. Субботина, «обстановка, например, на дятьковском стеклянном заводе, как и на всех
заводах такого рода, убийственная: во-первых, чрезвычайно резкие переходы температуры зимой – с +40 до -25˚С. Рабочие выбегают из Гуты 7 по морозу в легкой одежде, подвергаясь вредным влияниям. Летом рабочие не могут долго работать и должны очень часто выбегать на воздух, от этого и заработок их меньше. В шлифовальном отделении шум
сотен колес, которые режут и шлифуют стекла, способен подвергнуть человека слабонервного в обморок. Мелкая стеклянная пыль, которая выделяется во время шлифования,
осаждается на легкие и режет их, поэтому те мастера, которые работают дольше других и
делают более глубокие грани, имеют вид очень истощенный и удручающий» [6, с. 34]. Как
свидетельствуют источники, «входящему в первый раз в шлифовальню невольно бросается в глаза разница между бойким и бодрым взглядом мастерового железоделательных заводов и испитою физиономией рабочего на шлифовальне: здесь уже невозможно встретить свежего, румяного лица или глубокого старика» [13, с. 122 - 123]. Часто на мальцовских заводах встречался и производственный травматизм, который увеличивался с ростом
технической оснащенности предприятия. Наибольшую угрозу представляли паровые машины и котлы. Взрывы паровых котлов приводили к увечьям и даже гибели рабочих, обслуживавших их действие. Так, в 1862 году взрыв парового котла высокого давления на
Любохонском сахарном заводе привел к гибели рабочего [14].
Правовой, экономический и социокультурный статус рабочих мальцовских заводов
определялся спецификой развития отечественной модели индустриализации. Русская организация промышленного труда предполагала сохранение общинно-крестьянских отношений, для которых были характерны связь рабочих с землей, христианская забота владельца о заводских людях, относительная стабильность экономического положения, замедленные темпы пролетаризации и др.
Следует отметить, что отеческое отношение к своим рабочим отразилось отчасти негативно на самих же рабочих, так как отучило их от самостоятельности. Здесь нельзя не
согласиться со высказыванием В.В. Путина, который, отвергая политику патернализма,
приводит довод, что «отказ от нее диктуется… стремлением включить стимулы развития,
раскрепостить потенциал человека, сделать его ответственным за себя, за благополучие
своих близких» [2].
6
7
Орфография и пунктуация сохранены без изменений, как в источнике.
Гута (от нем. Hutte) (тех. устар.) - 1) стеклоплавильный завод; 2) здание со стеклоплавильной печью.
128
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2010. № 4(28)
Российское общество на современном этапе находится в растерянном состоянии. Государство, частные работодатели все больше снимают с себя обязанности по социальному
обеспечению и перекладывают их на работников. Однако современная ситуация демонстрирует потребность народа в опеке, в гарантиях социальной помощи и защиты. Все изложенные факторы необходимо учитывать сегодня, строя новые модели социального взаимодействия. Утверждение, будто государственный патернализм «политически нецелесообразен», никак не обосновано. В России явление патернализма приобрело свои специфические формы, что связано прежде всего с историческим развитием российского общества, его менталитетом.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Кара-Мурза, С.Г. Государственный патернализм – цивилизационное измерение / С.Г. Кара-Мурза // Газета.ru.
– 2009. – 16 дек.
2. Темницкий, А.Л. Социальные и культурные «скрепы» патерналистской цивилизации в России / А.Л. Темницкий // Российское общество в современных цивилизационных процессах / под ред. В.В. Козловского, Р.Г.
Браславского. - СПб.: Интерсоцис, 2010.
3. Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона. - СПб. – Т. 36.
4. Немирович-Данченко, В.И. Америка в России / В.И. Немирович-Данченко // Русская мысль. - М., 1882. - Кн.
12.
5. Ухтомский, Л.А. Несколько дней на заводах г. Мальцева / Л.А. Ухтомский // Морской сборник. - СПб.,1857.
- Т.ХХХII. - № 12.
6. Субботин, А.П. Мальцовский заводской район. История и настоящее экономическое положение / А.П.
Субботин. - СПб., 1892.
7. Сергей Иванович Мальцов и мальцовское торгово-промышленное товарищество. - СПб., 1880.
8. Немчинова, Д.И. Мальцовы и их дело / Д.И. Немчинова // С.И. Мальцов и история развития Мальцовского
промышленного района. - Брянск, 1999. - Ч. 2.
9. 1000 лет русского предпринимательства. Из истории купеческих родов. - М., 1995.
10. Парадизов, П.П. Мальцевские заводы в XVIII и XIX вв. (к истории промышленного капитализма в России) /
П.П. Парадизов // История пролетариата СССР. - М., 1930. – Сб. 2.
11. Московские ведомости. - 1861. - № 71.
12. ГАБО, ф. 196, оп. 1, д. 13, л. 1.
13. Жбанков, Д.Н. Санитарное исследование фабрик и заводов Смоленской губернии / Д.Н. Жбанков // Смолен.
губ. земство. - Смоленск, 1894. - Вып. 1.
14. РГИА, ф. 1005, оп. 2, д. 190, л. 3.
Материал поступил в редколлегию 17.10.10.
129
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2010. № 4(28)
Abstracts
Sosnovsky V. J., Chayka O.R. New design of timber cutters. Аre the results of research aimed
at support of parameters of a new design knife forest milling machines for soil cultivation on cutting swath with drenirovannymi soils.
Key words: forest milling cutter knife; options; tillage; kinematics; angle otgiba wing.
Miroshnikov V.V., Filipchuk A.A. Quality management design technological preparation
of production through an integrated fmea-technologies. In this article, the authors propose an
integrated approach to the use of FMEA-analysis in the field of engineering and technological
preparation of production, which is now becoming increasingly relevant. An integrated approach
to the FMEA-analysis includes DFMEA-analysis of product design, PFMEA-analysis of technology products and MFMEA-analysis equipment (tooling).
Key words: quality management, production preparation, construction, technology, FMEA,
DFMEA, PFMEA, MFMEA.
Gurov R. V. Methodology for the design of operations finish-hardening treatment machine
parts surface plastic deformation. The article describes the methodology of choice of methods
of finishing-hardening treatment of working surfaces of machine parts PPD, determining the parameters of the instrument and processing modes, depending on the functional purpose of the
surface. Are some reference materials. Is an example of results calculated by the proposed methodology.
Key words: surface plastic deformation, surface roughness, hardening, tools, modes of processing.
Tikhomirov V.P., Izmerov M.A. Model of engineering surface. Procedure of creation of
model of engineering rough surfaces is presented. Model working out is based on fractal representation. Surface and profile models are described by equation Weierstrass-Mandelbrot equation.
Key words: fractal, fractal dimension, modeling, engineering surfaces.
Bishutin S.G. Wear resistance of the ground surfaces of details. Results of experimental researches of wear resistance of the external cylindrical surfaces subjected to abrasive grinding on
different technological modes are submitted. The approach to an estimation of wear resistance of
a surface of a detail is described on the basis of experimental value of intensity of the wear process received at laboratory researches.
Key words: finishing grinding, modes of grinding, wear resistance of a surface.
Tarasik V.P., Kurstak V.I., Puzanova O.V. Hydromechanical transmission torque converter lockup adaptive control. The technique of torque converter lockup control characterization is
set out. The car motion mathematical model description is presented. The results of calculating
experiments by determination threshold value of control parameters and regression models received on the results basis are brought. The results of researches are illustrated by diagrams.
Key words: torque converter, hydromechanical transmission, automatic control characteristics.
Tikhomirov V.P., Kondratovich A.V., Stryszenock A.G. Quality of the surface of the ceramic-metal material. Topographical and physico-mechanical parametres of quality of a surface's sintered powder material used as a frictional alloy in safety clutch of an electromechanical
drive are considered. Results of indentation a sphere in a ceramic-metal surface are resulted.
Key words: surface, quality, physico-mechanical property, indentation.
Aksyutenkov V.T.; Titenok A.V.; Timakov A.K. Axle guard with rolling elements. The author analyses a possibility of using of reciprocal motion bearings with rolling elements in the
journal box guides of a rolling-stock.
Key words: bearing, reciprocal motion, journal box guides, rolling elements.
130
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2010. № 4(28)
Boldirev A.P., Girov P.D. Development of mathematical model and calculation of
characteristics of spring buffer with polymeric components at different environmental
temperatures. The effect of temperature factor on the rolling stock. Assess the impact of temperature on the performance of polymer elements.
Key words: absorbing devices, polymer components, the mathematical model, temperature.
Lagerev A.V., Lagerev I.A., Govorov V.V. Crane-manipulator of mobile energy unit ast-4a modernization. Lift capacity increasing of crane-manipulator of mobile energy unit AST-4-A
is bring forward in this article. Modernized construction conform to strength and flexibility requests.
Key words: crane-manipulator, modernization, lift capacity increasing, CAE, FEM.
Serpik I. N., Shevchenko K.V. Receach of genetic algorithm of weakly cooperating populations for optimization of construction. The genetic algorithm of optimization of the bearing
constructions, using a weakly cooperating populations with various parameters of change is offered. Questions of acceleration of search of the optimum decision and construction of criteria of
a stop of calculations are considered. On test examples high efficiency of the presented iterative
scheme is illustrated.
Key words: optimization, genetic algorithm, constructions, weakly cooperating populations, coordinate descent.
Gulakov V.K., Buyval A.K., Parshikov P.A. Mathematical model of management process of
the coordination interests of subcontractors at performance of works under the project. It
is analyzed the basic aspects of managerial process by projects in system of contractual relations.
The mathematical model of the coordinated interaction of subcontractors is considered at change
of the plan of performance of the project with use of the mechanism of motivational management. The model of the intellectual agent and algorithm of its behavior during the coordination
of interests on the basis of the mechanism of cooperative decision-making is offered
Key words: management of projects, contractual relations, the schedule of the project, motivational management, multiagent modelling, the coordination of interests.
Fedonin O.N., Petreshin D.I., Khandozhko V.A., Ageenko A.V. Increase of overall performance of the tokarno-capstan lathe with CNC 1В340Ф30 by modernization and adjustment of its control system. In article the way of carrying out of modernization of a control system of the tokarno-capstan lathe with 1В340Ф30 is presented. The block diagram of a control
system of the machine tool is presented. Results of influence of parameters of a control system
on accuracy of moving of working bodies of the machine tool are presented. The way for increase of accuracy of control systems of the machine tool is offered.
Key words: the metal-cutting machine tool, control system, modernization, accuracy of a control
system, machine tool parameters.
Novikova A.V., Panchenko V.M., Isaychenkova V.V. Innovation development and modernization of russian federation’s economics as factors of increase national competitiveness in
terms of globalization. The estimation of Russian Federation’s competitiveness in the global
market is provided. The typical problems arising as a result of innovations introduction on domestic enterprises are provided. Ways of solving problems on the basis of the advanced foreign
experience study are offered.
Key words: competitiveness, innovation, modernization, foreign experience, clusterization.
Efimova G.V. Outsourcing process management in the quality management system of the
organization. There is offered a methodological approach to outsourcing process management
in the quality management system, permitting to select supplier of outsourcing efficiently, to
lower risk of origin of discrepancies in outsourcing process and to appraise its effectiveness.
Key words: outsourcing, quality management system, criterion of selection, effectiveness.
Tcerenkova S.L. The monitoring system the technical higher student's capacity in sphere
of health. The article is concerned with of organizing and conducting an on-line complex test131
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2010. № 4(28)
ing the student's health. It is the comprehensive approach that gives the opportunity of the value
of student's health as the integrity.
Key words: health, monitoring, student, psychology, physical culture, comprehensive approach.
Kholodovskij V.E., Machikhina I.O., Kulchenkov E.A. Correction for the electronic contribution to the heat capacity of metals in the model of van der waals interaction. Expressions have been derived for temperature dependences of energy and heat capacity of thermal motion of charge centres of o.e.s. atoms of metals with bcc and fcc lattice depending on one variation parameter which was named effective radius of an atom.
Кey words: dynamic model, dipole, crystal lattice, electronic contribution, Coulomb force, dipole moment, heat capacity.
Afonina L.I., Trifankov Y.T., Dzyuban V.V. Research of Paternalistic Management System
in Maltsov's Industrial District. Paternalistic management system in Maltsov's industrial district in the second half of the 19-th century is considered and analyzed.
Key words: S.I. Maltsov, paternalism, Maltsov's district, industrial enterprises, social policy,
working condition.
132
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2010. № 4(28)
СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРАХ
Агеенко Алексей Владимирович, аспирант кафедры «Автоматизированные
технологические системы» БГТУ, тел.: (4832) 58-82-78, е-mail: atsys@tubryansk.ru.
Аксютенков Владимир Тимофеевич, д.т.н., профессор кафедры «Механика
и основы конструирования» БГСХА, тел.: 8-961-133-84-19.
Афонина Людмила Ивановна, аспирант кафедры «Философия, история и
социология» БГТУ, тел.: (4832) 58-82-49.
Бишутин Сергей Геннадьевич, д.т.н., профессор кафедры «Триботехнология» УНТИ БГТУ, тел.: (4832) 58-82-79.
Болдырев Алексей Петрович, д. т. н., профессор, зав. кафедрой «Динамика
и прочность машин» БГТУ, тел.: (4832) 56-08-10.
Буйвал Александр Константинович, к.т.н., доцент кафедры «Информатика
и программное обеспечение» БГТУ, тел.: (4832) 56-09-84, e-mail:
alexbuyval@yandex.ru.
Говоров Владислав Валерьевич, аспирант кафедры «Динамика и прочность
машин» БГТУ, е-mail: mnto@tu-bryansk.ru.
Гулаков Василий Константинович, к.т.н., профессор кафедры «Информатика и программное обеспечение» БГТУ, e-mail: gulakov@tu-bryansk.ru.
Гуров Роман Владимирович, к.т.н., доцент кафедры «Автоматизированные
технологические системы» БГТУ, тел.: (4832) 58-82-78.
Дзюбан Валерий Валерьевич, к. п. н., доцент кафедры «Философия, история и социология» БГТУ, тел.: (4832) 51-19-98.
Ефимова Галина Вячеславовна, к.т.н., доцент кафедры «Управление качеством, стандартизация и метрология» БГТУ, е-mail: g70@yandex.ru.
Жиров Павел Дмитриевич, аспирант кафедры «Динамика и прочность машин» БГТУ, тел.: (4832) 56-08-10.
Измеров Михаил Александрович, к.т.н., доцент кафедры «Детали машин»
БГТУ, тел.: (4832) 58-82-12.
Исайченкова Вероника Викторовна, студентка спец. «Антикризисное
управление» БГТУ, тел.: (4832) 58-82-25.
Кондратович Алексей Вадимович, аспирант кафедры «Детали машин»
БГТУ, тел.: (4832) 58-82-12.
Кульченков Евгений Александрович, ст. преподаватель кафедры «Общая
физика» БГТУ, е-mail: evgeniy2000@mail.ru.
Курстак Владислав Иосифович, аспирант кафедры «Автомобили» Белорусско-Российского университета, е-mail: avto@bru.mogilev.by.
Лагерев Александр Валерьевич, д.т.н., профессор, зав. кафедрой «Подъемно-транспортные машины и оборудование», ректор БГТУ, тел.: (4832) 56-0905, е-mail: rector@tu-bryansk.ru.
133
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2010. № 4(28)
Лагерев Игорь Александрович, аспирант кафедры «Подъемнотранспортные машины и оборудование» БГТУ, председатель МНТО БГТУ, еmail: mnto@tu-bryansk.ru.
Мачихина Инна Олеговна, ст. преподаватель кафедры «Общая физика»
БГТУ, е-mail: ingibordit@yandex.ru.
Мирошников Вячеслав Васильевич, д.т.н., профессор кафедры «Управление качеством, стандартизация и метрология» БГТУ, тел.: (4832) 58-82-35, email: g70@yandex.ru.
Новикова Александра Владимировна, к.э.н., доцент кафедры «Экономика,
организация производства, управление» БГТУ, тел.: (4832) 58-82-25.
Панченко Владимир Михайлович, к.т.н., доцент, зав. кафедрой «Экономика, организация производства, управление» БГТУ, тел.: (4832) 51-26-02.
Паршиков Павел Анатольевич, аспирант кафедры «Информатика и программное обеспечение» БГТУ, тел.: (4832) 68-55-49, e-mail: paw-p@yandex.ru.
Петрешин Дмитрий Иванович, к. т. н., доцент кафедры «Автоматизированные технологические системы» БГТУ, тел.: (4832) 58-82-78,
е-mail:
atsys@tu-bryansk.ru.
Пузанова Ольга Владимировна, к.т.н., Ст. преподаватель кафедры «Основы проектирования машин» Белорусско-Российского университета, е-mail:
avto@bru.mogilev.by.
Серпик Игорь Нафтольевич, д.т.н., профессор, зав. кафедрой «Механика»
БГИТА, е-mail: iserpik@online.debryansk.ru.
Сосновский Виктор Яковлевич, к.т.н., доцент БГИТА, тел.: (4832) 74-0398, 74-13-83, е-mail: V.Sosnovsky@yandex.ru.
Стриженок Александр Георгиевич, к. т. н., профессор кафедры «Детали
машин» БГТУ, тел.: (4832) 58-82-12.
Тарасик Владимир Петрович, д.т.н., профессор, зав. кафедрой «Автомобили» Белорусско-Российского университета, e-mail: bjd@tut.bu.
Тимаков Александр Константинович, инженер ЗАО «ВКМ-инжиниринг»,
тел.: 8-906-699-75-59.
Титенок Александр Владимирович, д.т.н., профессор кафедры «Подъемнотранспортные, дорожные машины и оборудование» БГТУ, тел: 8-910-292-6080.
Тихомиров Виктор Петрович, д.т.н., профессор, зав. кафедрой «Детали
машин» БГТУ, тел.: (4832) 58-82-12.
Трифанков Юрий Трофимович, д. и. н., профессор кафедры «Философия,
история и социология» БГТУ, тел.: (4832) 51-19-98.
Федонин Олег Николаевич, д. т. н., профессор, заведующий кафедрой «Автоматизированные технологические системы» БГТУ, тел.: (4832) 58-82-78,
е-mail: atsys@tu-bryansk.ru.
Филипчук Антон Андреевич, аспирант кафедры «Управление качеством,
стандартизация и метрология» БГТУ, e-mail: fantom.qm@gmail.com.
134
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2010. № 4(28)
Хандожко Виктор Александрович, к. т. н., доцент кафедры «Автоматизированные технологические системы» БГТУ, тел.: (4832) 58-82-78, е-mail:
atsys@tu-bryansk.ru.
Холодовский Владимир Евгеньевич, к. ф.-м.н., доцент кафедры «Математический анализ» БГУ, е-mail: tfbgubry@mail.ru.
Чайка Олег Ростиславович, к.т.н., доцент БГИТА, тел.: (4832)74-03-98, 6515-50, 8-910-338-68-77 , е-mail: oleg.chayka@mail.ru.
Черенкова Светлана Леонидовна, к.п.н., доцент кафедры «Физическое
воспитание и спорт» БГТУ, тел.: (4832) 58-82-26.
Шевченко Константин Викторович, к.т.н., доцент кафедры «Компьютерные технологии и системы» БГТУ, е-mail: scvaria@qip.ru.
135
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа