close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

252.Вестник Брянского государственного технического университета №4 2009

код для вставкиСкачать
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
ВЕСТНИК
БРЯНСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО
ТЕХНИЧЕСКОГО УНИВЕРСИТЕТА
Научно-технический журнал
Издается с февраля 2004 г.
Периодичность – 4 номера в год
№4 (24) 2009
Журнал рекомендован экспертными советами ВАК для опубликования научных результатов диссертаций по машиностроению
и управлению, вычислительной технике и информатике
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.
А.В.Тотай, д.т.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, 2009
СОДЕРЖАНИЕ НОМЕРА
Машиностроение
Технология, инструменты и оборудование
машиностроительных производств
Бишутин С.Г. Повышение долговечности деталей
пар трения при финишной абразивной обработке….
Шупиков И.Л. Исследование процесса формирования качества протяженных цилиндрических поверхностей при лепестковом шлифовании………………
Федонин О.Н., Левый Д.В. Особенности обработки
резанием хрупких материалов………………………..
Тюльпинова Н.В. Программный модуль для оценки
термического воздействия на поверхностный слой
при абразивной обработке…………………………….
Кульбовский И.К., Туркин Д.А. Исследование
температурных напряжений и деформаций в чугунных кокилях для изготовления отливок мелющих
шаров…………………………………………………...
Бормотов А.Н., Прошин И.А. Многокритериальный синтез сверхтяжелого композита……………….
Транспортное машиностроение
Памфилов Е.А., Грядунов С.С., Пилюшина Г.А.
Методические основы оценки работоспособности
рабочих органов строительных и дорожных машин..
Парфенов Н.С. Исследование влияния дефекта
вмятины на несущую способность стержней металлических ферм………………………………………….
Щербаков В.С., Корытов М.С. Поиск оптимальной
траектории груза, перемещаемого автокраном, в
среде с произвольными препятствиями с учетом координат угловой ориентации в трехмерном пространстве……………………………………………….
4
8
13
17
24
29
37
43
48
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2009. № 4(24)
Матлахов В.П., Антоненков Д.А., Логвинов В.Н. Модернизация машины трения
МИ-1М с целью испытаний деталей машин и механизмов в условиях смазывания
абразивно-масляной смесью……………………………………………………………...
Зернин М.В., Бабин А.П. Алгоритм комбинированного метода решения конечноэлементных задач с нелинейностями различного типа…………………………………
Лагерев И.А. Имитационное моделирование факторов нагруженности металлоконструкции мостового крана………………………………………………………………..
Энергетическое машиностроение
Рогалев В.В., Обозов А.А., Клочков А.В. Исследование процесса сжатия в высокофорсированном судовом малооборотном дизеле…………………………………….
52
57
65
71
Управление, вычислительная техника
и информатика
Подвесовский А.Г., Лагерев Д.Г., Коростелев Д.А. Применение нечетких когнитивных моделей для формирования множества альтернатив в задачах принятия решений………………………………………………………………………………………
Лозбинев Ф.Ю., Рощина Н.М., Осмаковская Е.В. Состояние и перспективы развития информационных технологий в органах власти Брянской области…………..
Петрешин Д.И. Структура программного обеспечения самообучающейся адаптивной технологической системы…………………………………………………………..
Мирошников В.В., Булатицкий Д.И. Онтологическая модель системы управления знаниями в области качества………………………………………………………..
Экономика и менеджмент
Скляр Е.Н., Швыгова К.В. Теоретические основы проведения социально ответственной реструктуризации промышленного предприятия в кризисных условиях……
Коновалова Г.И. Деятельность предприятий в рыночных условиях и подходы к
созданию сбалансированной системы управления…………………………………….
Обозов Р.А. Использование показателя внутренней ставки доходности при оценке
инвестиционных проектов с нестандартными денежными потоками……………….
Образование
77
85
95
100
107
113
118
Горленко О.А., Можаева Т.П. Разработка модели подготовки специалиста в техническом вузе на основе процессного подхода………………………………………..
122
Сведения об авторах……………………………………………………………………..
130
Abstracts…………………………………………………………………………………...
132
2
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2009. № 4(24)
CONTENTS
Mechanical engineering
Technology, tools and equipment of mechanical engineering factories
Bishutin S.G. Increase of durability of details of pairs friction at finishing to abrasive processing…………………………………………………………………………………............
Shupikov I.L. Research of process shaping quality stretched of cylindrical surfaces at petal grinding…………………………………………………………………………………………………..
Fedonin O.N., Levyj D.V. Features of machining by cutting of brittle materials………………
Tulpinova N.V. The program module for estimation of thermal influence on surface layer during
abrasive processing……………………………………………………………………………….
Kulbovskiy I.K., Turkin D.A. Research of temperature napryazheniy and deformations in castiron kokilyakh for making of otlivok of growing shallow balls………………………………….
Bormotov A.N., Proshin I.A. Multicriteria synthesis of extra-heavy composite……………….
4
8
13
17
24
29
Transport mechanical engineering
Pamfilov E.A., Gryadunov S.S., Pilushina G.A. Methodical bases of the estimation of working
capacity working bodies of building and road machines………………………………………….
Parfyonov N. S. Study to toughness of the steel lattice framework with defect of the dent………
Shcerbakov V.S., Korytov M.S. Search for optimal trajectory of cargo, truck cranes moved in an
environment with arbitrary obstacles, given the coordinates of the angular orientation in threedimensional space……………………………………………………................................................
Matlakhov V.P., Antonenkov D.A, Logvinov V.N. Modernization of the machine of friction
mи-1m for the reason test the details of the machines and mechanism in condition of the oiling
abrasive-oil mixture………………………………………………………….....................................
M.V. Zernin, A.P. Babin. New iteration algorithm for finite element solution of different kinds
of nonlinearity………………………………………………………………………..........................
Lagerev I.A. Simulation of a bridge crane metal construction loading parameters………………...
37
43
48
52
57
65
Energetic mechanical engineering
Rogalev V.V., Obozov A.A., Klochkov A.V. Research of process of compression in
vysokoforsirovannom
ship
malooborotnom
diesel……………………………………………………………….
71
Management, computer facilities
аnd computer science
Podvesovskiy A.G., Lagerev D.G., Korostelyov D.A. Application of fuzzy cognitive models for
alternatives set generation in decision problems…………………………………………………….
Lozbinev F.Y., Roshina N.M., Osmakovskaya E.V. Conditions and prospects of the development of information technologies in organs of government of Bryansk region……………………..
Petreshin D.I. Structure of the software of self-learning adaptive technological system….. ……...
Miroshnikov V.V., Bulatitskiy D.I. Ontological modeling for knowledge-based system
in quality management……………………………………………………………………………….
77
85
95
100
Economy and management
Sklar E.N., Shvygova K.V. Theoretical principles of social responsibility industrial enterprises
restructuring in crisis………………………………………………………………………………
Konovalova G.I. Activity of the enterprises in market conditions and approaches to creation of
the balanced control system……………………………………………………………………….
Obozov R.A. The application of internal rate of return indicator when estimating the risks of the
projects with non-standart cash flows……………………………………………………………….
107
113
118
Education
Gorlenko O. A., Mozhaeva T. P. Development of a model of training a technician at a technical
university on the basis of process approach…………………………………………………………
3
122
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2009. № 4(24)
Abstracts ……………………………………………………………………………………………
4
132
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2009. № 4 (24)
МАШИНОСТРОЕНИЕ
ТЕХНОЛОГИЯ, ИНСТРУМЕНТЫ И ОБОРУДОВАНИЕ
МАШИНОСТРОИТЕЛЬНЫХ ПРОИЗВОДСТВ
УДК 621.891; 621.923
С.Г. Бишутин
ПОВЫШЕНИЕ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ДЕТАЛЕЙ ПАР ТРЕНИЯ
ПРИ ФИНИШНОЙ АБРАЗИВНОЙ ОБРАБОТКЕ 1
Описан методологический подход к выбору рациональных условий и режимов финишной абразивной обработки для повышения долговечности деталей пар трения. Определены основные условия формирования
структурно-фазового состояния поверхностных слоев при абразивной обработке.
Ключевые слова: долговечность деталей, финишная абразивная обработка, термическое воздействие, силовое воздействие, структурно-фазовое состояние, поверхностный слой.
Непрерывно возрастающие требования к качеству выпускаемых машин определяет
необходимость повышения их долговечности. Многочисленные исследования показали,
что до 70 % выходов из строя машин при их эксплуатации происходит из-за износа деталей пар трения. Значительное влияние на износ деталей оказывает состояние их поверхностных слоев, формируемых преимущественно при финишной абразивной обработке. Поэтому повышение долговечности деталей пар трения на финишных этапах их изготовления является актуальной задачей.
Долговечность деталей пар трения определяется интенсивностью изнашивания Ih в
установившемся режиме трения (в период нормального износа). Большинство деталей
подвергается усталостному износу. В соответствии с теорией фрикционной усталости [1]
Ih =
hd Аr
,
n l п Аа
(1)
где h d – глубина зоны деформации под фактическим пятном контакта; l п – средний размер фактического пятна контакта в направлении скольжения; n – число воздействий, приводящих к отделению деформированного объема материала от поверхности трения; A r , А а
– соответственно номинальная и фактическая площади контакта поверхностей трения деталей.
Анализ уравнения (1) показывает, что наиболее широкий диапазон варьирования в
ходе абразивной обработки характерен для величины n. Значение n зависит от микро- и
наноструктур поверхностных слоев и напряжений в зонах деформаций под пятнами контакта поверхностей трения. Целенаправленное регулирование микро- и наноструктур поверхностного слоя позволяет значительно повысить износостойкость поверхности [2]:
Структурное состояние
поверхностных слоев
I
Отношение hБ
Ih
1
Тр+М
ФМ+М
М+ФМ
Б+М
1,2
1,3
1,7
1,9
Исследования выполнены в рамках гранта Президента РФ МД1383.2008.8 для поддержки молодых ученых.
4
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2009. № 4 (24)
Здесь I hБ – интенсивность изнашивания базовой поверхностной структуры (ФМ+ФП);
ФМ – феррито-мартенситный слой; ФП – феррито-перлитный слой; Тр – трооститный
слой; М – мартенситный слой; Б – бейнитный слой.
Для приближенных расчетов величину n в период нормального износа можно определять по уравнению [1]
n = (σ о / σ ε ) ,
t
где σ 0 – напряжение разрыва материала поверхностного слоя; σ ε - действующее амплитудное значение напряжения в поверхностном слое при эксплуатации детали;
t – показатель степени кривой фрикционной усталости материала поверхностного слоя.
Напряжение разрыва связано с истинным пределом прочности σ ви зависимостью [3]
σ о = σ ви (1 + 0,014ψ k ).
Здесь ψ k – относительное сужение поперечного сечения образца перед его разрывом.
Параметры σ ви , ψ k и t зависят от материала поверхностного слоя и его структурнофазового состояния.
Структурно-фазовое состояние материала формируется в ходе термического и силового воздействий при абразивной обработке. К управляемым факторам формирования
тонких поверхностных структур следует отнести температуру Т н нагрева поверхностного
слоя, время t в нахождения поверхностных слоев при температурах ≥Т н , скорости нагрева
(V н ) и охлаждения (V о ) поверхностных слоев, интенсивность деформаций (ε i ) и скоростей
деформаций ( ε ) обрабатываемого материала [4]. Величины Т н , t в , V н , V о характеризуют
температурное воздействие абразивной обработки, параметры ε i и ε – силовое воздействие. С помощью этих величин можно описать основные условия формирования поверхностных структур стальных деталей (таблица).
Таблица
Краткая характеристика и условия формирования поверхностных структур
при абразивной обработке
Поверхностный
слой
Основные условия формирования
Доминирующее воздействие абразивной обработки
Силовое
Паритет
воздействий
Термическое
Т н ≥ А с 3 (А ст ),
tв > t3,
Vo ≥ Vк
Сильно дефор- Структурная не- Сочетание деСочетание
однородность
формированных
структур втоХарактер струк- мированная исходная
структура
локальных
объеструктур
отпуска
ричной
закалки
тур
материала
мов поверхност- с переходом к иси отпуска
ных слоев
ходным структурам материала
Т н < Т в (М н )
Т н ≥ А с1 (М н ),
tв ≤ t3
А с3 (А ст ) ≥ Т н ≥ А с1,
tв > t3
Примечание. М н – температура начала мартенситного превращения; А с1 – температура превращения перлита в аустенит; А с3 – температура окончания превращения феррита в аустенит; А ст – температура окончания
растворения избыточных фаз; Т в – температура начала возврата; t з – время завершения структурно-фазовых
превращений; V к – критическая скорость охлаждения материала при закалке.
5
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2009. № 4 (24)
Величины М н , А с1 , А с3 , А ст , Т в , t з , V к характеризуют процесс формирования поверхностных структур каждого конкретного железоуглеродистого сплава при термическом и силовом воздействиях.
Анализ технологических операций финишной обработки заготовок деталей позволил выявить основные факторы абразивной обработки, варьируя которые, можно управлять долговечностью деталей пар трения путем регулирования термического и силового
воздействий (рисунок).
Рис. Схема управления долговечностью деталей и формированием микро- и наноструктур
поверхностных слоев при абразивной обработке
Силовое воздействие на заготовку усиливается при увеличении времени выхаживания обрабатываемой поверхности, шлифовании поверхности зернами с развитым микрорельефом и большой теплопроводностью (эльборовые и алмазные зерна). Режим правки
инструмента (восстановление режущей способности) влияет на геометрическую форму
вершин зерен и количество активных зерен, что приводит к одновременному изменению
6
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2009. № 4 (24)
термического и силового воздействий. Аналогично влияет и скорость вращения (перемещения) инструмента. Повышение этой величины приводит к возрастанию скорости деформации обрабатываемого материала (усиление силового фактора) и увеличению числа
зерен в контакте инструмента и заготовки, что способствует более интенсивному тепловыделению в процессе обработки.
Термическое воздействие на заготовку при шлифовании целесообразно регулировать
традиционными способами, т.е. путем выбора рациональных условий охлаждения заготовки, режимов обработки и характеристик инструмента, применения инструментов с
прерывистой рабочей поверхностью или со вставками из твердых смазочных материалов.
В литературных источниках представлен необходимый математический аппарат для
расчета характеристик силового воздействия абразивной обработки [4-6] и оценки параметров термического воздействия [4; 7; 8].
Таким образом, можно констатировать следующее:
- повышение долговечности деталей пар трения возможно посредством формирования требуемых микро- и наноструктур поверхностных слоев путем регулирования термического и силового воздействий при финишной абразивной обработке;
- выявлены основные условия формирования структурно-фазового состояния поверхностных слоев, что позволяет осуществлять их целенаправленное структурирование,
исходя из необходимости повышения эксплуатационных показателей деталей;
- предложенный методологический подход к выбору рациональных условий и режимов финишной абразивной обработки позволяет повысить долговечность отдельных деталей пар трения до двух раз.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Крагельский, И.В. О расчете износа поверхностей трения/ И.В. Крагельский, Г.М. Харач//Расчетные
методы оценки трения и износа: сб. науч. тр. – Брянск: Приок. кн. изд-во, Брян. отд-ние, 1975. – С.5-47.
2. Аксенов, В.А. Теория и технология комбинированной (шлифование с управляемым термическим воздействием) обработки деталей машин с повышенными эксплуатационными характеристиками: автореф. дис. … д-ра техн. наук/ В.А. Аксенов. – Челябинск: ЧГТУ, 1995. – 34с.
3. 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.
4. Бишутин, С.Г. Структурирование поверхностных слоев деталей при финишной абразивной обработке/
С.Г. Бишутин. – Брянск:БГТУ, 2009. – 100 с.
5. Бишутин, С.Г. Обеспечение требуемой совокупности параметров качества поверхностных слоев деталей
при шлифовании / С.Г. Бишутин. – М.: Машиностроение-1, 2004. – 144 с.
6. Бишутин, С.Г. Управление микро- и наноструктурированием поверхностных слоев деталей при абразивной обработке/ С.Г. Бишутин//Вестн. БГТУ. – 2008. – №4. – С.5-10.
7. Бишутин, С.Г. Тепловыделение в зоне трения «абразивный инструмент - обрабатываемый материал»/
С.Г. Бишутин, Н.В. Тюльпинова // Трение и смазка в машинах и механизмах. – 2007. – №10. – С.23-28.
8. Бишутин, С.Г. Прогнозирование тепловыделения в контактной зоне заготовки и шлифовального круга
с учетом его изнашивания/ С.Г. Бишутин, Н.В. Тюльпинова // Вестн. БГТУ. – 2007. – №2. – С.4-9.
Материал поступил в редколлегию 14.04.09.
7
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2009. № 4 (24)
УДК 621.923
И.Л. Шупиков
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ФОРМИРОВАНИЯ КАЧЕСТВА ПРОТЯЖЕННЫХ
ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ ПРИ ЛЕПЕСТКОВОМ ШЛИФОВАНИИ
Представлены результаты исследований формирования высотных и шаговых параметров шероховатости
поверхностей деталей, обработанных лепестковыми кругами, при различных условиях шлифования.
Ключевые слова: лепестковое шлифование, шлифовальное оборудование, качество поверхности, факторный
эксперимент, дисперсионный анализ, математическая модель.
Современный уровень развития науки и техники вызывает объективную необходимость расширения существующих границ качества деталей и металлообработки. Это может быть реализовано на основе создания новых высокоэффективных технологических
процессов, нетрадиционного прогрессивного оборудования, оснастки и инструментов.
Традиционные технологические процессы достигли высокого уровня развития, но следует отметить, что и последующие работы в этом направлении дают значительные улучшения технологических характеристик процессов и качества продукции [1].
На современном этапе интенсивного развития науки, техники и технологии актуальным стал вопрос повышения точности и качества поверхностей деталей машин, среди которых особую группу составляют грузонесущие цилиндрические штанги фрикционных подъемников и другого лифтового оборудования; цилиндрические элементы протяженных рельсовых направляющих; протяженные цилиндрические направляющие контрольноизмерительного оборудования и многие другие протяженные цилиндрические детали, используемые в станкостроении, робототехнике и измерительных машинах.
Анализ геометрической формы и требований по качеству деталей этой группы показал,
что в качестве финишного этапа их обработки целесообразно использовать лепестковое
шлифование. Для обработки протяженных (более 2 м) цилиндрических поверхностей деталей было изготовлено специальное оборудование для лепесткового шлифования (рис. 1) [2].
Технические характеристики шлифовального оборудования:
- габариты основания оборудования – 1500×1500 мм;
- габарит оборудования по высоте – 2500 … 3500 мм;
- мощность приводного электродвигателя – 1,1 кВт;
- диапазон частот вращения обрабатываемой детали – 180 … 420 мин-1;
- мощность двигателя шлифовального узла – 0,37 кВт;
- диапазон скоростей шлифовального круга – 1…50 м/с;
- диапазон длин обрабатываемых деталей – 2000 … 3000 мм;
- диапазон диаметров обрабатываемых деталей – 50 … 110 мм.
Данное оборудование позволяет шлифовать протяженные круглые наружные поверхности с продольной подачей. Через ременную передачу вращение от ведущего шкива
передается к ведомому шкиву, установленному на нижней цапфе. Поскольку заготовка
устанавливается в цапфах, то она начинает вращаться вокруг своей оси, а ролики каретки
начинают обкатывать её поверхность по винтовой линии. Установленная на обрабатываемой заготовке каретка и жестко связанная с ней платформа начинают перемещаться вертикально вдоль оси детали. В это же время вращается и шлифовальный круг, лепестки которого контактируют с поверхностью заготовки.
При достижении верхнего положения происходит контакт конечного выключателя и
платформы, в результате чего приводной электродвигатель переключается на реверсивное
вращение, заготовка начинает вращаться в обратном направлении и платформа перемещается вниз. При этом лепестковый круг не меняет своей скорости и направления вращения.
8
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2009. № 4 (24)
При достижении платформой нижнего положения
срабатывает нижний конечный выключатель, изменяется направление вращения заготовки, и платформа снова
перемещается
вверх.
В
крайних положениях платформы (в момент реверса
электродвигателя) срабатывает электротормоз, который
не позволяет обрабатываемой заготовке прийти в самопроизвольное вращение
под действием сил тяжести
шлифовального узла и противовеса.
Для обработки заготовок из стали 45 диаметром
76 мм применяли лепестковые шлифовальные круги
Ø200×32×50 различной зернистости.
Эксперименты
проводились в два этапа. На
первом этапе варьировалась
зернистость круга, частота
вращения круга n и его деформация δ. Число рабочих
ходов шлифовального круга
в каждом эксперименте –
50. Были реализованы полРис. 1. Оборудование для лепесткового шлифования: 1 – основаные факторные эксперимен- ние; 2 – вертикальная стойка; 3 –горизонтальная поперечина; 4 –
ты типа 22.
пульт управления; 5 – электротормоз; 6 – нижняя цапфа; 7 –
В проводимых иссле- крепление; 8 – приводной электродвигатель; 9 – верхняя цапфа;
дованиях максимальные зна- 10 – обрабатываемая деталь; 11 – каретка; 12 – платформа; 13 –
чения скорости и деформа- шлифовальный узел; 14 –противовес; 15 –конечный выключатель
ции шлифовального круга
составляют 30 м/с и 1, 7 мм, а минимальные значения – 10 м/с и 0,6 мм соответственно.
Параметры качества измерялись с использованием переносного профилометра
Marsurf PS1. Результаты экспериментов сохранялись в памяти измерительного прибора, а
затем через USB-интерфейс переносились на ПК и обрабатывались.
После обработки результатов группы экспериментов с зернистостью круга 20-Н были получены следующие математические модели параметров качества поверхности (мкм):
Ra = 1,611 − 0,018n + 0,211δ + 0,006nδ ; 
Rmaх = 13,74 + 0,02n + 2,555δ − 0,088nδ ;


(1)
Rp = 4,919 − 0,034n + 0,672δ + 0,002nδ ; 

Rz = 11,269 − 0,047 n + 1,693δ − 0,014nδ ;


S = 45,539 + 0,044n − 1,530δ − 0,056nδ , 
9
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2009. № 4 (24)
где Ra – среднеарифметическое отклонение шероховатости; Rmax – максимальная глубина шероховатости; Rp – средняя высота выступов;Rz – средняя высота по выступам и впадинам; S – среднее пространство локальных выступов профиля.
Дисперсионный анализ рассматриваемого эксперимента показывает, что наибольшее
влияние на параметры шероховатости Ra, Rp, Rz и S оказывает деформация лепесткового
шлифовального круга.
Влияние частоты вращения лепесткового шлифовального круга на параметр шероховатости Ra меньше влияния деформации круга в 2,2 раза; для параметров шероховатости Rp и Rz влияние частоты вращения круга на 30% меньше влияния его деформации; для
параметра S влияние частоты вращения шлифовального круга в 40 раз меньше влияния
его деформации. Влияние взаимодействия частоты вращения и деформации лепесткового
шлифовального круга на параметры шероховатости Ra, Rp и Rz составляет менее 1% от
влияния деформации круга.
На параметр Rmax в наибольшей степени влияет частота вращения лепесткового
шлифовального круга; влияние деформации и взаимодействия деформации и частоты
вращения шлифовального круга признается одинаковым и составляет приблизительно
30% от величины влияния частоты вращения круга.
После обработки результатов второй группы экспериментов с зернистостью шлифовального круга 32-Н были получены следующие математические модели параметров качества поверхности (мкм):
Ra = 1,165 + 0,011n + 0,504δ + 0,004nδ ; 
Rmaх = 13,45 − 0,103n + 1,739δ + 0,245nδ ;


(2)
Rp = 3,641 + 0,007 n + 1,511δ + 0,027 nδ ; 

Rz = 9 + 0,023n + 2,751δ + 0,076nδ ;


S = 34,042 + 0,397 n + 6,199δ − 0,088nδ . 
Дисперсионный анализ рассматриваемого эксперимента показывает, что наибольшее
влияние на параметры шероховатости Ra, Rmax, Rp и Rz оказывает деформация лепесткового шлифовального круга. Для параметров Ra, Rmax и Rz влияние частоты вращения
шлифовального круга меньше влияния его деформации в четыре раза, а для параметра Rp–
в семь раз.
На параметр шероховатости S наибольшее влияние оказывает частота вращения круга, а влияние деформации круга меньше влияния его частоты вращения на 30%.
Влияние взаимодействия частоты вращения и деформации лепесткового шлифовального круга на параметры шероховатости Ra, Rmax, Rp, Rz и S составляет 0,5 … 8% от
величины влияния деформации круга.
После обработки результатов третьей группы экспериментов с зернистостью шлифовального круга 50-Н были получены следующие математические модели параметров
качества поверхности (мкм):
Ra = 0,25 + 0,077 n + 1,229δ − 0,033nδ ; 
Rmaх = 7,86 + 0,357 n + 5,29δ − 0,065nδ ;


(3)
Rp = 0,897 + 0,214n + 3,246δ − 0,077 nδ ; 

Rz = 4,534 + 0,410n + 5,672δ − 0,135nδ ;

S = 24,78 + 0,753n + 17,553δ − 0,418nδ . 

Дисперсионный анализ рассматриваемого эксперимента показывает, что наибольшее
влияние на параметры шероховатости Ra, Rmax, Rp и Rz оказывает частота вращения лепесткового шлифовального круга. Для параметров Ra, Rmax и Rp влияние деформации
шлифовального круга меньше влияния его частоты вращения в три раза, а для параметра
Rz – в четыре.
10
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2009. № 4 (24)
На параметр шероховатости S наибольшее влияние оказывает деформация круга, а
влияние частоты вращения круга в три раза меньше влияния его деформации.
Влияние взаимодействия частоты вращения и деформации лепесткового шлифовального круга для параметров шероховатости Ra, Rp, Rz и S составляет 20% от величины
влияния деформации круга, а для параметра Rmax - всего лишь 2,5%.
Погрешность представленных линейных моделей (1-3) составляет 2 … 28%, что
можно считать приемлемым.
Анализируя результаты исследований, следует отметить, что наибольшее влияние на
параметры шероховатости оказывает зернистость лепесткового шлифовального круга.
Так, при увеличении зернистости с 20 до 50 параметр Ra увеличивается в 1,4 … 2 раза,
Rmax – в 1,2 …1,6 раза, Rp – в 1,3 … 1,8 раза. Внутри каждой группы экспериментов с определенной зернистостью лепесткового шлифовального круга на исследуемые параметры
качества поверхности в большей степени влияет деформация круга.
Разделение первого этапа эксперимента на группы обусловлено тем, что наблюдается неоднозначность влияния скорости вращения круга на рассматриваемые параметры качества поверхности. Так, увеличение скорости вращения круга с мелкой зернистостью
приводит к уменьшению шероховатости поверхности, а при более крупной зернистости
шлифовальных кругов наблюдается обратная картина.
На втором этапе эксперимента в качестве варьируемого фактора выступала скорость
вращения шлифовального круга. По полученным данным были построены зависимости
для исследуемых параметров качества (рис. 2, 3).
Рис. 2. Зависимости параметров шероховатости
от скорости V вращения круга: 1 - Ra; 2 - Rp; 3 - Rz; 4 - Rmax
Визуально рассматривая полученные графические зависимости, можно заметить, что
все кривые исследуемых параметров качества имеют экстремальный характер [3]. Это
может быть объяснено изменением числа активных (образующих срезы) зерен круга и
глубины их внедрения в обрабатываемую поверхность с ростом скорости вращения инструмента.
Как видно из рис. 2, минимальное значение (экстремум) функции параметров Ra,
Rmax и Rz наблюдается при скорости лепесткового шлифовального круга 20 м/с. Наиболее
ярко экстремум наблюдается на зависимостях Rmax и Rz. Экстремум функции параметра
Rp находится в диапазоне скоростей лепесткового шлифовального круга 10 … 15 м/с.
11
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2009. № 4 (24)
На рис. 3 тоже наблюдается экстремум функции параметра шероховатости S, причем
минимальное значение функция
имеет при скорости лепесткового
шлифовального круга 15 м/с.
Данные эксперименты проводились при зернистости 32-Н и
минимальной деформации шлифоРис. 3. Зависимость параметра S от скорости вращения круга
вального круга.
Представленные результаты исследований позволяют технологически обеспечить
требуемые высотные и шаговые параметры шероховатости наружных протяженных цилиндрических поверхностей.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Никифоров, А.Д. Современные проблемы науки в области технологии машиностроения / А.Д. Никифоров. – М.: Высш. шк., 2006. – 392 с.
2. Шупиков, И.Л. Оборудование для лепесткового шлифования протяженных цилиндрических поверхностей деталей / И.Л. Шупиков // Материалы 6-й Межрегион. науч.-техн. конф. cтудентов и аспирантов: в 3
т. - Смоленск: МЭИ(ТУ), 2009. – Т. 1. – С. 145-148.
3. Гдалевич, А.И. Финишная обработка лепестковыми кругами / А.И. Гдалевич. – М.: Машиностроение,
1990. – 112 с.
Материал поступил в редколлегию 1.10.09.
12
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2009. № 4 (24)
УДК 621.9
О.Н. Федонин, Д.В. Левый
ОСОБЕННОСТИ ОБРАБОТКИ РЕЗАНИЕМ ХРУПКИХ МАТЕРИАЛОВ
Рассмотрены особенности разрушения материала и формирования шероховатости в процессе обработки
хрупких материалов. Представлены теоретические уравнения взаимосвязи условий обработки с параметрами качества поверхности, позволяющие обеспечивать на деталях необходимую шероховатость.
Ключевые слова: обработка резанием, формирование шероховатости, хрупкий материал.
При изготовлении деталей их качество оценивается по точности размеров и качеству
поверхностного слоя. Из множества параметров качества поверхностного слоя [1-3] стандартизованными являются только параметры шероховатости. Поэтому по их величине и
оценивается в большинстве случаев качество поверхностного слоя.
Спрогнозировать величину высотных параметров шероховатости можно по зависимости [2]:
Rz = h1 + h2 + h 3 + h4 ,
где h 1 -составляющая шероховатости, вызванная геометрией рабочей части инструмента
(лезвия) и кинематикой его рабочего движения относительно обрабатываемой поверхности; h 2 - составляющая шероховатости поверхности, вызванная колебательными перемещениями инструмента относительно обрабатываемой поверхности; h 3 - составляющая
шероховатости поверхности, вызванная пластическими деформациями материала обрабатываемой заготовки в зоне контакта с рабочим инструментом; h 4 - составляющая шероховатости поверхности, вызванная шероховатостью рабочей части инструмента.
Однако данная зависимость справедлива для пластичных материалов, при обработке
которых возможно пластическое оттеснение материала вспомогательной режущей кромкой.
При обработке же хрупких материалов картина образования шероховатости поверхности будет иной. Её формирование, как и при обработке деталей из пластичных материалов, будет определяться геометрией и кинематикой перемещения рабочей части инструмента относительно обрабатываемой поверхности (h 1 ), колебаниями инструмента (h 2 ).
Однако составляющая h 1 частично уменьшается за счёт среза вершины неровности при
сдвиге материала вспомогательной режущей кромкой на величину h 3 (рис.1). Естественно,
что пластического оттеснения материала при формировании шероховатости, вследствие
его хрупкости, в процессе обработки происходить не будет.
Шероховатость режущей кромки на вершине резца будет дополнительно увеличивать формируемую шероховатость на величину h 4 =R Zинс .
При обработке многозубым инструментом, например фрезой, на формирующуюся
шероховатость будет влиять и биение зубьев h 5 =∆ з . На высоту шероховатости в процессе
обработки будет также влиять возможная пористость материала h 6 .
Таким образом, в общем случае при лезвийной обработке хрупких материалов средняя высота профиля шероховатости будет определяться уравнением
(1)
Rz = h1 + h2 −h3 + h4 + h5 + h6 .
Формирование профиля шероховатости при однолезвийной обработке резцами представлено на рис.1.
При этом зависимость (1) для точения принимает следующий вид:
(2)
Rz = h1 + h2 −h3 + h4 + h6 .
13
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2009. № 4 (24)
Составляющие h 1 , h 2 можно рассчитать по известным зависимостям [1; 2]. На формирование составляющей h 3 будут влиять сжимающее и касательное напряжения. Условие равновесия будет выглядеть следующим образом:
τ сдв bс = σ В sinχ1сl АВ ,
где с – ширина площади, на которую действуют сжимающее и касательное напряжения;
b - длина площади, на которую действует касательное напряжение; l AB =ρΦ- длина площади, на которую действует сжимающее напряжение, ρ- радиус округления режущей
кромки, Φ- угол сдвига; χ 1 – угол контакта вершины лезвия с обработанной поверхностью
по вспомогательной режущей кромке (рис.1).
h6
A
Rz
b
h1
χ1
h3
Б
A
Н
Dr
b
c
σ
hy
Н
q
Б-Б
А-А
τ
А O
В
Б
Рис. 1.Формирование профиля шероховатости при лезвийной обработке
хрупких материалов
Для того чтобы произошел срез вершины неровности, должно выполняться условие
b<
σВ
sinχ1 ρΦ,
τ сдв
причем в эту зависимость необходимо подставлять следующие значения χ 1 :
S
S
S
и ϕ1 ≥ arcsin
1) при ϕ ≥ arcsin
χ 1 = arcsin ;
2r
2r
2r
S
S
χ1 = ϕ1 (вспомогательный угол в плане инст2) при ϕ ≥ arcsin
и ϕ1 < arcsin
2r
2r
румента);
S
S
χ1 = ϕ1 .
3)при ϕ < arcsin
и ϕ1 < arcsin
2r
2r
С учетом того, что величины b и h 3 являются сторонами треугольника гребешка
скола, для них получены следующие зависимости:
14
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2009. № 4 (24)
S
2r
S
(рис. 2а)
2r
btgχ
S

h3 =
,  χ = χ1 = arcsin  ,
2
2r 

где χ - угол контакта вершины лезвия с обработанной поверхностью по главной режущей
кромке;
S
S
и ϕ1 < arcsin (рис. 2б)
2) при ϕ ≥ arcsin
2r
2r
b
S

h3 =
 χ1 = ϕ1 , χ = arcsin  ;
 1
1  
2r 
1) при ϕ ≥ arcsin
и ϕ1 ≥ arcsin


+
tg
χ
tg
χ
1


3) при ϕ < arcsin
S
S
и ϕ1 < arcsin (рис. 2в)
2r
2r
h3 =
b
(χ1 = ϕ1 , χ = ϕ) .
,
 1
1 


+
 tgχ1 tgχ 
b
b
F
h3
l
q
D
H
E
r
r
q
χ1
φ1
F
l
χ
а)
h3
D H E
б)
b
φ1
D
φ
h3
H E
q
l
F
в)
Рис. 2. Схема для расчета высоты скола (h 2 ) при формировании профиля:
а- радиусной частью лезвия инструмента; б - радиусной частью лезвия и вспомогательной
режущей кромкой инструмента; в- радиусной частью лезвия, главной и вспомогательной
режущими кромками инструмента.
Предложенная модель проверялась при обработке графита марки МГ1 на станке
мод. 16К20 резцом с напайной пластиной ВК8. Учитывая, что величина колебания составляющей силы резания ∆Р у при обработке графита на порядок меньше, чем при обработке
15
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2009. № 4 (24)
h3
S0
h6
Rz
h1
конструкционной стали, можно пренебречь величиной колебаний, следовательно, h 2 =0.
Таким образом, уравнение (2) для случая токарной обработки графита примет следующий
вид:
R z = h1 −h 3 + h 4 + h 6 .
b
b
b
b
b
Рис. 3. Профилограмма поверхности, обработанной точением (радиус вершины r = 0,4 мм,
глубина резания t = 1мм, скорость резания V = 200 м/мин, подача S 0 = 0,7 мм/об, углы в
плане φ =φ 1 = 45º, ВУ/ГУ=10)
Снятые профилограммы полученной поверхности подтверждают предложенную
картину формирования шероховатости (рис. 3).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Суслов, А. Г. Инженерия поверхности деталей машин / А.Г. Суслов. -М.: Машиностроение,2007.- С. 434.
2. Суслов, А.Г. Качество поверхностного слоя деталей машин / А.Г. Суслов. М.: Машиностроение, 2000. С. 320.
3. Сулима, A.M. Поверхностный слой и эксплуатационные свойства деталей машин / A.M. Сулима, В.А.
Шулов, Ю.Д. Ягодкин. - М.: Машиностроение, 1988. - С.240.
Материал поступил в редколлегию 26.05.09.
16
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2009. № 4 (24)
УДК 621.923
Н.В. Тюльпинова
ПРОГРАММНЫЙ МОДУЛЬ ДЛЯ ОЦЕНКИ ТЕРМИЧЕСКОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ
НА ПОВЕРХНОСТНЫЙ СЛОЙ ПРИ АБРАЗИВНОЙ ОБРАБОТКЕ
Представлены алгоритмы расчета тепловыделения при шлифовании, определения периода стойкости шлифовального круга по критерию отсутствия прижогов, а также интерфейс программного обеспечения, разработанного на основе данных алгоритмов.
Ключевые слова: шлифование; температура; стойкость инструмента; программный модуль.
Качество продукции машиностроения в значительной степени обеспечивается на
финишных операциях технологических процессов механической обработки. Наиболее
распространенными финишными операциями являются разнообразные виды абразивного
шлифования. Тепловые явления, сопровождающие процесс шлифования, оказывают существенное влияние на качество шлифованных поверхностей. Для назначения научно
обоснованных режимов бесприжогового шлифования необходимо иметь представление о
температурном поле в зоне обработки, которое претерпевает значительные изменения
вследствие изнашивания шлифовального круга. Математические модели и методики прогнозирования тепловыделения при шлифовании, учитывающие изменение состояния рабочей поверхности инструмента в процессе его эксплуатации и позволяющие рассчитать
период стойкости круга по критерию отсутствия прижогов, представлены в исследованиях
[1; 2]. Однако проведение расчетов по этим методикам весьма затруднительно, так как
требует выполнения большого объема трудоемких вычислений, а следовательно, существует необходимость автоматизации данных расчетов. В связи с этим представленные ниже
результаты исследований (результаты использования разработанного программного обеспечения) являются актуальными и представляют интерес как с научной, так и с практической точки зрения.
В основу разработанного алгоритмического и программного обеспечения положены
методики расчета тепловыделения при шлифовании, изложенные в исследованиях [1; 2].
Алгоритм расчета температуры в контактной зоне заготовки и шлифовального круга
при известных условиях и режимах обработки приведен на рис. 1. Согласно представленному алгоритму, сначала необходимо определить количество тепловых импульсов i от
вершин зерен в зоне обработки. Для этого требуется рассчитать распределение по высоте
вершин зерен F С (t) (где t – глубина шлифования) как функцию линейного износа U Л
шлифовального круга [3], а затем определить длину дуги контакта круга и заготовки L. На
обрабатываемой поверхности детали условно выделяется участок площади контакта шириной 1 мм и длиной L, и рассчитывается число n вершин абразивных зерен, проходящих
через этот участок при единичном контакте со шлифовальным кругом. На выделенном
участке должно разместиться n рисок от вершин зерен. Так как зерна вдавливаются в обрабатываемый материал на различную глубину a z , необходимо рассчитать распределение
числа рисок от вершин зерен в зависимости от величины a z . Затем рассчитываются значения ширины рисок, соответствующие различным значениям глубины a z . Используя полученное распределение числа рисок по ширине, можно построить k картин наложения рисок. Каждая картина характеризуется своим конкретным взаимным расположением различных по ширине рисок. Для каждой r-й реализации рассматривается m участков и определяется среднее число i rср тепловых импульсов. Далее, проведя осреднение по всем k
реализациям, получаем искомое число тепловых импульсов i (значения m и k, необходимые для расчета числа i, определяются требуемой точностью расчетов).
17
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2009. № 4 (24)
Начало
Ввод исходных данных
Расчет числа тепловых импульсов i
Расчет доли Fc(t) числа вершин зерен рабочей поверхности
круга, находящихся в поверхностном слое инструмента толщиной,
равной глубине шлифования t с учетом износа инструмента
База данных для
расчета Fc(t)
Расчет длины дуги контакта L круга и заготовки
Расчет числа n вершин зерен, проходящих через
рассматриваемый участок за единичный контакт
Расчет распределения числа рисок в зависимости от глубины az
База данных для
расчета Uл и ρ
Расчет ширины рисок b, соответствующей различным
значениям глубины az, с учетом износа
Расчет распределения числа рисок в зависимости от ширины b
Рассмотрение k реализаций картин наложения рисок (r=1)
r<k
Нет
Да
Расчет среднего числа импульсов r-й реализации
m
i rcp =
∑ i rj
j=1
m
r=r+1
Расчет среднего числа импульсов i для k реализаций
Расчет n возможных вариантов изменения температуры (s=1)
s<n
Нет
Да
1
2
Рис. 1. Алгоритм расчета температуры в контактной зоне заготовки и
шлифовального круга при известных условиях и режимах обработки
18
3
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2009. № 4 (24)
1
2
Да
Расчет s-го варианта изменения температуры
3
Расчет числа Н контактов круга и рассматриваемого
участка поверхности заготовки за один рабочий ход
Формирование случайным образом массива значений
az с учетом распределения числа рисок по глубине
(размер массива Н i)
База данных для
расчета Uл и ρ
Расчет массива значений Г,
соответствующего массивуaz (размер массива Н i)
Расчет массивов значений εi и σi
(размер массивов Н i)
База данных по
обобщенным
диаграммам
деформирования
сталей σi(εi)
Расчет массива значений q
интенсивности тепловых импульсов (размер массива Н i)
Расчет температуры на p-м контакте от i импульсов (p=1)
p=p+1
Нет
База данных по
зависимостям
теплофизических
характеристик
сталей от
температуры
a(T), c(T), λ(T)
p>H
Да
Расчет среднеинтегральной температуры Тs ср
на последнем H-м контакте
s=s+1
Расчет среднего значения температуры Т
для n вариантов изменения температуры
n
T=
∑ Tscp
s =1
n
Конец
Окончание рис. 1
После определения величины i рассчитывается n возможных вариантов изменения
температуры. Каждый вариант изменения температуры рассчитывается следующим образом. Сначала определяется число H контактов круга и рассматриваемого участка поверхности заготовки за один рабочий ход, затем – интенсивность тепловых источников (зерен
19
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2009. № 4 (24)
круга) q. Глубина вдавливания зерен – случайная величина, не одинаковая для всех зерен,
поэтому формируется массив глубин внедрения зерен a z и для каждого значения a z рассчитывается соответствующая ему величина q, т.е. получается массив значений q. Число
элементов этого массива определяется из следующих соображений: за один рабочий ход
рассматриваемый участок поверхности заготовки испытывает Н контактов с кругом, а на
каждом контакте испытывает действие i тепловых импульсов, следовательно, число элементов массива равняется H×i. Таким образом, требуется случайным образом
cформировать массив из H×i значений a z (с учетом распределения числа рисок по глубине). Далее необходимо для каждого из полученных значений a z рассчитать значение накопленной интенсивности деформации сдвига Г, т.е. получить массив из H×i значений Г.
Это делается следующим образом: для каждого значения a z строится траектория перемещения частицы металла (с использованием известных формул [3]), затем эта траектория
разбивается на ряд участков, для каждого участка по формулам [3] рассчитывается интенсивность скоростей деформации сдвига; после суммирования по всем участкам получается искомое значение Г. Так как значение интенсивности деформаций ε i пропорционально
величине Г, то, используя массив Г, можно получить массив из H×i значений ε i . Далее с
помощью обобщенной диаграммы деформирования σ i (ε i ) рассчитывается массив из H×i
значений интенсивности напряжений σ i . После этого, располагая всеми необходимыми
исходными данными, можно рассчитать массив из H×i значений q.
Затем, располагая значениями числа тепловых импульсов i и интенсивности тепловых источников q, можно перейти непосредственно к расчету вариантов изменения температуры. Температура от i импульсов рассчитывается для каждого из H контактов с использованием зависимостей температуропроводности a, теплоемкости c и теплопроводности λ от температуры Т. При расчетах учитывается, что время действия теплового импульса и интервал времени между импульсами – случайные величины.
При шлифовании поверхностный слой постоянно срезается, при этом слой металла,
расположенный под поверхностью (например, на расстоянии глубины резания t ф ), постепенно нагревается, по мере снятия припуска приближается к зоне контакта круга с заготовкой и после снятия припуска выходит на поверхность, т.е. расстояние от рассматриваемой точки до поверхности постепенно уменьшается от t ф до нуля. За H контактов рассматриваемый участок испытает тепловое воздействие H×i раз. Если предположить, что
каждый раз рассматриваемая точка приближается к поверхности на одинаковое расстояние, то это расстояние определяется как t ф /(H×i). Таким образом, можно получить массив
значений координат рассматриваемой точки, необходимый для расчета температуры.
Структурно-фазовые превращения, происходящие в металле при шлифовании, определяются не мгновенными температурами, а некоторыми средними значениями, при которых
металл пребывает сравнительно долгий промежуток времени. Поэтому рассчитывается
среднеинтегральное значение температуры, которое и определяет изменения, происходящие в металле. Данная температура рассчитывается для последнего контакта круга и заготовки, так как на этом контакте рассматриваемый участок выходит на поверхность.
Таким образом рассчитывается один из возможных вариантов изменения температуры. Однако при других значениях интенсивности тепловых импульсов и временных интервалах между импульсами может быть получена другая картина изменения температуры и среднеинтегральное её значение. Поэтому необходимо провести расчет, аналогичный
описанному, но для иных значений интенсивности тепловых импульсов и интервалов между ними. Рассчитав n возможных картин изменения температуры (в зависимости от требуемой точности) и проведя осреднение по всем n значениям среднеинтегральной температуры, можно получить окончательную величину температуры.
20
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2009. № 4 (24)
Алгоритм расчета периода стойкости шлифовального круга по критерию
отсутствия прижогов представлен на
Ввод исходных данных
рис. 2. Согласно данному алгоритму,
необходимо рассчитывать температуры
t=0
при шлифовании (рис. 1) для случаев,
когда обработка ведется острым кругом
Расчет линейного износа круга Uл = f (t)
(t=0 мин работы круга), через t=0,5 мин
работы круга, через t=1 мин работы круРасчет температуры
га и т.д. При этом для каждого случая
следует проводить сопоставление с температурой начала структурно-фазовых
t=t+0,5
да
превращений Т н . Если через t мин рабоТ<Тн
ты температура нагрева обрабатываемого материала больше Т н , то необходимо
нет
прекратить расчет и сделать следующий
Через t мин работы шлифовального круга
вывод: при данной степени изношенновелика вероятность образования прижогов
сти круга велика вероятность образования прижогов, поэтому через t-0,5 мин
Период стойкости круга = t-0,5 мин
работы круга нужно проводить его
правку.
Конец
На основе рассмотренных алгоритмов была разработана программа для
Рис. 2. Алгоритм расчета периода стойкости шлифоперсонального компьютера на языке
вального круга по критерию отсутствия прижогов
DIGITAL Visual Fortran. Перед началом
расчета программа запрашивает следующие исходные данные (рис. 3): характеристики
шлифовального круга (зернистость инструмента, материал зерен шлифовального круга,
номер структуры круга, твердость шлифовального круга, диаметр и высота шлифовального круга, режим правки круга); размеры заготовки (диаметр и/или длина обрабатываемой
поверхности); обрабатываемый материал; способ и параметры техники подачи смазочноохлаждающих технологических средств; элементы режима шлифования (вид шлифования,
скорость вращения шлифовального круга, скорость вращения (перемещения) заготовки,
продольная подача, поперечная подача (для плоского шлифования)); время работы шлифовального круга. После этого программа рассчитывает температуру, характерную для
данного режима обработки, и отображает картины наложения рисок на обрабатываемой
поверхности от зерен круга (рис. 4) и графики изменения температуры нагрева обрабатываемого материала (рис. 5). Также программа рассчитывает период стойкости шлифовального круга для выбранных режимов обработки (рис. 6) по критерию отсутствия прижогов
на обработанной поверхности. Ниже приведены фрагменты интерфейса разработанного
программного обеспечения, подтверждающие его работоспособность (рис. 3–6).
Разработанный программный модуль позволяет рассчитывать тепловыделение при
шлифовании за короткий промежуток времени (не более 1 мин), проектировать технологические операции шлифования и оперативно принимать решение о требуемой корректировке режима обработки с целью исключения брака, вызванного появлением прижогов на
шлифуемой поверхности.
Минимальные требования к персональному компьютеру для успешного функционирования данного программного обеспечения: процессор типа Intel Pentium III; оперативная
память не менее 256 Mбайт; операционная система Microsoft Windows 2000/XP/Vista.
Начало
21
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2009. № 4 (24)
Рис. 3. Окно ввода исходных данных
Рис. 4. Картины наложения рисок на обрабатываемой поверхности от зерен шлифовального круга
22
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2009. № 4 (24)
Рис. 5. Графики изменения температуры
нагрева обрабатываемого материала
Рис. 6. Результаты расчета периода стойкости круга
Разработанное программное обеспечение позволяет значительно снизить трудоемкость технологической подготовки производства в части проектирования технологических
операций шлифования.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1.
2.
3.
Бишутин, С.Г. Тепловыделение в зоне трения «абразивный инструмент – обрабатываемый материал» /
С.Г. Бишутин, Н.В. Тюльпинова // Трение и смазка в машинах и механизмах. – 2007. – № 10. – С. 23-28.
Тюльпинова, Н.В. Имитационное моделирование процесса формирования тепловых импульсов в контактной зоне заготовки и шлифовального круга / Н.В. Тюльпинова // Вестн. БГТУ. – 2008. – №1. – С. 2428.
Бишутин, С.Г. Обеспечение требуемой совокупности параметров качества поверхностных слоев деталей
при шлифовании / С.Г. Бишутин. – М.: Машиностроение-1, 2004. – 144 с.
Материал поступил в редколлегию 27.05.09.
23
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2009. № 4 (24)
УДК 621.74
И.К. Кульбовский, Д.А. Туркин
ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕМПЕРАТУРНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ И ДЕФОРМАЦИЙ
В ЧУГУННЫХ КОКИЛЯХ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ОТЛИВОК МЕЛЮЩИХ
ШАРОВ
Исследованы термические напряжения и деформации, возникающие в металлических формах из чугуна при
изготовлении в них отливок мелющих шаров. Рассмотрены основные факторы, приводящие к разрушению
кокилей при эксплуатации. Даны рекомендации по повышению их эксплуатационной стойкости.
Ключевые слова: чугун, отливка, кокиль, стойкость, деформация.
Чугунные мелющие шары для горнообогатительных комбинатов изготовляют литьем из чугуна в металлические формы. Применяемые для этого кокиля из чугуна марок
СЧ10, СЧ15 имеют невысокую стойкость. При эксплуатации таких кокилей возникают
значительные термические напряжения, приводящие к короблению, появлению сетки разгара и последующему разрушению формы. Поэтому исследование величин и влияния
термических напряжений, возникающих в чугунных кокилях, на их стойкость является
одной из актуальных задач литейного производства.
Для определения температурного режима работы металлической формы были отлиты экспериментальные кокиля из чугуна, в которые на разных уровнях и расстояниях от
внутренней поверхности были вмонтированы термопары (рис. 1), подключенные к потенциометрам, что позволяло замерять температуру в их стенках во время заливки в них чугуна и охлаждения отливок.
По полученным экспериментальным данным рассчитали тепловой поток, действующий со стороны расплавленного металла на кокиль, и провели расчетные исследования
температурных полей кокилей. Исследования показали, что перепад температур между
термопарами 1 и 3, вмонтированными в экспериментальный кокиль (рис. 1), равен 140°С.
Тепловой поток для этого случая равен [1-3]
q max = λ∙∆Т/∆h,
(1)
где q max – максимальный тепловой поток; λ – коэффициент теплопроводности; ∆Т – разность температур между датчиками; ∆h – расстояние между термопарами 1 и 3, равное
19мм.
В табл. 1, 2 приведены свойства чугунов, применяемых для изготовления кокилей [4;
5]. Температурный режим работы кокилей на основе экспериментальных (рис. 1) и производственных данных при изготовлении мелющих шаров следующий: максимальная температура кокиля до заливки (после подогрева) – 250°С; максимальная температура наружной стенки кокиля после нескольких заливок – 400°С; максимальная температура внутренней стенки кокиля после нескольких заливок – 600°С. Толщина стенок кокиля –
40…50 мм. При подстановке этих значений, а также данных из табл. 1, 2 в формулу (1)
получаем q max = 0,368 Вт/мм2.
Общее количество тепла, передаваемое от металла в кокиль за цикл «заливкавыбивка», равно [1-5]
Q M = C·∆Т 1 M,
(2)
где Q M – общее количество тепла; С – теплоемкость чугуна; ∆Т 1 – разница температур заливаемого чугуна и извлекаемых отливок; М – масса заливаемого чугуна (принимается по
производственным данным).
На основе производственных данных принимаем ∆Т 1 = 1350 – 700 = 650°С, М = 4 кг
(вес металла отливок на половину кокиля).
24
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2009. № 4 (24)
При подстановке данных из табл. 1, 2 в формулу (2) получаем количество тепла, выделяемого металлом отливки до её извлечения из кокиля: Q M = 13·105 Дж.
С другой стороны, количество тепла, которое отводится кокилем, равно [1-3]
Q К = ∫ g(t) S dt,
(3)
где g(t) – распределение теплового потока в кокиле во времени; S – площадь контакта
(56000 мм2).
Предполагаем, что поток меняется во времени линейно [1-3] от q max = 0,368 Вт/мм2 в
начале заливки до нуля в конце заливки.
Тогда Q К = 11,9·105 Дж.
(4)
Принятое допущение о величине теплового потока и его распределении соответствует действительности.
На свободных поверхностях кокиля приняты граничные условия 3-го рода (конвекция) по выражению [1-3]
q = α 1 (T - T воз ),
(5)
где α 1 – коэффициент теплоотдачи, равный 50 Вт/(м2·град) [1-3]; T воз – температура окружающей среды (воздуха), равная 20°С.
На поверхности стыковки двух половинок кокиля приняты граничные условия теплоизоляции. Рассматриваем первый цикл заливки. Начальная температура кокиля равна
250°С для всего тела. Весь интервал времени был разбит на 12 шагов по 10с.
Для выполнения расчетов на ЭВМ по конечноэлементным моделям кокилей по формулам (1-5) была использована специальная программа, представленная московской фирмой «Криста».
В результате компьютерных расчетов были получены нестационарные температурные поля кокилей.
Установлено, что максимальная температура поверхности кокиля достигается на 7-м
шаге по времени – через 70 с от начала заливки – и составляет 570°С (рис. 2). Изображенные с помощью компьютера изолинии распределения температур в кокилях на 70-й секунде цикла заливки для поверхностей, находящихся под воздействием теплового потока,
показывают, что наиболее разогретой поверхностью является заливочная чаша (рис. 4).
Таблица 1
Марка
чугуна
СЧ20
ЧВГ35
Механические свойства чугунов для кокилей
Статическая
Усталостная
Деформация Упругая
прочность σ в , МПа
прочность σ -1 , МПа
разрушения, деформаПри растяПри растя%
ция, %
При сжатии
При сжатии
жении
жении
220
768
80
310
0,31-0,63
0,18
350
1300
140
520
2,5-3,5
1,25-1,50
Таблица 2
Марка
чугуна
Плотность γ,
кг/м3
СЧ20
ЧВГ35
7,1·103
7,3·103
Физические свойства чугунов для кокилей
КоэффициМодуль
КоэффиКоэффициТеплоент теплоупругости Е, ГПа
циент
ент линейемкость,
проводноного расПри рас- При сжа- Пуассона
Дж/К
сти λ,
μ
ширения α
тяжении
тии
Вт/(м·К)
-6
120
120
0,25
500
10·10
50
140-160
140-160
0,28
550
13·10-6
45
25
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2009. № 4 (24)
Рис.1. Схема расположения термопар
в экспериментальном кокиле
Рис. 2. Изменение температуры за цикл заливки
для наиболее нагретой точки кокиля
Изменение температуры за цикл заливки для одной из точек наружной поверхности
кокиля приведено на рис. 3. Как видно из графика, температура сначала падает (охлаждение на воздухе в результате конвекции предварительно нагретого кокиля) и лишь через
40 с цикла заливки начинает подниматься под воздействием теплового потока, дошедшего
за это время от внутренней поверхности кокиля. Изображенные с помощью компьютера
изолинии распределения температур на наружной поверхности кокиля (рис. 4) показывают, что она может разогреваться к концу цикла заливки до 300°С.
По результатам расчета нестационарного температурного поля (рис. 2,3) было оценено термонапряжённое состояние кокилей для всех 12 шагов по времени за цикл заливки
– 120 с.
Компьютерные расчеты показывают, что компоненты тензора напряжений – эквивалентные напряжения (σ экв ) и главные (σ) – достигают своих максимальных значений на 30й секунде цикла заливки (рис. 5).
Изображенные с помощью компьютера изолинии эквивалентных и главных напряжений показывают, что они наибольшие у питателя.
Из рис. 5 видно, что максимальные эквивалентные термические напряжения в кокиле достигают 21 кг/мм2.
Максимальные эквивалентные температурные напряжения в кокилях достаточно велики, они превышают предел текучести чугуна СЧ20 и почти достигают предела текучести чугуна ЧВГ35 (табл. 1). Следует учитывать, что при повышенных температурах прочностные свойства чугуна снижаются [4; 5]. Это свидетельствует о большой вероятности
возникновения трещин малоцикловой усталости при многократной заливке жидкого металла в кокиль, что приводит к выходу его из строя. Кроме того, превышение термонапряжениями предела текучести материала кокилей может привести к их формоизменению, вызываемому остаточными пластическими деформациями.
Рис. 3. Изменение температуры за цикл заливки
для внешней поверхности кокиля
Рис. 4. Распределение температур в кокиле
на 70-й секунде цикла заливки
26
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2009. № 4 (24)
На рис. 6 показана деформация – смещение по оси Z (рис. 4) – края кокиля, значения
которой получены с помощью компьютера. Найдено, что максимальная деформация на
60-й секунде заливки достигает 0,43мм, а максимальная бочкообразность – 0,46мм.
При остывании кокиля возникающие остаточные пластические деформации будут
иметь обратный знак, поэтому при накоплении остаточных пластических деформаций в
процессе эксплуатации кокиль будет приобретать обратную бочкообразность. Бочкообразность кокиля (вогнутость со стороны разъема) приводит к утечке из него жидкого чугуна при заливке и браку отливок. Таким образом, проведенные исследования термических напряжений кокилей показывают, что необходимо изыскивать для них более термостойкие материалы, чем чугун марок СЧ10, СЧ15.
Рис. 5. Изменение максимальных эквивалентных
напряжений в кокиле за цикл заливки
Рис. 6. Перемещение вдоль оси Z края кокиля
за цикл заливки
Проведенные исследования термических напряжений и деформаций кокилей позволяют сделать следующие выводы:
1. Разработана методика расчета на ЭВМ термонапряженного состояния кокиля.
2. На основе разработанной методики и полученных экспериментальных данных на
ЭВМ рассчитаны тепловые потоки.
3. По специальной программе на ЭВМ рассчитаны температурные поля, термонапряжения и термодеформации кокилей.
4. С помощью ЭВМ получены изолинии максимальных значений рассчитываемых
компонентов напряженно-деформированного состояния кокилей.
5. По расчетам максимальная температура внутренней поверхности кокиля достигает 574°С через 70 с после заливки. Экспериментальные замеры подтверждают расчетные
данные.
6. По расчетам максимальные эквивалентные напряжения в кокиле достигают
21кг/мм2.
7. Максимальные эквивалентные температурные напряжения в кокилях достаточно
велики: они превышают предел текучести чугуна СЧ20 и почти достигают предела текучести чугуна ЧВГ35. Это свидетельствует о большой вероятности возникновения в них
трещин малоцикловой усталости.
8. Максимальная деформация кокиля на 60-й секунде заливки достигает 0,43мм, а
максимальная бочкообразность составляет 0,46мм.
9. Остаточные пластические деформации, возникающие при остывании кокиля, будут иметь обратный знак, поэтому при накоплении остаточных пластических деформаций
в процессе эксплуатации кокиль будет приобретать обратную бочкообразность, т.е. коробиться по разъему. Это приведет к повышенной утечке металла из него и браку отливок,
что и наблюдается в производстве.
27
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2009. № 4 (24)
10. Проведенные исследования показывают, что для увеличения стойкости кокилей
их необходимо изготовлять из чугуна с повышенными механическими свойствами. Изготовляемые на заводе кокили из чугунов марок СЧ10, СЧ15 не могут иметь достаточную
стойкость, так как механические свойства данных чугунов ниже термических напряжений,
развивающихся в них при эксплуатации.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Баландин, Г.Ф. Основы теории формирования отливки: учеб. пособие для вузов / Г.Ф. Баландин. – М.:
Машиностроение, 1979. – 335с.
2. Вейник, А.И. Расчет отливки / А.И. Вейник. – М.: Машиностроение, 1964. – 403с.
3. Дубинин, Н.П. Чугунное литье в металлических формах / Н.П. Дубинин. – М.: Машгиз, 1956. – 319с.
4. Машиностроение. Т. II-2. Стали и чугуны: энциклопедия / под ред. О.А. Банных, Н.Н. Александрова. – М.:
Машиностроение, 2001. – 784с.
5. Справочник по чугунному литью / под ред. д-ра техн. наук Н.Г. Гиршовича. – 3-е изд., перераб. и доп. –
Л.: Машиностроение, Ленингр. отд-ние, 1978. – 758с.
Материал поступил в редколлегию 21.04.09.
28
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2009. № 4 (24)
УДК 51-74:519.711:519.714:666.972.7
А.Н. Бормотов, И.А. Прошин
МНОГОКРИТЕРИАЛЬНЫЙ СИНТЕЗ СВЕРХТЯЖЕЛОГО КОМПОЗИТА∗
Композиционные материалы специального назначения представлены как сложные технические системы.
Предложен подход к многокритериальному синтезу композиционных материалов как к задаче управления.
На основе такого подхода оптимизированы свойства и структура композиционных материалов, обладающих
повышенными защитными свойствами от воздействия ионизирующих излучений.
Ключевые слова: математическое моделирование, управление качеством, многокритериальный синтез, композиционные материалы, структурообразование.
Совершенствование традиционных и внедрение новых технологий, базирующихся
на использовании более интенсивных физических воздействий и применении химически
активных сред, требует привлечения новых эффективных и долговечных композиционных
материалов (КМ), обеспечивающих экологическую безопасность и экономическую эффективность различных производств. В связи с этим приобрело чрезвычайную актуальность решение задач по обеспечению экологической безопасности сооружений подземного захоронения и консервации радиоактивных отходов; локализации радиоактивного загрязнения при радиационных авариях; связыванию потенциально опасных отходов и футеровке ограждающих конструкций в морской технике для защиты персонала и оборудования от проникающих излучений. Решение этих задач требует создания эффективных
композиционных материалов специального назначения с заданными свойствами.
Подобная задача не может быть решена без учета множества критериев окружающей
среды, эксплуатационных характеристик материалов, показателей структуры и свойств,
учета рецептуры и технологии, т.е. композиционный материал необходимо рассматривать
системно, как сложную техническую систему, испытывающую на себе комплекс воздействий и имеющую целый ряд управляемых параметров. Такой подход требует обобщения
научных основ математического моделирования и многокритериального синтеза радиационно-защитных композиционных материалов (РЗКМ), а также разработки математического аппарата анализа и синтеза РЗКМ, программных комплексов и создания на их основе
новых композиционных материалов со строго заданными структурой и свойствами.
Анализ современного состояния теории и практики построения математических моделей и их использования при управлении, прогнозе и изучении различных явлений природы и техники позволяет выбрать для моделирования композиционных материалов в качестве одних из основных методы построения нелинейных моделей и расширение области использования нелинейных зависимостей, позволяющих не только расширить возможности по созданию и управлению различными структурами РЗКМ, но и провести более
точные и детальные исследования различных КМ специального назначения.
Подход к синтезу материалов с точки зрения классической теории оптимального управления. В теории оптимального управления существует следующая принятая
последовательность этапов для решения технической задачи:
1. Техническая постановка задачи и выбор технического критерия оптимизации.
2. На основе технической постановки задачи строится математическая модель объекта управления в форме системы операторных уравнений (дифференциальных, интегральных, разностных, дифференциально-разностных, дифференциально-интегральных и
т.д.). Далее оценивается область применения математических моделей. Здесь же выбира∗
Работа выполнена при поддержке гранта АВЦП «Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2010
годы)» на 2009 год на тему «Математическое моделирование и многокритериальный синтез строительных
материалов специального назначения», рег. № 2.1.2/5688.
29
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2009. № 4 (24)
ются компоненты вектора управления, параметры системы и возмущения, устанавливаются фазовые координаты. При разработке оптимальных систем указываются ограничения
на компоненты вектора управления и фазовые координаты. Так, ограничения на фазовые
координаты могут дать принадлежность вектора состояния некоторому замкнутому множеству точек n-мерного пространства. Они могут определять прочность, жесткость объекта и т.д. Здесь же указываются ограничения на вектор управления (например, энергопотребление).
На этом же этапе определяются начальные или краевые условия, выбирается критерий для оценки качества управления.
3. В предположении полной формализации задачи выбирается метод оптимизации.
Как правило, предполагается задание математической модели объекта применительно к
выбранному методу на его языке. Однако не исключается, что модель подгоняется под
выбранный метод оптимизации. Так, по системе дифференциальных уравнений линейного
объекта может быть построен соответствующий функционал качества на основе корней
характеристического полинома.
4. Выбор численных методов, реализующих метод оптимизации: методов решения
систем дифференциальных уравнений, определения значений функционала качества и т.д.
5. Разработка и отладка программ для решения задачи оптимизации на ЭВМ, возможная корректировка численных методов для повышения точности и вычислительной
эффективности алгоритма.
6. Анализ полученных результатов оптимизации с возможной корректировкой и упрощением как всей математической задачи, так и отдельных ее элементов. Результаты решения математической задачи являются исходной информацией для уточнения формулировки технической задачи, и итерационный процесс может повторяться до достижения
заданной точности.
Практически без оговорок указанная последовательность может использоваться при
синтезе КМ из условий получения требуемых кинетических процессов формирования физико-химических характеристик материалов (плотность, прочность, твердость, параметры
тепловыделения, химическая и радиационная стойкость и т.д.).
Основные понятия и определения материаловедения легко интерпретируются в соответствующих терминах, принятых в теории систем управления.
В самом общем случае объект со стороны окружающей среды находится под воздейΤ
ствием целого ряда факторов Z (t ) = [z1 (t ), z 2 (t ), , z l (t )] , часть из которых
[
]
Z 1 (t ) = z11 (t ), z12 (t ),  , z1l1 (t )
[
Τ
(контролируемые воздействия) могут быть измерены, а
]
часть Z 2 (t ) = z 21 (t ), z 22 (t ),  , z 2l 2 (t ) (неконтролируемые воздействия) – не поддаются измерению или их влияние не существенно [1]. Исследователя (субъекта) интересует взаиΤ
мосвязь выходных координат объекта (КМ) X (t ) = [x1 (t ), x 2 (t ),  , x k (t )] , характеризующих
свойства объекта исследования (ОИ) – РЗКМ, управляющих воздействий
Τ
U (t ) = u1 (t ), u 2 (t ),  , u p (t ) , поступающих со стороны субъекта, и возмущений Z (t ) .
Существует множество понятий модели объекта. Примем подход, основанный на
представлении объекта в виде кибернетической системы, определяемой множеством
Τ
входных воздействий Y (t ) = {U (t ), Z (t )} = [ y1 (t ), y 2 (t ),  , y r (t )] , среди которых есть контролируемые Y * и неконтролируемые E , и множеством характеристик и ограничений Q ,
действующих в системе и накладываемых на Y * и E : A = Y * , E , Q (рис.1).
Математическая модель кибернетической системы устанавливает отображение F заданных
множеств
на
множество
выходных
координат
объекта
Τ
*
*
X (t ) = [x1 (t ), x 2 (t ),  , x k (t )] : F := Y , E , Q → X , т. е. X = F Y , E , Q .
[
Τ
]
{
{
}
}
{
30
}
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2009. № 4 (24)
Основополагающим в моделировании является принцип изоморфизма. Строгий изоморфизм между двумя системами означает наличие взаимно-однозначного соответствия
не только между входными воздействиями и характеристическими множествами Q1 и Q2 ,
но и между выходными координатами систем.
Данное утверждение находит подтверждение в работах И.А. Рыбьева [2] о теории
искусственных конгломератов в части формулировки законов створа и конгруэнции, а
также в работах В.И. Соломатова [3] о полиструктурной теории в части формулировки
принципа полиструктурности композиционных материалов и закона подобия кластерных
систем.
Действие окружающей среды и нормальные
ошибки технологий: непостоянство температуры
среды и исходных компонентов, нормальные
ошибки дозирования, неравномерность
распределения физических и химических свойств
исходных материалов, примеси, человеческий
фактор и т.д.
Параметры структуры КМ: вид
кристаллической решетки,
характер молекулярных связей,
толщина матрицы вяжущего,
гранулометрический состав и т.д.
u1 (t )
u (t )
2

U (t ) = 
....... 


u p (t )
Эксплуатационные свойства
КМ: плотность, прочность,
морозостойкость,
теплопроводность,
радиационная стойкость и т.д.
Рецептурно-технологические
условия КМ: состав и
соотношение компонентов,
последовательность
совмещения компонентов,
режимы совмещения и
перемешивания и т.д.
Рис. 1. Структурная схема объекта управления – КМ
В практических исследованиях КМ предпринимаются попытки построить модель,
изоморфную реальной задаче только в отношении ограниченного числа специфических
свойств, т. е. обладающую ограниченным изоморфизмом.
Математические модели КМ создают для следующих задач (рис.2): управления объектом; прогноза выхода объекта; выявления механизма явлений, протекающих в объекте.
Получение строго заданных структур КМ: наноструктур, бесконечных
Управление
кластеров, фракталов, сетчатых или линейных полимеров, объемных
объектом
или каркасных решеток, определенного вида связей или сочетаний химических элементов и пр.
Прогноз выхода
объекта
Получение заданных количественных и качественных эксплуатационных характеристик КМ специального назначения: радиационнозащитных, кислотостойких, жароупорных, биостойких и пр.
Выявление механизма явлений
Выявление механизма структурообразования КМ: полимеризация, поликонденсация, топохимический, сквозьрастворный, смешанный и пр.
Рис. 2. Систематизация задач, приводящих к построению математических моделей КМ
31
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2009. № 4 (24)
Методологические основы выбора компонентов сверхтяжелого бетона. Важнейшим аспектом при конструировании радиационно-защитных материалов является выбор компонентов и их соотношения в материале, который предлагается проводить на основе интегрального показателя, учитывающего относительное изменение себестоимости и
защитные свойства материала:
qef =
δC
<1,
µ
δ  
ρ
(1)
µ
где δC , δ   − относительное изменение себестоимости и массового коэффициента осρ
лабления соответственно.
δC
Условие (1) устанавливает разбиение
µ
δC = δ  
ρ 
множества всех материалов на два подмноже µ 
ства: эффективные материалы (область ниже
δC  δ   
 ρ  
прямой qef = 1 ) и неэффективные материалы
(область выше прямой). Кривая относительδC
ного изменения стоимости разрабатываемого
материала пересекает прямую qef = 1 в двух
Н
Н
пред
µ 
δ  пред
ρ 
µ 
δ 
ρ 
Рис. 3. Граница множества Парето
в пространстве критериев
точках: в начале координат и точке δCпред , соответствующей предельно целесообразному
изменению стоимости материала. Тем самым
в пространстве критериев установлена граница множества Парето (рис. 3). При этом формулировка цели оптимизации как одновременного достижения наилучших защитных
показателей при наименьшей стоимости при-
водит к задаче, не имеющей решения.
Многокритериальный синтез сверхтяжелого композита. Как известно, современные радиационно-защитные материалы являются композитами, в которых носителем
функциональных свойств служит заполнитель, а вяжущее обеспечивает радиационную
стойкость и создание конгломерата. Очевидно, что разработка такого вяжущего вещества
позволяет получить долговечный материал, а рациональный выбор заполнителя − высокие
защитные свойства композита [4].
Для создания сверхтяжелого композита разработано модифицированное термопластичное связующее, которое обеспечивает высокие радиационно-защитные свойства и радиационную стойкость композита, а также быстрое схватывание и твердение смеси.
Структура и свойства термопластичного вяжущего оптимизированы путем введения
модифицирующих добавок. Одновременное улучшение физико-механических и эксплуатационных свойств материала достигается введением комплексных добавок, состоящих
из нескольких типов модификаторов.
Эффективность действия модифицирующих добавок зависит не только от их химической природы, но и от степени совместимости модификатора и модифицируемого вещества. Чем больше взаимная растворимость компонентов системы, тем интенсивней протекает процесс взаимодействия между ними и тем значительней эффект от введения модифицирующей добавки. Как показали исследования, при введении добавок между расплавом термопласта и модификатором протекают сложные физико-химические процессы.
При этом наблюдается образование раствора модификатора в расплаве термопласта, со32
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2009. № 4 (24)
провождающееся уменьшением свободной энергии Гиббса. Из полученных данных можно
заключить, что наиболее рациональными видами модификаторов являются ароматические
соединения. Высокая растворимость ароматических соединений в расплаве термопласта
позволяет составлять комплексные модификаторы, содержащие малорастворимые компоненты, например соединения предельного ряда.
Анализ экспериментальных данных показывает, что прочность связующего имеет
экстремальную зависимость от концентрации модификатора.
На основании экспериментальных данных и предложенной модели модифицирования термопласта разработан метод определения оптимальной концентрации модифицирующей добавки [4]. Метод основан на определении длины термостабильного сегмента
структурного элемента связующего. Расход добавки предлагается определять по формуле
Pд =
aM д
,
1000k
где Р д – расход добавки (% от массы связующего); М д – молекулярная масса добавки; a –
коэффициент, равный 7,28...14,55; k – коэффициент, учитывающий вид добавки.
Экспериментальная проверка показала, что предлагаемый метод позволяет с достаточной точностью определить концентрацию добавки, необходимую для получения высокопрочного связующего (табл.1).
Таблица 1
Концентрация некоторых модифицирующих добавок
Вид добавки
Предельное
соединение
Карбоновая
кислота
Ароматическое
соединение
Концентрация добавки, % от массы связующего
полученная расчетным путем
полученная
экспериментально
min
max
средняя
1,54
3,08
2,31
2
0,51
1,02
0,76
1
0,57
1,14
0,86
1
Структура и свойства мастики оптимизированы на основании анализа экспериментальных данных, полученных в результате исследований структуры мастики методом
рентгенофазового анализа, исследований по определению влияния вида и концентрации
модификатора на смачиваемость поверхности наполнителя расплавом термопласта, реологических исследований, а также влияния основных рецептурных факторов на внутренние напряжения, пористость и прочность мастики.
Анализ экспериментальных данных показывает, что зависимость краевого угла смачивания от концентрации и вида добавки имеет различный характер: для добавок предельного и непредельного рядов эта зависимость имеет экстремальный характер, а для
добавок ароматического ряда наблюдается монотонный рост с увеличением концентрации
добавки. Это объясняется протеканием различных физико-химических процессов как на
границе раздела фаз «расплав связующего – наполнитель», так и в связующем – между
модификатором и термопластом.
Формирование свойств композиционного материала начинается на стадиях его приготовления и формования. Они, в свою очередь, зависят от реологических свойств смеси.
Проведенные эксперименты показали, что реологические свойства мастик можно регулировать, изменяя степень наполнения материала, удельную поверхность наполнителя, а
также введением модифицирующих добавок. Анализ реологических кривых показал, что
33
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2009. № 4 (24)
на кривых «предельное напряжение сдвига – степень наполнения» можно выделить две
параметрические точки, которые соответствуют структурным переходам, происходящим в
материале при наполнении.
Для определения внутренних напряжений был разработан программный комплекс,
позволяющий оценить влияние различных рецептурных и технологических факторов на
величину и кинетику изменения внутренних напряжений в мастике. С целью приближения расчета к реальному материалу была принята модель структурной ячейки, которая
представляет собой сферическое зерно включения, окруженное слоем вяжущего материала постоянной толщины. Сопоставление расчетных и экспериментальных данных показывает, что расчетные значения хорошо согласуются с экспериментальными данными [5].
Влияние различных факторов на пористость мастик исследовали с помощью разработанного расчетно-экспериментального метода. Созданная теоретическая модель процесса порообразования позволила разработать метод прогнозирования пористости мастик.
Экспериментальная проверка показала, что относительная погрешность этого метода составляет не более 3%.
На основе концентрационной зависимости прочности композиционных материалов и
экспериментальных данных разработан метод прогнозирования прочности мастик, который учитывает влияние адгезионного взаимодействия на границе раздела фаз «связующее
− наполнитель». Сопоставление расчетных и экспериментальных данных показывает, что
предлагаемый метод имеет относительную погрешность не более 10% (табл. 2).
Таблица 2
Прочность мастики, полученная расчетным путем и экспериментально
Показатель
Объемная доля наполнителя
0,10
0,15
0,20
0,25
0,30
0,35
Прочность мастики, полученная экспериментально, МПа
20,0
20,6
22,4
26,4
29,6
27,2
Прочность мастики, полученная расчетным путем, МПа
20,08
22,37
24,67
26,96
29,26
29,0
Относительная погрешность
расчета, %
0,4
7,9
9,2
2,8
1,16
6,2
Особо тяжелые композиты имеют плотную структуру с контактным расположением
зерен заполнителя. Такая структура композита реализуется по специальным технологиям
в изделиях простой конфигурации. Для изготовления конструкций сложной конфигурации, консервации радиоактивных отходов, локализации радиоактивного загрязнения в
случае радиационных аварий и связывания потенциально опасных отходов (например,
выработанные урановые рудники и их отвалы) необходимы высокоподвижные составы,
имеющие плотную структуру с плавающими зернами заполнителя. При этом композит
должен обладать не только требуемыми реологическими свойствами, но и достаточно высокими физико-техническими характеристиками. Эти свойства при прочих равных условиях регулируются изменением гранулометрического состава и содержания заполнителей,
т. е. изменением структуры композита. Переход от структуры с контактным расположением зерен к структуре с плавающим заполнителем осуществляется постепенно. Поэтому
необходимо иметь показатель, позволяющий классифицировать структуру композита и
определить оптимальное содержание заполнителя при заданной технологии изготовления.
В качестве такого показателя предлагается использовать
1+ r
ϕ st =
γ кр
γ мл
γ кр ( S кр + rS мл )(d f + hc )n
34
,
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2009. № 4 (24)
где r =
М мл
(М кр , М мл – соответственно расход крупного и мелкого заполнителей); γ кр ,
М кр
γ мл – соответственно плотности материалов крупного и мелкого заполнителей; S кр , S мл –
соответственно удельная поверхность крупного и мелкого заполнителей; n – количество
слоев мастики; d f – диаметр частицы наполнителя; h c – толщина прослойки связующего
между частицами наполнителя [4].
Прочность сверхтяжелого композита с увеличением содержания заполнителя снижается, что связано с закономерным уменьшением содержания более прочного компонента
композита – мастики:
R б = A R м (υ м ± B),
где R м − прочность мастики; υ м − объемная доля мастики в композите; А и В – эмпирические коэффициенты.
Изучены химическая стойкость, морозостойкость, прочность сцепления с бетонной
поверхностью, радиационно-защитные свойства, радиационная стойкость и сохранность
стальной арматуры в сверхтяжелом композите [6]. Проведенные исследования позволили
разработать рецептуру радиационно-защитных пластифицированных композитов, основные свойства которых представлены в табл. 3.
Таблица 3
Основные физико-механические показатели сверхтяжелых композитов
Показатель
Средняя плотность
Предел прочности при сжатии
Предел прочности при изгибе
Пористость
Коэффициент химической стойкости в растворах солей, кислот и щелочей
Морозостойкость
Истираемость
Адгезионная прочность к бетонной поверхности
Прочность сцепления со стальной арматурой
Линейный коэффициент ослабления γ-излучения
Коэффициент радиационной стойкости
Единица
измерения
кг/м3
МПа
МПа
%
%
цикл
г/см2
МПа
МПа
см-1
%
Значение
показателя
4500…7500
15…55
2…8
4…12
80…100
> 200…250
0,35…0,6
1,1…1,3
1,9…2,1
0,32...0,86
90...95
Благодаря плотной структуре сверхтяжелый композит может использоваться для футеровки ограждающих конструкций подземных и наземных бункеров, могильников и хранилищ радиоактивных твердых, жидких и газообразных отходов. Кроме того, разработанный материал характеризуется быстрым набором прочности, простотой технологии изготовления и укладки, что позволяет рекомендовать его для изготовления штучных изделий
(радиационно-защитных блоков, кирпичей, плиток и др.), строительных конструкций
сложной конфигурации (ограждающих конструкций бункеров, хранилищ и могильников
твердых, жидких и газообразных радиоактивных отходов) и контейнеров для хранения и
транспортировки радиоактивных материалов, а также для защиты персонала и оборудования в морской технике.
Дальнейшее исследование и промышленная апробация разработанных композиционных материалов показали высокую эффективность предложенного подхода при решении задач моделирования, анализа, синтеза композиционных строительных материалов
35
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2009. № 4 (24)
специального назначения, а также новых композиционных материалов для защиты от ионизирующих излучений [7–9].
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Прошин, И.А. Структурно-параметрический синтез математических моделей в задачах обработки экспериментально-статистической информации / И.А.Прошин, Д.И.Прошин, Н.Н.Прошина. – Пенза:
ПГТА, 2007. – 178 с.
2. Рыбьев, И.А. Строительное материаловедение: учеб. пособие для строит. спец. вузов / И.А.Рыбьев. –
М.: Высш. шк., 2002. – 701 с.
3. Соломатов, В. И. Полиструктурная теория композиционных строительных материалов /В.И.Соломатов
// Новые композиционные материалы в строительстве. – Саратов: СПИ, 1981. – 9 с.
4. Баженов, Ю.М. Сверхтяжелый бетон для защиты от радиации / Ю.М. Баженов [и др.] // Строительные
материалы. – 2005. – № 8. – С. 6-9.
5. Баженов, Ю.М. Сверхтяжелый бетон для защиты от радиации / Ю.М. Баженов [и др.] // Материалы II-й
Междунар. конф. «Бетон и железобетон. Пути развития». – М.: RILEM–FIB–ERMCO–ACI–НИИЖБ–
РААСН, 2005. – C. 24-31.
6. Бормотов, А.Н. Полимерные композиционные материалы для защиты от радиации / А.Н. Бормотов [и
др.]. – М.: Палеотип, 2006. – 270 с.
7. Прошин, А.П. Разработка и управление качеством строительных материалов с регулируемыми структурой и свойствами для защиты от радиации / А.П.Прошин [и др.]// Тр. Междунар. конф. «Идентификация систем и задачи управления» SICPRO ’03. / Ин-т пробл. упр. – М., 2003. – С. 2437-2460.
8. Прошин, А.П. Моделирование процессов структурообразования дисперсных систем / А.П.Прошин [и
др.] // Тр. Междунар. конф. «Идентификация систем и задачи управления» SICPRO`05 / Ин-т пробл.
упр. − М., 2004. − С. 700-724.
9. Korolev, E.V. Model of destruction and method for forecasting of composite materials resistance / E.V.
Korolev // Proc. of the International Conference «Concrete Durability: Achievement and Enhancement» University of Dandee, UK. – HIS BRE Press, 2008. – P. 345-356.
Материал поступил в редколлегию 3.07.09.
36
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2009. № 4 (24)
ТРАНСПОРТНОЕ МАШИНОСТРОЕНИЕ
УДК 621.793
Е.А. Памфилов, С.С. Грядунов, Г.А. Пилюшина
МЕТОДИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ОЦЕНКИ РАБОТОСПОСОБНОСТИ
РАБОЧИХ ОРГАНОВ СТРОИТЕЛЬНЫХ И ДОРОЖНЫХ МАШИН
Рассмотрены вопросы оценки работоспособности деталей рабочих органов строительных и дорожных машин в условиях абразивного изнашивания и действия низких температур. Приведены методология и конструкции испытательной техники для исследования абразивного изнашивания в различных условиях нагружения и температурного воздействия.
Ключевые слова: работоспособность, строительные машины, дорожные машины, изнашивание, трение, абразивная поверхность, стендовые испытания.
Повышение работоспособности строительных и дорожных машин связано с необходимостью достижения более высоких значений их технических характеристик и долговечности. Такие задачи могут быть решены путем совершенствования конструкций машин, а также применением более износостойких материалов и технологических методов
получения из них заготовок и деталей. Эффективность этих мероприятий можно определить, как правило, только в результате проведения соответствующих испытаний.
Особенно актуально повышение работоспособности деталей рабочих органов для
машин, эксплуатируемых в Сибири, северных и северо-восточных районах страны, где в
течение длительного периода они контактируют в процессе работы с мерзлыми грунтами.
В этих условиях эксплуатации изнашивание таких деталей, как ножи, зубья, наконечники
рыхлителей, башмаки гусениц и многие другие, в основном определяет производительность и технико-экономическую эффективность работы строительных и дорожных машин. Интенсивность изнашивания ножей бульдозера, катков и звеньев его ходовой части,
клыков роторных экскаваторов и других аналогичных деталей при разработке песчаных и
глинистых грунтов в условиях действия низких температур ( –20…25ºС) превышает значения, фиксируемые при положительных температурах, в 2-3 раза.
Выбор путей повышения износостойкости деталей строительных и дорожных машин должен основываться на результатах анализа механизма и закономерностей его изнашивания, а также на экспериментальных данных, полученных при испытаниях в условиях, приближенных к реальным (на натурных образцах машин или на стендах и установках трения, достаточно полно воспроизводящих эксплуатационные факторы).
Производственные испытания позволяют получать наиболее полные сведения о работоспособности рабочих органов, что может являться надежной основой для совершенствования их конструкций и применения новых материалов и технологий.
Однако в настоящее время в связи с ограниченностью финансовых возможностей
для подготовки производства новой техники, сокращением времени выпуска и освоения
новых моделей методы определения износостойкости рабочих органов при помощи
производственных испытаний становятся чрезмерно затратными.
В связи с этим более рациональным оказывается использование стендовых испытаний, позволяющих сократить время и затраты на проведение испытаний деталей. При
этом ресурс их работы в целом может прогнозироваться по результатам наработки испытуемыми изделиями части ресурса на номинальных режимах работы. Как правило, такие
испытания носят исследовательский характер и проводятся в лабораторных условиях.
При проведении стендовых испытаний следует использовать методы моделирования
процесса, обеспечивающие воспроизведение или соблюдение реализуемых при эксплуа37
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2009. № 4 (24)
тации условий контактирования, нагружения, температурного режима, а также геометрической формы и размеров деталей. Поэтому стендовым испытаниям должны предшествовать исследования условий работы рассматриваемых деталей и сопряжений применительно к реальным машинам. Проведение стендовых испытаний, помимо обеспечения возможности их выполнения в условиях, близких к реальным, позволяет эти условия поддерживать стабильными во всех сериях экспериментов и получать сопоставимые данные
по износостойкости.
Используемые в настоящее время конструкции стендов, предназначенных для испытания образцов деталей рабочих органов, предусматривают либо линейное перемещение испытуемого объекта в объеме грунта, либо вращательное перемещение образцов рабочих органов в бункерах (барабанах) с изнашивающим грунтом. При этом должна быть
обеспечена возможность варьирования режимов и условий испытаний, которые необходимо фиксировать соответствующей тензометрической и иной измерительной аппаратурой.
Обычно в состав таких стендов входит грунтовой канал, оборудованный системой
перемещения модели рабочего органа, устройство для вертикальной подачи образца, а
также система управления и аппаратура для замера основных параметров взаимодействия
исследуемых образцов с грунтовой массой.
В качестве примера может быть представлен испытательный комплекс (рис. 1), состоящий из лотка-контейнера 1, несущей рамы 2 с горизонтальными направляющими,
привода 3, пульта управления, тяговых цепей 4, датчика перемещения 5 и тензометрической тележки 6 с ориентирующим образец устройством 7, поперечной балкой 8, приводом
заглубления 9, многокомпонентным силоизмерителем 10 и исследуемым образцом 11.
Лоток-контейнер может заполняться либо моделирующим грунт материалом, либо
замороженной грунтовой смесью. Смесь замораживается парами жидкого азота, подаваемого дозированно с помощью охлаждающей системы 12. Для поддержания необходимой
температуры используется специальная система. Возможно также использование для этих
целей способа создания изнашивающих поверхностей методом намораживания почвенных частиц [1].
При охлаждении изнашивающих грунтов для обеспечения теплоизоляции устанавливают крышки, а полости стенок заполняют термоизолирующим материалом. Перемещающая образец тензометрическая тележка имеет сварную раму с двумя вертикальными
стойками, к которым шарнирно присоединяются верхние и нижние тяги ориентирующего
устройства, образующие два параллелограммных механизма.
Рис.1. Стенд для испытаний образцов оборудования и рабочих органов
строительных и дорожных машин
38
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2009. № 4 (24)
Данные о нагрузках, действующих в процессе испытаний на исследуемые образцы,
получают методом тензометрирования. Одновременно фиксируются координаты исследуемых образцов.
В качестве модельного грунта возможно также использование композиции песка
(наполнитель, 95…97%) с парафином (связующее, 5…3%). Указанную композицию нагревают до 100…120°С, перемешивают, уплотняют, после чего охлаждают до температуры окружающего воздуха. Такой материал по своим изнашивающим свойствам может
быть приравнен к мерзлому суглинку влажностью 16…20% при температуре от – 5 до
–10° С [ 2].
Однако следует иметь в виду, что проведение стендовых испытаний не лишено существенных ограничений, требует наличия специальных помещений, квалифицированного персонала и достаточно продолжительно.
Лабораторные испытания образцов рабочих органов или материалов на машинах и
установках трения более эффективны, чем стендовые, поскольку обеспечивают достаточно точное определение износостойкости. В то же время такие испытания не требуют длительного времени для проведения и наличия сложных специальных устройств. Они позволяют эффективно отобрать для последующих стендовых и натурных испытаний наиболее
перспективные материалы. Лабораторные испытания также позволяют выявлять при заданных режимах, определенных исходя из условий работы натурных деталей, факторы,
оказывающие наиболее сильное влияние на износостойкость.
Лабораторные испытания позволяют получать достаточно объективные и легко сопоставимые друг с другом характеристики сопротивления материалов изнашиванию при
обеспечении наиболее важных выбираемых заранее базовых условий. При подготовке
испытаний следует иметь в виду, что образцы необходимо изготовлять непосредственно
из изнашиваемой детали или по одинаковой с ней технологии, чтобы исследуемая поверхность образца была идентична по своим физико-механическим и структурным свойствам поверхности изнашиваемой детали.
Контрольные и исследуемые образцы должны изнашиваться в условиях, соответствующих эксплуатационным. Сопоставимость условий испытаний с эксплуатационными
должна обеспечиваться по следующим основным параметрам: силовые и скоростные факторы нагружения, температурный режим эксплуатации и свойства абразива.
Соблюдение указанных требований позволяет получать близкие значения интенсивности изнашивания как при лабораторных, так и при натурных испытаниях, благодаря чему достигается возможность достаточно надежного прогнозирования срока службы исследуемых рабочих органов дорожных и строительных машин.
Авторами был разработан способ ускоренных испытаний на изнашивание деталей
строительных и дорожных машин, эксплуатируемых в условиях низких температур, с использованием лабораторных методов испытаний. В соответствии с предложенным методом оценки работоспособности предполагаемый срок службы детали может быть рассчитан по формуле
Т = ε К,
где Т - срок службы детали до предельного износа в процессе ее эксплуатации; ε - установленный в процессе лабораторных испытаний износ контрольных образцов, изготовленных из деталей, подлежащих эксплуатационным испытаниям; К – экспериментально
определяемый коэффициент, характеризующий соотношение износа контрольных и натурных образцов.
Для обеспечения корректности предложенного способа был установлен следующий
порядок его реализации:
39
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2009. № 4 (24)
1. По условиям эксплуатации детали определяются параметры ее нагружения и температурный режим испытаний.
2. Моделируются свойства абразива и характер его взаимодействия с деталью.
3. Изготовляются контрольные образцы из исследуемой детали (в зоне ее наибольшего изнашивания) или по соответствующей производственной технологии, причем рабочая поверхность образца должна соответствовать рабочей поверхности детали.
4. Проводятся лабораторные испытания на изнашивание в условиях, воспроизводящих эксплуатационные.
5. Устанавливается величина износа или интенсивность изнашивания исследуемых
материалов.
6. Проводятся эксплуатационные испытания детали до наступления предельного износа, при которых фиксируется связь износа и срока службы исследуемых и натурных рабочих органов. В отдельных случаях вместо производственных испытаний могут выполняться стендовые.
7. Устанавливается взаимосвязь интенсивности изнашивания при лабораторных испытаниях и срока службы детали при эксплуатации.
8. Устанавливается величина износа при испытании контрольных образцов (или определяется математическая зависимость этих величин, по которой вычисляется коэффициент К).
Авторами предложены методы лабораторных испытаний материалов деталей строительных и дорожных машин на изнашивание при ударе и трении в условиях низких температур и испытательные установки, реализующие эти методы.
Сущность этих методов состоит в том, что по охлажденному до заданной температуры образцу металлическим образцом через абразивную ленту наносят удары с заданными
энергией, частотой и скоростью или осуществляют скольжение образца с заданными давлением и скоростью по абразивной поверхности и оценивают износ после окончания испытаний путем взвешивания образца или измерения его линейных размеров.
Схема испытательной установки для определения износа при трении по абразивной
поверхности приведена на рис. 2. Испытательная установка содержит привод, механизм
нагружения и систему охлаждения образца. Привод обеспечивает скольжение образца 3
по абразивной поверхности, закрепленной на пустотелом барабане 13, совершающем возвратно-винтовое движение
со скоростью 0,01…0,2 м/с. Шаг винтового движения равен шагу ходового винта, по которому перемещается барабан,
обеспечивая контактирование образца с
возобновленной не менее чем на 50% изнашивающей поверхностью.
Механизм нагружения содержит
шпиндель 7 и сменные грузы 8, которыми регулируется давление на образец в
процессе проведения испытаний на изнашивание в пределах 0,05…0,5 МПа.
Система охлаждения образца вклюРис. 2. Схема испытательной установки для
чает закрепленную в шпинделе при поисследования изнашивания при трении по
мощи кольца 6 теплоизолированную каабразивной поверхности
меру 4, во внутреннюю полость которой
подают охлаждающую среду 5, обеспечивающую охлаждение испытуемого образца и
поддержание его заданной температуры при испытаниях. Интенсивность и объем подачи
40
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2009. № 4 (24)
охлаждающей среды регулируют блоком автоматического поддержания температуры,
управляемым сигналом, поступающим от закрепленной в образце термопары 2. Система
обеспечивает охлаждение образца от 173 до 293 К и поддержание при испытаниях заданной температуры в указанном диапазоне с погрешностью не более 5 К.
Конструктивно привод установки может быть выполнен следующим образом. От реверсивного электродвигателя 10 вращение через редуктор 9 передается с помощью клиноременной передачи 11 на вал 12. На валу на скользящей шпонке установлено зубчатое колесо 14, которое входит в зацепление с зубчатым колесом 16, жестко соединенным с барабаном 1. При вращении барабан одновременно движется вдоль неподвижно закрепленного ходового винта.
Таким образом, путь трения образца по абразивной поверхности представляет собой
винтовую линию. Передвижение зубчатого колеса вдоль вала по мере движения барабана
осуществляется с помощью скользящих опор 15. По окончании испытаний одного образца
или в случае использования всей абразивной поверхности привод установки автоматически отключается. После замены изношенной абразивной поверхности барабану задается
обратное движение.
Еще более надежные результаты возможно получать, воспроизводя более точно условия работы функциональных органов дорожно-строительной техники в процессе испытаний, например, при ударно-абразивном воздействии. Схема предлагаемой установки для
испытаний на ударно-абразивное изнашивание приведена на рис. 3. Эта установка содержит ударный механизм, привод, механизм перемещения абразивной ленты, систему охлаждения образца и механизм удаления продуктов изнашивания.
Ударный механизм включает шпиндель 3 с закрепленными в нем контробразцом 2 и сменными грузами 4, с помощью которых регулируют удельную
энергию удара контробразца по образцу
1 в пределах 0,5·104…8·104 Дж/м2 (частота ударов - 0,5…1,5 Гц; продолжительность контактирования образца и
контробразца – не более 0,1 с). Подъем
шпинделя осуществляется от привода
кулачком 6 на высоту, задаваемую геометрией кулачка.
Система охлаждения обеспечивает
охлаждение образца от 173 до 293 К и
Рис. 3. Схема установки для испытаний на ударноподдержание заданной температуры.
абразивное изнашивание
Она содержит теплоизолированную камеру 5, во внутреннюю полость которой
подают охлаждающую среду, например жидкий азот. Интенсивность подачи и объем
подаваемой охлаждающей среды регулируют блоком автоматического поддержания
температуры, управляемым сигналом.
Существенно приближает условия лабораторных исследований к натурным условиям использование намороженных абразивных поверхностей [1].
В настоящее время накоплен обширный экспериментальный материал на основе исследований отечественных и зарубежных ученых, позволяющий достигать определенных
результатов в решении задачи повышения износостойкости путем оптимизации составов
и структуры применяющихся конструкционных материалов. Для дальнейшего повышения износостойкости рабочих органов дорожно-строительной техники проводился анализ трибоматериаловедческой системы «износостойкий материал - условия изнашивания 41
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2009. № 4 (24)
изнашивающая среда». Он показал, что при реализации различных методов исследования
вырабатываются рекомендации по химическому составу, физико-механическим свойствам, структурно-фазовому состоянию и т.д., существенно отличающиеся друг от друга.
Возникающие разногласия в оценке оптимальных параметров сплавов, видимо, связаны с тем, что целью исследований была разработка износостойких материалов для частных условий работы конкретных деталей.
В то же время процесс изнашивания охватывает совокупность сложных явлений,
происходящих при различных взаимодействиях поверхностных слоев металла с изнашивающей средой в определенных условиях эксплуатации. Поэтому перспективным направлением в решении задачи повышения износостойкости деталей является создание новых
износостойких материалов, свойства и структура которых могут корректироваться в зависимости от условий изнашивания.
Таким образом, для уверенного выбора рациональных способов повышения износостойкости рабочих органов строительных и дорожных машин целесообразно использовать перечисленные методы.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. А. с. 746166 СССР, МКл2 G 01 N 3/56. Способ получения абразивной поверхности для испытаний материалов на износ/ Е.А. Памфилов, Ю.Н.Дорофеев. - Заявл. 03.04.78; опубл. 07.07.80.
2. Памфилов, Е.А. Методы и средства ускоренных испытаний деталей строительных и дорожных машин,
работающих при низких температурах / Е.А. Памфилов, С.С. Грядунов// Строительное, дорожное и коммунальное машиностроение Сер. 15, Технология, экономика и организация производства.- М.: ЦНИИТЭстроймаш, 1986. – Вып. 2. – 35 с.
Материал поступил в редколлегию 6.11.09.
42
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2009. № 4 (24)
УДК.621.01.539.4
Н.С. Парфенов
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ДЕФЕКТА ВМЯТИНЫ НА НЕСУЩУЮ
СПОСОБНОСТЬ СТЕРЖНЕЙ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ФЕРМ
Представлены результаты исследования напряженно-деформированного состояния стержней ферменных
металлоконструкций грузоподъемных машин, изготовленных из элементов металлопроката, с дефектом
вмятины.
Ключевые слова: ферменные металлоконструкции, дефект, вмятина, несущая способность.
Спектр применения металлических ферм, изготовленных из элементов металлопроката, очень широк. Они применяются в качестве несущих конструкций грузоподъемных
машин и строительных сооружений. Оценка прочности и долговечности несущих ферменных металлоконструкций с дефектами на этапе эксплуатации является приоритетной
задачей при проведении экспертизы промышленной безопасности [1-4].
В стержнях ферм допускается наличие вмятин с размерами меньше допустимых
размеров, регламентированных в РД по обследованию грузоподъемных машин с истекшим сроком службы [1]. Возникновение дефектов данного вида возможно при соударении
частей технической системы при монтаже, в результате ошибочных рабочих операций либо вследствие аварийных ситуаций.
При рассмотрении дефекта вмятины приняты следующие допущения:
- дефектный стержень прямолинеен;
- переход от вмятины к неповрежденному сечению выполнен по радиусу;
- толщина стенок стержня в области дефекта принята постоянной, без утончения;
- сплошность материала стержня на кромках и дне вмятины не нарушена.
Дефект вмятины влияет на статическую и усталостную прочность стержня за счет
местной концентрации напряжений от конструктивного фактора, а также на гибкость и
устойчивость стержня - за счет изменения геометрических характеристик сечения с дефектом.
Местную концентрацию напряжений от дефекта вмятины предлагается учитывать
конструктивным коэффициентом концентрации напряжений k σкр , так как данный дефект
сопоставим по размерам с сечением стержня. Для определения конструктивного коэффициента концентрации напряжений отдельно рассмотрены модели дефекта на стержнях с
круглым трубчатым сечением и произвольным некруглым сечением.
Величина k σкр для стержней с круглым трубчатым сечением определена методом конечноэлементного моделирования стержня с дефектом под
действием различных видов нагружения.
Дефект вмятины моделировался сферической вогнутостью на поверхности стержня с плавными переходами по радиусу на кромках вмятины (рис. 1). Геометрические размеры
модели стержня приняты с наиболее характерным для применяемых при производстве ферменных металлоконструкций
круглых труб соотношением диаметров сечения d/D≈0,85.
Предполагалось, что величина k σкр зависит от глубины
вмятины g, радиуса закругления кромок вмятины K и слабо
зависит от поперечного размера углубления, определяеРис. 1. Моделирование дефекта
мого радиусом R.
вмятины в стенке тонкостенного
Для определения зависимости конструктивного костержня с круглым сечением
43
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2009. № 4 (24)
эффициента концентрации напряжений k σкр от параметров дефекта g, R и K был проведен
ряд конечноэлементных расчетов модели стержня с дефектом при варьировании этих величин.
Величина g варьировалась от 0 до 0,3D, где D - величина внешнего диаметра стержня. Такой диапазон g принят из условия, что при превышении глубины вмятины более
30% невозможно выполнение принятых допущений о сохранении сплошности материала
и прямолинейности стержня, так как удар, вызвавший возникновение вмятины на глубину
более 0,3D, влечет за собой искривление оси стержня и нарушение сплошности материала
на кромках вмятины. Также при глубине вмятины g более 0,3D несущая способность
стержня от сжимающих нагрузок многократно уменьшается в связи с двукратным уменьшением одного из моментов инерции его сечения.
Величина К варьировалась от t до 0,18D, где t – толщина стенки стержня. Нижняя
граница диапазона определена из условия, что радиус кромки на изгибе не может быть
меньше толщины стенки. Верхняя граница определена из условия, что при значениях К
свыше 0,36R концентрации напряжений на кромках не возникает.
Величина R для круглого стержня не варьировалась и была принята равной 0,2D.
Результаты расчетов показали, что концентрация напряжений от дефекта вмятины
при действии растягивающих продольных усилий на 10…20% больше значений, полученных при изгибе в плоскости, параллельной оси симметрии дефекта.
Значения коэффициента k σкр предлагается принять для случая растяжения/сжатия,
что создает запас надежности 0…20%.
Величина k σкр в зависимости от параметров дефекта g и К при осевом растяжении/сжатии стержня представлена на графике (рис. 2).
Аппроксимация зависимости величины k σкр от параметров K и g дефекта вмятины
имеет вид
k σкр = (30,247K 2 − 7,570K + 4,512)g + 1,
(1)
2,80
где К – величина радиуса закругления на кромkσкр
ках вмятины в долях от радиуса стержня; g –
2,60
глубина вмятины в долях от диаметра стержня.
2,40
Зависимость (1) аппроксимирует величину k σкр
2,20
в
диапазонах
значений
t≤К≤0,2D
и
0,1D≤g≤0,3D.
2,00
Увеличение гибкости стержня учтено из1,80
менением моментов инерции сечения от нали1,60
чия дефекта. Момент инерции сечения с
1,40
дефектом относительно центральной оси сечения, перпендикулярной плоскости симметрии
1,20
дефектного сечения (I xдеф ), уменьшается ли1,00
нейно в зависимости от глубины вмятины и неg=0,3D
К=0,06D
К=0,12D
линейно в зависимости от радиуса закругления
g=0,2D
К=0,18D
на кромках. Момент инерции относительно
g=0,1D
перпендикулярной оси (I удеф ) изменяется неРис. 2. Зависимость величины коэффициента конзначительно (1-2%) и, следовательно, может
центрации напряжений ktσ дефекта вмятины при
быть принят без изменения. Для нахождения
растяжении/сжатии от параметров дефекта К и g
момента инерции дефектного сечения в диапазонах изменения параметров дефекта t≤К≤0,2D и 0,1D≤g≤0,3D использовалась приближенная формула
Ix
Ixдеф =
,
(13,745K − 0,923)g 2 + (−0,562K + 0,559)g + 1
44
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2009. № 4 (24)
где I xдеф – момент инерции сечения с дефектом относительно оси ОХ сечения; Ix – момент
инерции сечения без дефекта.
Момент инерции сечения относительно оси ОУ при этом изменяется не более чем на
3%, причем I удеф может быть больше I у . Поэтому предлагается принять I удеф = I у , что создает небольшой (до 3%) запас прочности.
Устойчивость сжатых стержней с дефектом вмятины предлагается учитывать коэффициентом продольного изгиба φ в зависимости от условной гибкости ̅ [3]:
при 0 < ̅ ≤ 2,5 φ ≈ 1 − 1,0661̅ ,5;
при 2,5 < ̅ ≤ 4,5 φ ≈ 1,46 − 0,34̅ + 0,0212̅ ;
при ̅ > 4,5
 ≈ 332/[2̅ (51 − ̅)].
где λ� = µL�AσT /IE. Здесь µ=1 - коэффициент эффективной длины (принимается с учетом
реальных условий закрепления стержней ферм в узлах); L – фактическая длина стержня
между опорами, определяющими степень свободы стержня в плоскости изгиба; I – момент
инерции сечения стержня, принимаемый в данном случае равным I xдеф .
Влияние дефекта вмятины в стенках стержней из гнутого профиля произвольного
некруглого сечения исследовано с учетом того, что данные виды сечений составлены из
уголков либо замкнутых коробов и имеют плоские грани. Очевидно, что картина НДС в
области вмятины на плоской грани повторяет картину НДС в области такого же дефекта
на пластине. Таким образом, предлагается учитывать концентрацию напряжений от дефекта вмятины на стержнях с некруглым сечением конструктивным коэффициентом концентрации напряжений k σпл , найденным для этого дефекта на пластине.
При исследовании влияния вмятины на концентрацию напряжений в пластине была
рассмотрена конечноэлементная модель пластины ограниченной и неограниченной ширины с данным дефектом.
Вмятина моделировалась сферическим углублением в центре пластины с переходом
от сферической поверхности к плоскости по радиусу (рис. 3).
Варьировались радиус сферы R вм , глубина вмятины g, радиус закругления на кромкромках вмятины К. Модель анализировалась
при действии:
1) растягивающей силы;
2) изгибающего момента.
Модель пластины составлена с использованием МКЭ (применялись двухмерные
Рис. 3. Дефект вмятины на пластине
конечные элементы).
При анализе результатов серии конечноэлементных расчетов были сделаны следующие выводы. Дефект вмятины наибольшим образом влияет на концентрацию напряжений от действия осевых усилий и слабо влияет на изменение картины НДС от действия
изгибающего момента.
Напряжения в области вмятины зависят в большей степени от относительной ширины дефекта S. Радиус закругления на кромках вмятины К изменяет k σпл не более чем на
30%. При этом наибольшие значения k σпл при действии растягивающей силы соответствуют наибольшим значениям К, а наибольшие значения k σпл при действии изгибающего момента - меньшему радиусу К.
Величина коэффициента концентрации напряжений k σплF от дефекта вмятины на
пластине при действии нормальной растягивающей силы в зависимости от глубины вмятины g и поперечного размера дефекта S при радиусе закругления на кромках вмятины
К=3t (соответствующем максимальным значениям k σплF ) представлена на рис. 4.
45
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2009. № 4 (24)
Зависимости величины k σпл от относительной ширины вмятины при различных значениях глубины вмятины и наименьшем
возможном радиусе закругления на кромках
вмятины К позволили составить аналитические выражения для определения теоретического
коэффициента
концентрации
напряжений при действии осевой силы k σплF и
изгибающего момента k σплM :
k σïëF = (240g 2 − 57,6g + 3,97)S2 +
4,50
kσплF
4,00
3,50
3,00
2,50
2,00
1,50
+ (−184g 2 + 24,32g + 0,832)S −
g=0,15B
g=0,10B
1,00
S=0,2B
S=0,5B
− 2,12g + 2,359;
g=0,05B
S=0,7B
Рис. 4. Зависимость коэффициента концентрации напряжений kσплF от дефекта вмятины на
пластине при действии нормальной силы
(при К=3t)
(2)
k σïëÌ = (168,24g 2 − 71,78g + 8,88)S2 +
+ (-221,15g 2 + 88,47g − 9,66)S +
(3)
+ 67,845g − 26,25g + 3,734,
где S=2R вм /B – относительный поперечный
размер дефекта в долях от ширины пластины; g – относительная глубина вмятины, выраженная в долях от ширины пластины.
Составляющие компоненты напряжений в осях, перпендикулярных плоской грани,
содержащей дефект, можно найти, используя аффинные преобразования от напряжений,
найденных в главных осях инерции сечения, и коэффициентов концентрации напряжений
для каждой из компонент простого напряженного состояния грани, по формуле
Fk σплF
Mv u
Mu v
Mv u
Mu v
σ=
+�
cos β +
sin β� k σплM + (−
sin β +
cos β)k σплF ,
A
Jv
Ju
Jv
Ju
где M v и M u – изгибающие моменты в осях, соответствующих главным осям инерции сечения; u и v – расстояния от точки проекции центра дефекта вмятины на поверхность бездефектной грани до главных осей инерции сечения стержня OV и OU соответственно; β –
угол между нормалью к плоскости грани и осью OU.
Зависимости (2) и (3) позволяют вычислять теоретический коэффициент концентрации напряжений от дефекта вмятины k σпл при варьировании размеров дефекта в диапазонах 0,2B≤S≤0,8B и 0,05B≤g≤0,15B. Данные ограничения параметров дефекта приняты с
условием того, что при размерах дефекта ниже нижней границы концентрация напряжений не создается. При превышении размера дефекта S более 80% от ширины грани (полное смятие одной из граней) данный дефект следует рассматривать как погибь. При
g>15%B возникает высокая вероятность разрушения материала в области дефекта в связи
с высокими пластическими деформациями, а следовательно, не соблюдаются принятые
при моделировании дефекта допущения о целостности металла и отсутствии трещин. В
этом случае, ввиду наличия в металле грани значительных остаточных напряжений, уменьшения толщины
стенки и существенного отклонения от первоначальной
формы, рекомендуется рассматривать стержень без соответствующей грани (рис. 3).
Удаление в стержне некруглого сечения одной из
граней моделируется:
1) уменьшением моментов инерции относительно
главных центральных осей инерции:
Рис.5. Удаление дефектной
Iuдеф = (Ix − tByc2 )cos2 α + (Iy − tB3 /12)sin2 α,
плоской грани
Ivдеф = (Ix − tByc2 )sin2 α + (Iy − tB3 /12)cos2 α,
2
46
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2009. № 4 (24)
где yc - расстояние от центральной оси ОХ сечения до центра тяжести вырезаемой прямоугольной области; α – угол между центральными осями инерции, перпендикулярными
удаляемой грани, и главными центральными осями инерции (находится из справочников);
2) уменьшением площади поперечного сечения стержня:
Aдеф = Aсеч − tB.
Таким образом, с помощью предлагаемого метода можно учитывать фактические
размеры дефекта вмятины и его влияние на несущую способность стержня при произвольных условиях нагружения.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. РД 10-112-3-97. Методические указания по обследованию грузоподъемных машин с истекшим сроком
службы. Ч. 3. Башенные, стреловые несамоходные и мачтовые краны, краны-лесопогрузчики. - Взамен
РД 22-318-91 и в доп. РД 10-112-96. Ч. 1.
2. РД 10-112-1-04. Рекомендации по экспертному обследованию грузоподъемных машин.
3. СНиП II-23-81*. Стальные конструкции. Методы проектирования.
4. Доронин, С.В. Моделирование прочности и разрушения несущих конструкций технических систем / С.В.
Доронин, А.М. Лепихин, В.В. Москвичев, Ю.И. Шокин. - Новосибирск: Наука, 2005. - 250 с.
Материал поступил в редколлегию 23.06.09.
47
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2009. № 4 (24)
УДК 621.87 : 51.74
В.С. Щербаков, М.С. Корытов
ПОИСК ОПТИМАЛЬНОЙ ТРАЕКТОРИИ ГРУЗА, ПЕРЕМЕЩАЕМОГО
АВТОКРАНОМ, В СРЕДЕ С ПРОИЗВОЛЬНЫМИ ПРЕПЯТСТВИЯМИ, С УЧЕТОМ
КООРДИНАТ УГЛОВОЙ ОРИЕНТАЦИИ В ТРЕХМЕРНОМ ПРОСТРАНСТВЕ
Предложен способ решения задачи нахождения оптимальной траектории перемещаемого автомобильным
краном груза в среде с произвольными препятствиями с учетом координат угловой ориентации груза в
трехмерном пространстве.
Ключевые слова: автокран, препятствия, кратчайшая траектория, поиск траектории, координаты угловой
ориентации.
При перемещении груза автомобильным краном могут возникать ситуации, когда
между начальным и конечным требуемыми положениями груза находятся препятствия
различных форм и размеров. Возможен обход препятствий поднятием груза над ними либо сбоку в горизонтальном направлении без поднятия, если высота препятствий достаточно велика или они вообще непреодолимы по высоте для данной конструкции автокрана.
Из этого вытекает актуальность управления грузом в трех координатах пространства. Развитие автоматизированных систем управления кранами позволит перемещать груз по оптимальной траектории, обеспечивая минимизацию расстояния (а следовательно, повышение производительности) и одновременно плавность перемещения (ограничение первых
двух производных по времени: скорости и ускорения).
При нахождении минимальной длины траектории перемещения груза, чтобы исключить его столкновение с препятствиями, применяют «раздувание» размеров препятствий
на некоторую величину. Таким образом, кратчайшая траектория находится в среде с поверхностями, представляющими собой пространственные эквидистантные (равноудаленные) поверхности, соответствующие реальным поверхностям препятствий.
Общую задачу оптимизации траектории перемещения груза по всем 6 координатам,
определяющим положение тела в пространстве, в ряде случаев можно разбить на 2 независимые подзадачи, решаемые отдельно: 1) оптимизация перемещения по 3 линейным координатам отдельной точки груза; 2) оптимизация перемещения груза по 3 угловым координатам поворота относительно заданной точки груза. Решить каждую из двух подзадач
по отдельности можно намного проще, чем общую задачу. Такая декомпозиция возможна
для грузов с примерно равными размерами в 3 (в некоторых случаях 2) измерениях (грузы
равноосной формы) либо для компактных грузов любой (в том числе неравноосной) формы, но с ограниченными размерами. В этом случае будет получено решение, близкое к
оптимальному.
Выполнение подзадачи 1 в описанном случае предполагает расчет и оптимизацию
траектории перемещения характерной точки - начала координат системы груза - в среде с
эквидистантными поверхностями-препятствиями, в эквидистантный радиус которых заложено расстояние от начала координат до наиболее удаленной точки периферии груза.
Существуют традиционные подходы к решению задачи поиска минимальной длины траектории. Наиболее эффективны алгоритмы на взвешенных графах. Это относительно
сложные алгоритмы [1]. Более простые алгоритмы не гарантируют, что найденная траектория будет кратчайшей.
Возможны разные подходы к созданию матрицы смежности графа, от эффективности и удачности выбора которых зависят точность и быстродействие алгоритмов поиска.
Хорошие результаты поиска траектории точки были получены при реализации алгоритма
создания матрицы смежности по «точкам видимости» на поверхностях препятствий, находящимся выше определенного уровня [2]. Соединялись только те вершины графа, которые «видимы» между собой. Траектория в пределах погрешности, создаваемой шагом
48
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2009. № 4 (24)
дискретности сетки, приближалась к кратчайшей при любой форме поверхности препятствий.
Если габариты груза в трех измерениях сильно различаются между собой, то кратчайшая траектория движения точки груза уже не может гарантировать приближение к
глобальному минимуму целевой функции. Траектория точки находится в среде с эквидистантными поверхностями, в то же время эквидистантный радиус служит для учета угловой ориентации груза относительно препятствий в момент их прохождения, которая переменна и заранее не известна. В этом случае необходимо решать сразу общую задачу.
При решении общей задачи интерес представляет оптимизация по целевой функции,
учитывающей сразу все 6 координат тела в пространстве, например вида
n
f = ∑ 
(xi − xi−1 )2 + ( yi − yi−1 )2 + (zi − zi−1 )2 + k ⋅ (γ i − γ i−1 )2 + (ν i −ν i−1 )2 + (ωi − ωi−1 )2 ,
(1)


где x, y ,z, γ, ν, ω, – три линейные и три угловые координаты груза соответственно; k – весовой коэффициент для угловых координат.
Сформулирована задача: необходимо оптимально переместить тело произвольной
формы из одного положения, заданного 6 координатами, в другое положение, с другими 6
координатами, с учетом препятствий произвольной формы. На каждую из координат груза
могут быть наложены ограничения по предельным значениям. Данная задача может быть
актуальна во многих прикладных областях, в том числе при перемещении грузов автокранами.
Целевая функция может быть задана в виде суммы расстояний (1), т.е. дискретно по
отдельным точкам, расположенным, например, через равные промежутки вдоль одной из
координатных осей (рис. 1). Если рассматривать 5 координат груза (за исключением X) в
каждой точке пространства как отдельные переменные, каковыми они и являются (хотя и
могут быть связаны между собой), то при количестве точек, равном 10, получим функцию
50 переменных и задачу условной оптимизации с линейными и нелинейными ограничениями на переменные в виде неравенств. Ограничения-неравенства могут накладываться
на каждую переменную по отдельности (например, предельные ограничения), а также на
группы по 5 переменных в каждой из 10 дискретных точек (ограничения, создаваемые эквидистантными поверхностями). Причем гиперповерхность целевой функции может
иметь разрывы и пики в большом количестве, поскольку при пороговых значениях угловых координат груза линейные координаты вследствие ограничений, создаваемых препятствиями, могут меняться скачкообразно. На рис. 2 показано, как при достижении углом
поворота груза некоторого порога минимальное предельное значение вертикальной координаты центра масс груза меняется скачкообразно.
i =2
X 10
Z
8
6
4
2
0
0
Z
2
4
6
8
10
X
а)
б)
Y
Y
Рис. 1. Пример представления траектории груза, имеющего форму цилиндра, в виде дискретной последовательности расположений центра масс (средняя точка) через равные промежутки вдоль оси X: а – вид сбоку;
б – вид сверху
49
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2009. № 4 (24)
Таким образом, условия для поиска глобального
минимума традиционными методами самые неблагоγ2
приятные.
Известно, что гарантировать нахождение глоZ2
бального минимума может перебор всех возможных
Z1
сочетаний переменных с достаточно мелким шагом, но
при подобном количестве переменных это невозможγ1
но, действует так называемое «проклятье размерноРис. 2. Скачкообразное изменение ми- сти». Кроме того, заранее не известно, насколько мелнимальной предельной координаты Z
ким должен быть шаг [3].
при достижении порогового значения
Известны более быстрые современные алгоритуглом γ (пример)
мы оптимизации, такие, как «метод отжига», генетические алгоритмы и т.п. Однако они используют элементы случайности и поэтому могут найти единственно верное решение лишь с определенной
вероятностью, которая зависит от времени поиска [4].
Детерминированные алгоритмы поиска кратчайшей траектории на взвешенных графах находят решение за достаточно короткий промежуток времени даже на графах большого размера [5]. Целесообразно использовать их и в данном случае, однако для этого необходимо подготовить матрицу смежности графа, вершины которого – отдельные положения груза со всеми его 6 координатами в разных точках рассматриваемой рабочей области пространства. Веса ребер графа в этом случае должны определяться как значения
целевой функции (1) или подобной ей, учитывающей разность как линейных, так и угловых координат груза между двумя положениями.
Здесь, так же как и при поиске траектории движения точки, предлагается использовать в качестве вершин графа не все возможные положения груза (которые можно учесть
с определенной дискретностью в 6-мерном пространстве собственных координат груза), а
только те из них, в которых груз «касается» эквидистантной поверхности какой-либо своей точкой. Таким образом, в качестве вершин графа будут выступать те положения груза,
при которых он приближается любой точкой своей поверхности к эквидистантной поверхности на достаточную величину. Соединенными будут только те вершины графа, которые «видимы» между собой. Для проверки условия «видимости» необходимо рассмотреть все промежуточные положения груза с определенной дискретностью между двумя
вершинами графа, «видимость» или отсутствие «видимости» между которыми необходимо установить. В каждом из промежуточных положений 6 значений координат груза будут вычисляться способом линейной интерполяции, и для каждого промежуточного положения должно выполняться условие превышения любой точки поверхности груза над
эквидистантной поверхностью.
Для уменьшения размеров матрицы смежности графа предлагается рассматривать
только те положения груза, при которых его центр масс находится выше определенного
уровня, например уровня нижней из двух точек положения центра масс начала/окончания
пути.
Наибольшее время при реализации алгоритма занимает проверка условия «видимости» между узлами. Так, если учитывать узлы на горизонтальной сетке (рис. 1, б) с шагом
дискретности в 1 м и для груза в форме цилиндра задать дискретность изменения двух угловых координат в 45°, а пределы изменения угловых координат –90…90°, то для рабочей
области размером 10×10 м количество узлов графа может составить максимально 15125.
Максимальное число узлов в графе возникает, когда вся поверхность в пределах рабочей
области находится выше определенного уровня. В остальных случаях число узлов уменьшается. Например, для поверхности, приведенной на рис. 1, число узлов составляет 1628.
Вычислительное время на проверку условия «видимости» составит в этом случае 168 с на
компьютере средней производительности (Athlon 64 5600+ 2.90 GHz), или 99 % от общего
времени вычислений.
50
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2009. № 4 (24)
Даже при таком крупном шаге дискретности вычислительные затраты времени получаются значительными. Кроме того, формируется довольно грубая траектория, которую
необходимо подвергнуть дальнейшей оптимизации.
Для этого предлагается использовать быстродействующий алгоритм локального поиска, или алгоритм «натягивания струны» [6]. Его суть заключается в том, что каждое из
дискретных положений груза (9 положений из 11 в рассматриваемом примере (рис. 1), начальное и конечное исключаются как постоянные) последовательно подвергается коррекции с достаточно мелким шагом по 4 координатам с целью уменьшения значения целевой
функции. При этом учитываются ограничения на координаты груза, создаваемые препятствиями. Можно провести аналогию с натягиванием нерастяжимой струны между препятствиями, но в нашем случае участвуют не только линейные, но и угловые координаты. Если повторить процедуру многократно для всех положений груза последовательно (со 2-го
по 10-е положение несколько раз), то общая траектория как последовательность дискретных положений груза в конечном итоге минимизируется по целевой функции. Достоинством алгоритма «натягивания струны» является его быстродействие: для рассматриваемого
примера при количестве итераций, равном 20, шаге дискретности линейных координат
0,03125 м и шаге дискретности угловых координат 0,0245 рад (≈ 1,4°) время вычислений
составило около 5 с.
Поскольку результат поиска траектории на графе представляет собой несколько неравномерно расположенных положений груза, для получения положений груза через равные промежутки вдоль оси X (для последующего использования алгоритма «натягивания
струны») использовался метод линейной интерполяции [6].
Описанный алгоритм «натягивания струны» является алгоритмом локального поиска, а именно реализацией циклического покоординатного спуска. Этот метод находит
ближайший к начальному состоянию локальный минимум (максимум). При том условии,
если начальное состояние поиска в ландшафте пространства состояний находится в самой
глубокой «долине» (или «котловине», т.е. области искомого глобального минимума), алгоритм «натягивания струны» позволяет быстро прийти в глобальный минимум [6].
Таким образом, для нахождения оптимальной траектории перемещения тела в среде
с произвольными препятствиями, предлагается использовать комбинированный алгоритм:
поиск на взвешенном графе с целью нахождения грубого решения и попадания в самую
глубокую «долину» (область глобального минимума) с последующим локальным поиском, реализуемым алгоритмом «натягивания струны».
Вычислительные эксперименты при различной форме поверхностей препятствий для
груза, имеющего форму цилиндра, показали работоспособность предложенного алгоритма. Алгоритм может быть использован для поиска оптимальной траектории перемещения
груза любой заданной формы при любой форме препятствий, заданной дискретно.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Богомолов, А.М. Алгебраические основы теории дискретных систем / А.М. Богомолов, В.Н. Салий. –
М.: Наука; Физматлит, 1997. – 368 c.
Щербаков, В.С. Оптимизация траектории перемещения груза автокраном в трехмерном пространстве с
препятствиями / В.С. Щербаков, М.С. Корытов // Вестн. Акад. воен. наук (спецвып.). - 2009. – № 3 . –
С. 270-273.
Powell, Warren B. Approximate Dynamic Programming: Solving the Curses of Dimensionality / Warren В.
Powell. – New York: Wiley, 2007. – 488 p.
Панченко, Т.В. Генетические алгоритмы: учеб.-метод. пособие / Т.В.Панченко; под ред. Ю. Ю. Тарасевича. – Астрахань: Астраханский университет, 2007. – 87 с.
Siek, J.G. The Boost Graph Library User Guide and Reference Manual / J.G. Siek, L.-Q. Lee, A. Lumsdaine.
- Upper Saddle River; NJ:Pearson Education, 2002.
Черноруцкий, И.Г. Методы оптимизации в теории управления: учеб. пособие / И.Г.Черноруцкий. –
СПб.: Питер, 2004. – 256 с.
Материал поступил в редколлегию 17.07.09.
51
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2009. № 4 (24)
УДК 621.9
В.П. Матлахов, Д.А. Антоненков, В.Н. Логвинов
МОДЕРНИЗАЦИЯ МАШИНЫ ТРЕНИЯ МИ-1М С ЦЕЛЬЮ ИСПЫТАНИЙ
ДЕТАЛЕЙ МАШИН И МЕХАНИЗМОВ В УСЛОВИЯХ СМАЗЫВАНИЯ
АБРАЗИВНО-МАСЛЯНОЙ СМЕСЬЮ
Представлено разработанное и изготовленное оборудование на базе серийной испытательной машины трения МИ-1М для реализации испытаний наружных поверхностей трения в условиях смазывания с добавлением абразивных частиц.
Ключевые слова: триботехнические испытания, машина трения, абразивно-масляная смесь, абразивные частицы.
Широкая номенклатура деталей транспортного, сельскохозяйственного, дорожного,
строительного машиностроения в процессе эксплуатации подвергаются тяжелым нагрузкам в условиях граничной смазки и абразивного изнашивания. Следовательно, условия
испытаний для данной группы деталей должны быть наиболее приближены к реальным
условиям в период их эксплуатации.
Для испытаний с целью оценки износостойкости подвижных соединений наиболее
часто используется серийная испытательная машина трения МИ-1М, воспроизводящая
кинематический тип сопряжения «вал-колодка», «вал-втулка».
Для испытаний с применением абразивно-масляной прослойки используют абразивный материал, приготовленный из кварцевого песка, соответствующего требованиям
ГОСТ 2138-84, и индустриальное масло 20А (ГОСТ 20799-88).
Рассмотрим два варианта реализации процесса перемешивания абразива до равномерного взвешенного состояния в индустриальном масле. В 1-й схеме вытекание суспензии обеспечивается давлением, нагнетаемым насосом [1]. Для сравнительных экспрессиспытаний (группа А) с абразивно-масляной прослойкой по оценке интенсивностей изнашивания исследуемой и эталонной поверхностей рекомендовано принципиальное описание устройства для получения и подачи в зону трения абразивно-масляной взвеси (рис. 1).
Абразивно-масляная взвесь 1 с заданной концентрацией абразивных частиц находится в резервуаре 2. К резервуару 2 всасывающим (3) и напорными (4) концами
подсоединена магистраль 5, выполненная в
виде замкнутого контура. В магистраль 5
последовательно включен насос 6, приводимый в движение электродвигателем (на
схеме не показан) и перекачивающий
взвесь 1 по магистрали 5. Насос не должен
разрушать абразивные частицы и интенсивно изнашиваться. Рекомендуются насосы объемного действия для агрессивных
сред или бензонасосы для карбюраторных
двигателей. В напорную часть магистрали
5 последовательно включен двумя ходами
трехходовой элемент 7, установленный на
Рис. 1. Схема устройства для получения и подачи
машине трения (на схеме не показана).
в зону трения абразивно-масляной взвеси
Третий ход 8 трехходового элемента 7 рас(ГОСТ 23.224-86)
52
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2009. № 4 (24)
положен над зоной трения 9 испытуемых деталей 10 и 11, сжимаемых силой Р. Этот ход
снабжен электроуправляемым клапаном 12, который открывается при подаче напряжения
на обмотку электромагнита 13 и пропускает порцию суспензии к зоне трения 9 (рис. 1).
Во 2-й схеме суспензия вытекает под действием собственного веса [2]. Сущность
метода также состоит в изнашивании образцов из исследуемых материалов по контробразцу с одновременной дозированной подачей в зону трения абразивно-масляной суспензии. Для проведения испытаний используется устройство, обеспечивающее автоматическую дозированную подачу суспензии в зону трения (рис.2).
В данном варианте взвешивание
частиц песка в масле происходит не
из-за непрерывной циркуляции смеси
по замкнутому контуру, а вследствие
реализации процесса бурления за счет
восходящего со дна потока сжатого
воздуха от компрессора, который поступает в емкость по трубке 11 и благодаря полупроницаемой перегородке
равномерно распределяется. Обе схемы предполагают дозированную подачу суспензии. Это обеспечивается
применением электромагнитных клапанов, принцип действия которых заключается в следующем (рассмотрим
на примере 2-й схемы). В токовую
катушку 8 неподвижной части электромагнита 7 подается импульс тока,
под действием которого якорь 9, преодолевая действие пружин 6, притягивается к неподвижной части магнита и поднимает клапаны 4, открывающие отверстия насадок 3 для поступления суспензии 10. Продолжительность импульса тока, а следовательно, и разовую подачу абразивноРис. 2. Схема устройства для получения и подачи
масляной суспензии устанавливают с
в зону трения абразивно-масляной взвеси
помощью реле времени. При отсутст(РД 50-339-82): 1-корпус; 2-трубка; 3-насадка;
вии тока клапаны 4 под действием
4-клапан; 5-толкатель; 6-пружина; 7-неподвижная
часть электромагнита; 8-токовая катушка;
пружин 6 перекрывают отверстия на9-подвижный якорь; 10-смесь абразива и масла;
садок 3.
11-трубка для подачи сжатого воздуха;
Реализация 1-й схемы предпола12-полупроницаемая перегородка; 13-полость
гает наличие электродвигателя, приводящего в движение клапан насоса, что значительно усложняет конструкцию и увеличивает себестоимость 1-го устройства по сравнению со 2-м при ориентировочно одинаковой
эффективности перемешивания. Во 2-й же схеме достаточно расположить насадки и систему выводных трубок над парой трения для обеспечения беспрепятственного вытекания
взвеси.
В обеих схемах отработанная суспензия собирается в специальную емкость, расположенную под станиной машины трения. Окончательный вариант схемы установки, реализованный на кафедре «Триботехнология» УНТИ БГТУ, представляет собой 2-ю рассмотренную схему с рядом конструктивных изменений (рис. 3).
53
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2009. № 4 (24)
Рис. 3. Схема устройства для получения и подачи
в зону трения абразивно-масляной взвеси:
1-корпус; 2-трубка; 3-насадка; 4-клапан;
5-толкатель; 6-пружина; 7-электромагнит;
8-смесь абразива и масла; 9-трубка для подачи
сжатого воздуха; 10-проницаемая трубка
для выхода сжатого воздуха; 11-пара трения;
12-корпус
Так,
предполагается
создание
только одной выводной трубки. Электромагнит имеет отличную от ранее
применяемой форму (поз.7, рис. 3). Сердечник электромагнита расположен соосно с клапаном и выводной трубкой.
Вместо полупроницаемой перегородки
используется трубка с отверстиями по
поверхности (поз.10,рис. 3).
Необходимым элементом системы
является стандартный промышленный
компрессор. Взвесь доставляется в зону
трения посредством перемешивания абразивно-масляной суспензии, которое
осуществляется при непрерывном поступлении в емкость с суспензией воздуха от компрессора. Величина оптимального избыточного выходного давления, необходимого для перемешивания, составляет 0,2-0,3 ат.
Выбор бака конической формы
обусловлен необходимостью обеспечения циркуляции абразива по кругу (от
точки, где частицы поднимает восходящий поток воздуха, и обратно в эту точку за счет стекания по конической поверхности). В корпус впаяна выводная
трубка, по которой под собственным весом суспензия будет поступать в смазываемую пару трения. Вытекание суспензии возможно только при открытом клапане, положения которого регулируются
электромагнитом, благодаря чему также
можно добиться дозированной подачи суспензии.
В систему входят соединительные маслостойкие шланги, по которым вытекает суспензия и поступает воздух. Капельное поступление смеси в зону трения достигается путем
установки дозирующего устройства над парой трения. Бурления добиваются посредством
удлинения шланга, идущего от компрессора, специальной трубкой, по поверхности которой в равномерном порядке расположены мелкие отверстия для выхода сжатого воздуха.
Положение электромагнита выбирается исходя из условия расположения его сердечника строго над выпускной трубкой. Сердечник электромагнита соединяется с клапаном. При подаче импульса тока происходит втягивание сердечника, а следовательно, и
клапана. Суспензия устремляется по выводной трубке к паре трения. Усилие прижатия,
создаваемое пружиной, должно быть достаточно для прекращения вытекания суспензии.
На клапане располагается резиновая коническая насадка. Верхняя часть выводной трубки
также имеет коническую форму, для обеспечения плотного соприкосновения с насадкой.
С целью фиксации на крышке бака электромагнит помещается в специальную металлическую втулку (корпус), в которой поджимается упорной втулкой для компенсации расстояния, необходимого для рабочего хода сердечника. На конце выводной трубки необходимо
предусмотреть размещение крана, позволяющего при отсутствии необходимости приме54
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2009. № 4 (24)
нения системы или разборки узла надежно предотвратить вытекание суспензии из бака.
Основные изменения в конструкции системы коснулись порционного дозирующего
устройства. Главную роль в нем играет электромагнит, выполняющий функцию управляемого клапана и работающий в двух режимах:
– положение 1: клапан закрыт при отсутствии подачи напряжения на контакты электромагнита за счет действия усилий от пружины сжатия, включенной в систему;
– положение 2: клапан открыт, напряжение подается, возникающие в электромагните магнитные поля действуют на сердечник, сжимая пружину и втягивая его.
Этот узел содержит множество элементов, необходимых для его работы, к которым
предъявляются жесткие требования соответствия конструктивной схеме. Кроме того, возникает сложность выполнения требуемого условия четкой соосности клапана и насадки.
Особое внимание необходимо уделить и обеспечению плотного прижатия клапана к насадке во избежание самопроизвольного вытекания суспензии из емкости. Реализация дозирующего устройства на основе электромагнита также требует создания электрической
схемы с включением в нее понижающего трансформатора.
С функцией обеспечения определенной по необходимому режиму смазывания дозированной подачи суспензии в пару трения вполне может справиться кран, закрепленный
на выходной трубке бака (в дополнение к своей основной функции закрытия выходной
трубки после испытания и недопущения вытекания оставшейся в баке суспензии). Более
рационально возложить функцию дозировки на другое устройство, а именно дозирующее
устройство от медицинской капельницы. Оно представляет собой корпус с роликом,
скользящий по наклонной плоскости, вследствие чего сжимается гибкая трубка под роликом, идущая от крана бака, и соответственно уменьшается подача. Другой конец гибкой
трубки непосредственно фиксируется в державке изнашиваемого образца (рис. 4,5).
Рис. 4. Дозирующее устройство
Рис. 5. Узел трения
Наиболее приемлемым для технической реализации является размещение системы
над парой трения на прочном металлическом кожухе, который одновременно защищает
подвижные части машины и оберегает человека от случайного прикосновения к ним (рис.
6). Этот вариант также обеспечивает более благоприятный режим вытекания смеси под
давлением, создаваемым собственным весом. Для большей герметичности крышка бака
изготовлена с резиновым уплотнением по контуру. В крышке предусмотрено заливное отверстие.
55
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2009. № 4 (24)
Были рассчитаны режимы смазывания, найдено необходимое давление воздуха от
компрессора, проведена тарировка нагружающего устройства. Для контроля уровня смеси
в процессе испытания и ее минимально допустимого объема изготовлено указательное
устройство, представляющее собой поплавок, находящийся в баке, стержень и направляющую с пазом. Указатель на конце стержня перемещается, отображая текущий уровень
суспензии в баке. При достижении
критической отметки требуется восполнить недостаток суспензии.
С использованием разработанной
установки машина трения МИ-1М
расширяет свои возможности и позволяет проводить широкую гамму испытаний:
- с образцами из различных материалов с разными значениями параметров качества поверхностного слоя;
- варьированием режимов нагружения пары трения и регистрацией
величин момента трения, усилия прижатия образцов, частоты вращения ролика;
- различной концентрацией абразивного материала разной зернистости.
Установка для реализации процесса перемешивания абразива до равномерного взвешенного состояния в
индустриальном масле легко открепляется и может быть смонтирована на
Рис. 6. Система перемешивания и подачи
других машинах трения.
абразивно-масляной взвеси на машине трения МИ-1М
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. ГОСТ 23.224-86. Обеспечение износостойкости изделий. Методы оценки износостойкости восстановленных деталей.
2. РД 50-339-82. Обеспечение износостойкости изделий. Метод испытаний на изнашивание абразивномасляной прослойкой.
Материал поступил в редколлегию 8.06.09.
56
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2009. № 4 (24)
УДК 539.3; 539.4
М.В.Зернин, А.П.Бабин
АЛГОРИТМ КОМБИНИРОВАННОГО МЕТОДА РЕШЕНИЯ
КОНЕЧНОЭЛЕМЕНТНЫХ ЗАДАЧ С НЕЛИНЕЙНОСТЯМИ РАЗЛИЧНОГО ТИПА
Описан новый итерационный алгоритм, разработанный для решения конечноэлементных задач, в которых
разрешающие уравнения могут иметь нелинейности различного типа.
Ключевые слова: метод конечных элементов, нелинейные разрешающие уравнения, итерационный алгоритм,
обеспечение сходимости.
Метод конечных элементов (МКЭ) является в настоящее время самым мощным численным методом решения задач, описываемых дифференциальными уравнениями. В
результате конечноэлементной аппроксимации исходная задача сводится к алгебраическим разрешающим уравнениям с неизвестными узловыми значениями искомых параметров (перемещений, температур, давлений в жидкости и т. п.), причем общедоступная в
настоящее время вычислительная техника позволяет решать задачи с сотнями тысяч узловых неизвестных. При появлении нелинейных составляющих в разрешающих уравнениях
обычно организуют итерационные процедуры, представляющие рекуррентные последовательности линейных решений. Важно обеспечить сходимость таких процедур. Нелинейные характеристики конечных элементов (КЭ) могут качественно различаться. Опыт
решения практических задач показал, что для различных типов нелинейных характеристик должны применяться различные схемы итерационных процедур [1;2]. Однако бывают случаи, когда в одной и той же задаче содержатся нелинейные характеристики различного типа. Кроме того, тип нелинейной характеристики при достижении некоторого значения аргумента может качественно измениться.
Для обеспечения сходимости в таких случаях авторами разработан комбинированный алгоритм, который можно рассматривать как объединение существующих алгоритмов. Этот алгоритм реализует возможность применения в каждый конкретный момент
вычисления той итерационной процедуры, которая гарантирует сходимость. Алгоритм
разрабатывался [2-5] для решения контактных задач механики деформируемого твердого
тела. Поэтому последующее его подробное описание и примеры нелинейных характеристик соответствуют именно этой предметной области. Тем не менее авторы уверены, что
данный алгоритм обладает достаточной общностью и может быть использован в других
приложениях МКЭ, также содержащих нелинейные разрешающие уравнения.
В задачах механики деформируемого твердого тела может проявляться физическая
или геометрическая нелинейность. В зависимости от уровней воздействия на материалы
для КЭ различных участков тел могут применяться модели теории упругости (в том числе
нелинейные), теории пластичности или теории ползучести. Методы решения физически и
геометрически нелинейных задач достаточно хорошо разработаны в соответствующих
разделах механики деформируемого твердого тела и кратко описаны в энциклопедии [1].
Авторами реализованы [2;3] различные известные итерационные методы решения нелинейных систем уравнений как сходящейся последовательности линейных задач. В качестве основных алгоритмов решения нелинейных задач рассматривались применяемые в
теории пластичности методы: метод переменных параметров упругости, метод дополнительных напряжений (МДН), метод дополнительных деформаций (МДД). Метод переменных параметров упругости был отвергнут потому, что при его использовании изменяется матрица жесткости системы на каждой итерации, трудоемкость расчета велика. Трудоемкость МДН и МДД существенно ниже. Но практика расчетов показала, что ни МДН,
57
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2009. № 4 (24)
ни МДД в отдельности не позволяют решать задачи со всеми встречающимися типами
нелинейностей.
Анализ большого объема результатов применения МДД и МДН для разных типов
нелинейностей показал, что каждый из двух этих методов не всегда обеспечивает сходимость итерационной процедуры. Причем области гарантированной сходимости данных
методов различны: там, где один из них может не обеспечить сходимость, другой справляется успешно, и наоборот. Этот факт подтолкнул к разработке алгоритма решения нелинейных задач, опирающегося на МДД и МДН одновременно. Такой метод можно назвать методом дополнительных деформаций и напряжений (МДДН) или комбинированным методом (основы его, по-видимому, впервые кратко изложены в [2]). Приведем основные положения нового метода.
МДН и МДД разработаны для решения нелинейных задач теории пластичности. При
этом использованы физические соотношения теории упругости, в которых учитываются
начальные (или остаточные, обозначенные индексом res ) напряжения или деформации. В
конечноэлементной формулировке эти уравнения имеют вид
{σ } = [D]({ε } − {ε res }) + {σ res }.
(1)
Здесь {σ } -вектор напряжений; [D ] - матрица упругих коэффициентов; {ε } - вектор
деформаций; {ε res } - вектор остаточных деформаций; {σ res } - вектор остаточных напряжений. В теории упругости эти начальные (остаточные) параметры уравнения являются
постоянными. В теории пластичности именно в этих векторах искусственным образом
сосредоточивают нелинейные составляющие, и они изменяются от итерации к итерации.
Поэтому вместо терминов «начальные» или «остаточные» чаще применяют термин «дополнительные» напряжения и деформации. В итоге жесткостные параметры системы
считаются постоянными, а нелинейности группируются в правых частях уравнений так
же, как начальные напряжения или деформации в уравнении (1). В частности, в МДН
зависимость напряжений от деформаций записывается в виде
{σ } = [D]{ε } + {σ * (ε )} ,
а в МДД - в виде
{σ } = [D]({ε } − {ε * (σ )}).
Здесь {σ *} и {ε *} – соответственно векторы дополнительных напряжений и деформаций, в которые сведены все нелинейные составляющие уравнения. Переопределяя такие
псевдоначальные параметры на каждой итерации, можно решить нелинейную задачу как
рекуррентную последовательность линейных задач.
Авторами применялись МДД и МДН для решения задач с различными типами нелинейностей. Было замечено, что на сходимость этих методов влияет вид кривой, отображающей нелинейную характеристику, а именно - в направлении какой из координатных
осей она выпуклая. Как показали многочисленные серии расчетов, характер сходимостей
можно обобщить схемами, приведенными на рис. 1. На рис. 1а и 1б иллюстрируется применение МДД, а на рис. 1в и 1г – применение МДН для диаграмм, выпуклых относительно различных осей. По внешнему виду схемы сходимости можно подразделить на «пилообразную» итерационную последовательность решения (рис. 1б и 1в) и «петлеобразную»
(рис. 1a и 1г). Расчеты показали, что «пилообразная» последовательность решения является более предпочтительной, чем «петлеобразная». Не было замечено случаев, когда бы
«пилообразная» последовательность итераций расходилась. В случаях с «петлеобразной»
последовательностью решения при определенных обстоятельствах наблюдалось увеличение размеров петли, т. е. процесс расходился.
58
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2009. № 4 (24)
-σ
-ε
-ε
а)
-σ
-σ
-σ
б)
-ε
в)
-ε
г)
Рис. 1. Схемы итерационного процесса для различных типов нелинейности:
а,б - метод дополнительных деформаций ; в,г -метод дополнительных напряжений
Из анализа рис. 1 следует, что
там, где МДД может не обеспечить
сходимость, МДН справляется
успешно, и наоборот. Рис. 2 демонстрирует схему итерационного
1
процесса в соответствии с предла3' 3
(1)
гаемым комбинированным мето2'
dσ *
2
дом (МДДН). Основную идею
σ (1)
этого алгоритма можно сформули1'
σ *(1)
ровать следующим образом. Если
dε * ( 2 )
−ε
ε *( 2 )
точка упругого решения на текущей итерации находится над криРис. 2. Схема итерационного процесса комбинировой σ (ε ) (точка 1), то следующее
ванного метода (метода дополнительных деформарешение отыскивается по схеме
ций и напряжений)
МДН, а если ниже (точка 2), то по
схеме МДД. Для этого зависимость напряжений от деформаций представлена в виде
{σ } = [D]({ε } − {ε *}) + {σ *}.
(2)
Уравнения (2) аналогичны уравнениям (1) упругой задачи при наличии одновременно начальных напряжений и начальных деформаций. Для удовлетворения физических
зависимостей на каждой итерации определяются новые значения или дополнительных
напряжений, или дополнительных деформаций.
Конечноэлементная система разрешающих уравнений имеет вид
[K ]{U } = {P} + ∫ [B]T [D]{ε *}dV − ∫ [B]T {σ *}dV ,
(3)
-σ
V
V
где [K ] = ∫ [B ] [D ]{B}dV - матрица жесткости; {U } - вектор узловых перемещений; {P} T
V
вектор узловых сил от внешних воздействий;
дополнительных деформаций;
∫ [B] {σ *}dV T
∫ [B] [D]{ε *}dV
T
- вектор узловых сил от
V
вектор узловых сил от дополнительных
V
напряжений.
Опишем итерационную схему комбинированного алгоритма по рис. 2. На первой
итерации вычисляются упругие напряжения и деформации от приложенной внешней
нагрузки. При этом начальные деформации {ε *} и начальные напряжения {σ *} принимаются равными нулю. Допустим, что полученная точка находится выше кривой σ (ε )
59
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2009. № 4 (24)
(точка 1 на рис. 2). Тогда определяем напряжения ( σ *(1) ), которые соответствуют рассчитанным деформациям и нелинейной характеристике σ (ε ) (точка 1'), и вычисляем приращения дополнительных напряжений: dσ *(1) = σ *(1) - σ (1) . Начальные напряжения следующей итерации {σ *} изменяются на величину приращений дополнительных напряжений
dσ *(1) . На следующей итерации по формуле (3) находим деформации и напряжения (точка 2). Таким образом на первой итерации. реализуется схема МДН.
Точка 2 находится ниже кривой σ (ε ) . Следовательно, определяем те деформации
( 2)
( ε * ), которые соответствуют полученным напряжениям и нелинейной характеристике
σ (ε ) . Далее определяется приращения дополнительных деформаций dε *( 2) и начальные
деформации {ε *} для следующей итерации. Таким образом реализуется схема МДД. Итерационный процесс заканчивается, когда приращения дополнительных деформаций и
напряжений становятся меньше заранее заданной допустимой погрешности этих параметров. В итоге процесс решения в каждом нелинейном КЭ может сходиться либо по схеме
МДД, либо по схеме МДН, либо по их комбинации (каждый из этих методов используется
на некоторых этапах решения), независимо от схемы сходимости в других КЭ.
На рис. 3 показано, что комбинированσ eq
ный метод и для решения упругопластических задач является более общим, так как позволяет
учитывать
различные
варианты
( 2)
dσ ∗eq
нелинейных
свойств
1
2
материала. Поскольку
3'
3
векторы напряжений и
(1)
dσ ∗eq
деформаций состоят в
(1)
1'
σ eq
2'
общем случае из шести
σ ∗(eq1)
компонент, то нели( 3)
ε ∗eq
ε eq нейная зависимость
dε ∗(eq3)
между напряжениями и
деформациями
матеРис. 3. Схема применения комбинированного метода (МДДН) для
риала должна быть
решения упругопластических задач со сложной диаграммой
описана через эквивадеформирования материала
лентные напряжения и
деформации:
σ eq = f (ε eq ) , где f (ε ) - нелинейная функция. При построении большинства теорий пластичности для сложного напряженного состояния используют гипотезу о существовании
единой кривой деформирования материала (в эквивалентных напряжениях и деформациях
– рис. 3). Характер этой кривой может быть достаточно сложным, и может появиться
целесообразность применения для различных ее участков разных вариантов алгоритма
решения пластических задач. На рис. 3 приведена диаграмма деформирования материала с
площадкой текучести и нелинейным упрочнением. В частности, такая нелинейная характеристика может отображать интегральные свойства композиционного материала, состоящего из принципиально различающихся по свойствам компонентов. Например, возрастающая линия правого участка качественно соответствует нелинейноупругому деформированию резины. На площадке текучести целесообразнее применять МДН, а на участке
60
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2009. № 4 (24)
с таким типом упрочнения - МДД. Именно такая схема итерационного процесса изображена на рис. 3. В ходе итерационного процесса осуществляется переход от схемы МДН к
методу МДД.
В некоторых случаях на диаграммах свойств КЭ проявляется скачкообразное изменение этих свойств. Рассмотрим в качестве примера нелинейые свойства слоев в зоне
контактирования поверхностей (так называемого «третьего тела», или «контактной псевдосреды» [2-5]). В общем случае нормальные деформации ε n контактной псевдосреды
нелинейно зависят от нормальных напряжений σ n в контакте (контактных давлений). При
сухом контактировании эта взаимосвязь качественно отображается кривой линией, показанной на рис. 4а. Если после нагружения определенными давлениями приложить к контактной псевдосреде касательные усилия τ и измерить ее касательные деформации γ , то
получим нелинейные зависимости, изображенные на рис. 4б. Сначала контактный слой
нелинейно деформируется в пределах предварительного смещения. После достижения
начинается относительнекоторого предельного значения касательного напряжения τ max
fr
ное движение поверхностей при касательном напряжении τ fr < τ max
(сопротивление треfr
нию скольжения меньше сопротивления трению покоя). Поэтому на рис. 4б имеется зона
скачкообразного изменения свойств (вертикальные участки линий τ − γ ), соответствующая переходу от состояния покоя в условиях предварительного смещения к процессу
относительного скольжения поверхностей, которому соответствуют горизонтальные участки линий τ − γ .
-σn
τ
зона предварительного смещения
σn3
σn2
σn1
зона скольжения
τfr
0
σmax
а)
γ
−εn
б)
Рис. 4. Схематическое изображение графиков взаимосвязи напряжений и соответствующих
перемещений контактного слоя в нормальном (а) и касательном (б) направлении
Если моделируются односторонние связи контактирующих поверхностей, то координаты можно отсчитывать только в сторону сжимающих нормальных напряжений и
деформаций (рис. 4а). Силами сцепления поверхностей (например, адгезионными) обычно
пренебрегают из-за их малости по сравнению со сжимающими контактными давлениями.
В более общем случае учитывают для контактной псевдосреды различные модели взаимодействия поверхностей при их прижатии друг к другу и при приложении растягивающих
нагрузок. В этом случае координаты отсчитываются в двух направлениях, причем график
положительных (растягивающих) нормальных напряжений обрывается после достижения
некоторого их предельного значения σ nmax . Такие нелинейные свойства контактной псевдосреды можно задавать в МКЭ как нелинейные свойства контактных КЭ [2-5].
Другой вариант скачкообразного изменения свойств КЭ возникает, например, при
моделировании процессов разгрузки и последующего нагружения нелинейно деформи61
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2009. № 4 (24)
руемого материала. Характеристики повторного нагружения до некоторого уровня деформации имеют нулевые значения уровней напряжений. Разрывы на характеристиках КЭ
появляются в том случае, когда нагрузка прикладывается неоднократно. На рис. 5а показана схема изменения свойств контактных КЭ в направлении нормали при первом и повторном нагружениях. Процесс деформирования при первом нагружении соответствует
кривой, изображенной на рис. 1а, и отображается на рис. 5а линией со стрелкой 1. Если
после достижения некоторого уровня нормальных напряжений внешнюю нагрузку снять,
то процесс разгрузки произойдет по линии со стрелкой 2, а в контактных КЭ останется
некоторый уровень остаточных деформаций ε res . При последующем повторном нагружении этот уровень остаточных деформаций аналогичен зазору в данном КЭ. Если нагрузка
прикладывается повторно, то сначала выбирается этот зазор при нулевых давлениях в КЭ,
после чего процесс деформирования происходит по линии разгрузки (стрелка 3). После
достижения давлений, равных максимальному давлению при первом нагружении σ m ,
деформирование происходит опять по кривой начальных свойств КЭ (линия со стрелкой
4).
−σ
τ
ττ
5
4
4
τm
σm
6
1
2
1
2
3
3
ε res
γ res
−ε
а)
γm
γ
б)
Рис. 5. Зависимость нормальных (а) и касательных (б) напряжений от соответствующих
деформаций при сложном режиме нагружения
На рис.5б приведена схема деформирования при неоднократном приложении касательных напряжений к контактному КЭ. Стрелкой 1 указана кривая первоначального
нагружения в пределах предварительного смещения. Уменьшение касательного напряжения приводит к нелинейной разгрузке по линии, отмеченной стрелкой 2. Последующее
повторное нагружение (стрелка 3) до уровня достигнутых ранее напряжений τ m происходит по линии разгрузки, а выше этого уровня напряжений - по линии предварительного
смещения (стрелка 4). Проскальзывание с трением отмечено стрелкой 5, а последующая
разгрузка – стрелкой 6.
Применяемая в сочетании с МКЭ дискретизация временной оси позволяет рассматривать практически любой характер изменения внешних воздействий на объект во времени. Высокопроизводительные ЭВМ позволяют прикладывать внешние нагрузки по малым
шагам и отыскивать решение на каждом шаге. Таким образом, фактически моделируется
реальный процесс нагружения с учетом истории изменения внешнего воздействия. Можно
моделировать процессы разгрузки, появления остаточных напряжений и деформаций,
последующие этапы повторного нагружения. В частности, кривые, изображенные на рис.
5,получены расчетным путем с применением МДДН.
62
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2009. № 4 (24)
Разрывы на характеристиках КЭ могут существовать и для их исходного состояния.
В частности, зазоры между контактирующими поверхностями можно задавать как разрывные свойства контактных КЭ. Такой прием позволяет внешнюю нелинейность (определяемую нелинейными граничными условиями на поверхности контакта) свести к внутренней нелинейности самих контактных КЭ. Стадия определения границ площадки контакта может быть реализована в рамках механики контактной псевдосреды [2-5] как решение задачи со специфическими свойствами контактных КЭ, учитывающих не только
нелинейное деформирование слоя, но и наличие исходного зазора между поверхностями.
Можно не использовать прием включения-выключения контактных КЭ в зону контактирования, требующий применения внешнего итерационного цикла для поиска площадки
контакта. В рамках механики контактной псевдосреды используются контактные КЭ,
которые всегда включены в схему расчета. Но они наделены индивидуальными свойствами в зависимости от их геометрического положения: начальный зазор H − h включен в
свойства контактных КЭ. Подобные элементы в пределах сближения H − h не оказывают
сопротивления внешней нагрузке. Такой подход сводит задачу о контактировании тел с
различной геометрией (внешней нелинейностью) к задаче с внутренней нелинейностью,
определяемой свойствами контактных КЭ.
Отметим сложности реализации решений задач, в которых имеются нелинейные характеристики, такие, как на рис. 4. Во–первых, имеются разрывы характеристик вследствие различия трения покоя и трения скольжения (рис. 4б). Во-вторых, характеристики
нормальной и касательной контактной жесткости (рис. 4) выпуклы относительно различных осей и для обеспечения «пилообразной» итерационной последовательности требуют
применения различных методов. Таким образом, необходимо использовать в одном и том
же контактном КЭ для одной компоненты НДС МДД, а для другой компоненты - МДН. Втретьих, при решении контактных задач с учетом касательных напряжений должно учитываться влияние величины нормальных напряжений (контактных давлений) на зависимость касательных напряжений от касательных (сдвиговых) деформаций. Для этого сначала решается контактная задача без учета касательных напряжений, после чего решение
уточняется с целью учета нелинейных свойств как в нормальном, так и в касательном
направлении. В качестве начального приближения для текущего уровня внешней нагрузки
используется решение задачи с учетом нелинейных зависимостей для контактного слоя
только в нормальном направлении. Опыт расчетов показал, что при последующем учете
нелинейностей в касательτ 7,1.5 107
1.14345 .10
ном направлении величина
МПа
нормальных напряжений в
каждом контактном КЭ в
7
Fun( i )
1 10
10
большинстве случаев меняτ up σ 1 , ε
ется незначительно в одной
τ up σ 2 , ε
итерации. Такой прием поτ up σ 3 , ε
6
следовательного учета нели5 10 5
нейностей
обеспечивает
сходимость итерационного
процесса. Например, на рис.
0
0
6 нагрузка приложена по
0
0.01
0.02
0.03
0.04
0.05
0.06
0.07
0.08
0.09
0
Arg( i ) , ε
0.080763
частям и для каждого уровня
0
0,02
0,04
0,06
0,08 γ
нагрузки
демонстрируется
Рис. 6. Схема сходимости алгоритма определения
касательных контактных напряжений
процесс сходимости касательных напряжений.
63
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2009. № 4 (24)
Бывает необходимость решать более сложные задачи с учетом взаимовлияния более
двух нелинейных характеристик, например объемные контактные задачи с учетом отличающихся касательных свойств в различных направлениях. На рис. 7 приведена схема
объемного контактного КЭ в преобразованных
Z
локальных координатах. Кроме деформирования по
τ
τ zx τ zy
нормали к поверхности контакта (по оси Z) возΣ
можно его касательное деформирование (деформации γ zx и γ zy ). В общем случае свойства такого
τ xz
τ yz
Y
X
Рис. 7. Объемный контактный конечный элемент в локальных осях
объемного контактного КЭ можно описать зависимостями напряжений от деформаций в каждом из
трех перечисленных направлений: одной зависимостью вдоль оси Z и двумя вдоль взаимоперпендикулярных касательных направлений. Свойства в разных касательных направлениях могут существенно
различаться: τ zx (γ zx ) ≠ τ zy (γ zy ) . При решении такой
объемной контактной задачи выполняется поиск
дополнительных напряжений и деформаций для
всех трех указанных направлений. Так как касательные свойства контактной псевдосреды
зависят от величины нормальных напряжений, для каждого уровня приложенной нагрузки
сначала вычисляется величина нормальных напряжений с нулевыми свойствами контактной псевдосреды в касательных направлениях. На следующих итерациях дополнительные
напряжения и деформации вычисляются уже с учетом зависимостей для касательных
напряжений в обоих направлениях.
Итак, построен новый итерационный алгоритм для решения конечноэлементных задач, в которых разрешающие уравнения могут иметь нелинейности различного типа. Этот
алгоритм можно рассматривать как объединение существующих алгоритмов; он реализует
возможность применения при расчете того из них, который гарантирует сходимость итерационной процедуры. В одной и той же расчетной схеме, но в разных КЭ с различными
типами нелинейностей одновременно могут использоваться различные варианты итерационных процедур. Кроме того, даже в одном и том же КЭ могут использоваться различные
варианты итерационных процедур, если нелинейные характеристики для разных компонент НДС соответствуют нелинейностям различного типа.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Машиностроение: энциклопедия. - М.: Машиностроение, 1994. - Т. I-3. - Кн. 1. – 534 с.
2. Бабин, А.П. Конечноэлементный алгоритм решения контактных задач с учетом нелинейных эффектов
/А.П.Бабин// Динамика, прочность и надежность транспортных машин. - Брянск: БГТУ, 2002. С. - 138148.
3. Зернин, М.В. К исследованию контактной жесткости с использованием модели механики контактной
псевдосреды /М.В. Зернин , А.П.Бабин// Заводская лаборатория. -2001. - Т. 67. - №6. - С. 51-54.
4. Бабин, А.П. Учет влияния нелинейных свойств поверхностных слоев при конечноэлементном решении
задач о контактном взаимодействии деформируемых тел /А.П.Бабин, М.В.Зернин// Трение и смазка в
машинах и механизмах. – 2008. - № 3. - С. 3-16.
5. Бабин, А.П. Конечноэлементное моделирование контактного взаимодействия с использованием положений механики контактной псевдосреды /А.П.Бабин, М.В.Зернин //Изв. РАН. Механика твердого тела. –
2009. - №4. - С. 84-107.
Материал поступил в редколлегию 4.04.09.
64
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2009. № 4 (24)
УДК 621.86
И.А. Лагерев
ИМИТАЦИОННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ФАКТОРОВ НАГРУЖЕННОСТИ
МЕТАЛЛОКОНСТРУКЦИИ МОСТОВОГО КРАНА
Предложена методика имитационного моделирования основных факторов нагруженности металлоконструкции мостового крана общего назначения, основанная на достоверном учете условий и режимов его работы.
Показано применение методики при выполнении численного моделирования нагруженности металлоконструкций ряда натурных мостовых кранов.
Ключевые слова: мостовой кран, нагруженность, факторы нагруженности, имитационное моделирование,
компьютерное моделирование.
Сегодня в России эксплуатируется более 130 тысяч мостовых кранов различного типа.
По данным Ростехнадзора, более 70% из них отработали свой нормативный срок службы и
должны регулярно проходить диагностические обследования с целью обеспечения соответствия их технического состояния требованиям безопасности [1; 2]. Для повышения достоверности экспертных оценок необходимо совершенствование методов расчета металлоконструкций мостовых кранов, а также оценки их остаточного ресурса (применительно к
кранам мостового типа, отработавшим нормативный срок службы). Для решения этих задач
необходима полномасштабная информация об изменении во времени нагруженности диагностируемого мостового крана в целом и его отдельных несущих металлоконструкций,
данные об интегральных количественных характеристиках нагруженности с учетом реального технологического графика работы грузоподъемной машины в течение всего предыдущего периода эксплуатации.
Под нагруженностью понимается состояние объекта, вызванное внешними воздействиями и условиями функционирования. Для элементов металлоконструкции крана основными характеристиками нагруженности являются внешние нагрузки или напряжения в
опасных зонах. Нагруженность металлоконструкции определяется различными факторами, из которых к главным можно отнести [1; 3 – 5]:
- массу поднимаемых грузов;
- число транспортируемых грузов за исследуемый период времени;
- последовательность выполнения краном технологических операций;
- величины перемещений грузовой тележки и моста крана, определяющиеся
расстояниями вдоль осей координат между точками подъема и опускания груза.
На практике для характеристики нагруженности металлоконструкции применяется
типовой блок нагружения известного режима работы, отражающий случайное распределение только одного фактора нагруженности – массы поднимаемого груза [1]. Применение
такого подхода при расчетах металлоконструкции крана на сопротивление усталости не
позволяет учесть влияние реальной истории нагружения на процесс накопления повреждений, а при расчетах живучести за рамками рассмотрения остаются многие особенности роста усталостных трещин.
В данной статье представлена методика имитационного моделирования технологического процесса подъема и перемещения грузов в течение длительного интервала времени с учетом расположения основного и вспомогательного технологического оборудования
в пределах конкретного производственного участка или цеха. Целью моделирования является оценка влияния параметров технологического процесса работы обследуемого мостового крана на основные факторы нагруженности его металлоконструкции.
65
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2009. № 4 (24)
Объектом исследования является мостовой кран, работающий на определенном
производственном участке – в цеху, отдельном пролете или части пролета цеха (рис. 1).
По ширине участок ограничен двумя крайними положениями грузовой тележки, по длине –
крайними положениями моста крана в процессе работы. На производственном участке,
как правило, расположено достаточное количество различных рабочих зон, поочередно
обслуживаемых краном: обрабатывающие станки и другое основное технологическое
оборудование, места загрузки и разгрузки внутрицехового и внутризаводского транспорта, площадки для хранения материалов и отходов, складские зоны и др. Кран перемещает
грузы между отдельными рабочими зонами согласно требованиям производственного
процесса (по мере обработки грузов), вследствие чего последовательность действий крана
во времени не может иметь строгую периодичность и носит случайный характер. Сами
перемещаемые грузы обладают различной массой вследствие наличия для каждого производственного участка определенной номенклатуры отдельно обрабатываемых деталей и
узлов, а также проведения сборочных операций.
Рис. 1. Модель производственного участка, обслуживаемого краном
На основании анализа взаимосвязей между различными объектами рассматриваемой модели (рис. 1) вычисляются параметры, выражающие распределение факторов
нагруженности. Исходя из особенностей производства, можно выделить несколько вариантов представления параметров распределения (рис. 2).
а)
б)
в)
Рис. 2. Варианты описания параметров:
а – блок распределения; б – частоты повторения конкретного значения; в – смешанный подход
Если кран работает с различными грузами, масса которых варьируется в широком
диапазоне, то строится блок распределения массы поднимаемого груза (рис. 2 а). В случае
малого числа транспортируемых объектов и при отсутствии четкого распределения
операций определяется частота повторения конкретных значений массы груза (рис. 2 б).
Оба подхода могут комбинироваться (рис. 2 в). Алгоритм построения блока распределения массы груза представлен в [1; 5].
66
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2009. № 4 (24)
Рассмотрим методику построения блоков распределения положения тележки и
моста крана. В [5] предлагается определять частоту следующим образом. Пусть x – координата, характеризующая положение тележки или моста, при этом x ∈ [0; xmax ] . Диапазон
изменения x делится на N частей. При этом i -я ступень блока соответствует i -й части
( i = 1...N ). Построение блока ограничено определением частоты нахождения грузовой
тележки или моста в каждой части отрезка по формуле
NГ
ν Бi =
где N Г
∑Nj
j =1
,
(1)
NΣ
– число различных грузов; N j – количество грузов, перенесенных краном через
i -ю часть отрезка; N Σ – общее количество грузов.
Такой подход имеет существенный недостаток: при его использовании не определяются положения тележки или моста крана при подъеме и опускании груза. В процессе
моделирования это приводит к тому, что получаемые значения координат точек подъема
или опускания груза не соответствуют расположению рабочих зон. Целесообразно
строить индивидуальные блоки, определяющие положение тележки или моста отдельно
при подъеме и опускании груза. В этом случае в формуле (1) под N j понимается количество грузов, поднятых или опущенных в точке, принадлежащей i -й части диапазона
изменения х . В реальных условиях наблюдается корреляционная взаимосвязь положений
тележки или моста крана и массы груза. Так, работы с небольшими грузами малой массы
могут проводиться в пределах всего цеха, а операции с тяжелыми и крупногабаритными
грузами не могут выполняться вблизи стен производственного помещения. Поэтому для
каждого интервала значений массы груза строятся свои блоки, определяющие длины
перемещений.
Общее количество грузов N Σ и количество обработанных грузов N j определяются
на основе анализа производственно-технологической документации: архивных документов о динамике выпуска продукции предприятием, сборочных чертежей всей номенклатуры выпускаемых изделий и узлов, технологических карт подъемно-транспортных, погрузочно-разгрузочных и складских работ.
На основе данных распределения факторов нагруженности проводится их имитационное моделирование. Структурная схема процесса моделирования показана на рис. 3.
Рис. 3. Структурная схема процесса имитационного моделирования
Рассмотрим процесс получения последовательностей значений факторов нагруженности для случая использования блоков распределения, построенных на основе анализа модели обслуживаемого краном участка. Далее под Q понимается любой из рассматриваемых факторов нагруженности (масса груза, положение грузовой тележки, положение
моста крана). Переход к i -му уровню фактора в s -м вычислительном опыте осуществляется согласно условным вероятностям перехода Ps ,i . Эти вероятности вычисляются после
каждого вычислительного опыта.
67
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2009. № 4 (24)
При этом в s -м вычислительном опыте номер уровня фактора Q определяется
следующим образом:
1 при x R ≤ Ps −1,1 ;

...

i -1
i
 i при ∑ Ps-1,k ≤ x R ≤ ∑ Ps-1,k ;
(2)
iS = 
k =1
k =1

...
N -1

 N при ∑ Ps-1,k ≤ x R ≤ 1,
k =1

где iS – результат, полученный в s -м вычислительном опыте; s = 1...M ; k = 1...( N − 1) ;
xR – случайное число, равномерно распределенное на интервале [0; 1]; N – число уровней фактора (число ступеней в блоке распределения); M – число вычислительных опытов,
равное числу циклов работы крана за исследуемый период N Σ .
Вероятности перехода Ps ,i вычисляются следующим образом. Пусть в ходе моде
лирования после s − 1 вычислительных опытов получено N i значений фактора Q , лежащих в i -м диапазоне. Тогда вероятность перехода в s-м вычислительном опыте к значению, лежащему на i -м уровне, определяется по зависимости

Mν Бi − N i
,
Ps ,i =
M −s
где ν Бi – относительная частота i -й ступени блока распределения фактора.
Если требуется определить точное значение фактора, то оно вычисляется пропорционально xR по следующей формуле:
iS −1



xr − ∑ QБ ,iS 
 QБ ,i ,
k =1
(3)
QS =  iS + i
iS −1
Q
S

∑ QБ ,iS − ∑ QБ ,iS  max
k =1
k =1


где QS – значение фактора, полученное в s -м вычислительном опыте; QБi – амплитуда
i -й ступени блока распределения фактора.
Для случая, представленного на рис. 2 б, моделирование выполняется по указанному
алгоритму. Однако в этом случае следует ограничиться только вычислением номера уровня
фактора iS . Для варианта, показанного на рис. 2 в, одна часть значений вычисляется с использованием выражений (2) и (3), другая часть – с использованием только выражения (2).
После окончания процесса моделирования оказывается сформированной последовательность из M значений фактора Q . Однако нагруженность металлоконструкции мостового крана в пределах одного цикла работы определяется совокупностью значений всех
перечисленных факторов. Рассмотрим порядок генерации совокупностей значений.
В каждом вычислительном опыте сначала моделируется значение массы груза, которая
является независимой случайной величиной. Далее согласно полученному значению
массы выбирается требуемый блок распределения положения грузовой тележки. С использованием этого блока моделируются координаты положения грузовой тележки при
подъеме и опускании груза. Аналогично моделируются положения моста крана. Таким
образом, положения грузовой тележки и моста крана являются зависимыми от массы груза случайными величинами.
68
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2009. № 4 (24)
Построение имитационной модели подразумевает применение компьютерной программы, с помощью которой моделируется поведение исследуемого объекта. Для исследования процесса подъема и перемещения грузов была разработана компьютерная программа «Технологический процесс». Главное окно программы приведено на рис. 4. После
построения модели обслуживаемого краном участка моделируются факторы нагруженности согласно схеме (рис. 3).
Рис. 4. Главное окно программы «Технологический процесс»
На основе разработанной методики с использованием разработанной программы
проведено имитационное моделирование параметров нагруженности металлоконструкций
действующих мостовых кранов.
Была исследована работа мостового крана грузоподъемностью 10 т, установленного в заготовительном цехе машиностроительного завода. На основе полученных блоков
распределения массы груза и других параметров (табл. 1, 2) смоделированы значения основных факторов нагруженности (листинг). Распределение массы грузов:
Интервалы
значений
массы, т
Вероятность
появления
0…1
1…2
2…3
3…4
4…5
5…6
6…7
7…8
8…9
9…10
0,423
0,274
0,087
0,057
0,026
0,031
0,062
0,021
0,011
0,008
Таблица 1
Вероятность расположения грузовой тележки по зонам
Грузы, т
0,0…2,5
2,5…5,0
5,0…7,5
7,5…10,0
1
0,076
0,063
0,010
0
2
0,092
0,134
0,173
0
3
0,113
0,129
0,127
0,050
Зона размещения грузовой тележки
4
5
6
7
0,116
0,088
0,103
0,114
0,146
0,021
0,093
0,137
0,158
0,023
0,06
0,162
0,150
0,420
0,210
0,110
69
8
0,115
0,125
0,197
0,060
9
0,104
0,105
0,090
0
10
0,079
0,047
0
0
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2009. № 4 (24)
Таблица 2
Вероятность расположения моста крана по зонам
Грузы, т
0,0…2,5
2,5…5,0
5,0…7,5
7,5…10,0
Масса груза, т
954,15
1567,32
6465,76
444,28
122,369
1254,68
6455,92
801,99
1378,98
184,55
1588,26
3413,16
226,83
1554,74
3154,55
46,82
...
1
0,03
0,02
0,01
0,01
2
0,11
0,12
0,09
0,09
3
0,28
0,27
0,23
0,37
Зона размещения моста крана
4
5
6
7
0,12
0,09
0,08
0,09
0,10
0,13
0,10
0,09
0,09
0,17
0,07
0,15
0,09
0,09
0,10
0,12
8
0,07
0,08
0,08
0,07
Результаты моделирования факторов нагруженности
Положение тележки, м
при подъеме груза
при опускании груза
0,29
7,77
19,22
11,80
11,93
3,28
1,61
7,13
15,94
12,76
6,21
16,97
14,10
12,61
7,62
6,85
7,51
10,19
17,65
11,47
13,42
11,29
14,11
12,50
2,39
15,25
9,83
16,86
6,74
6,91
4,28
9,27
...
...
9
0,05
0,05
0,09
0,05
10
0,08
0,04
0,02
0,01
Листинг
Положение моста, м
при подъеме груза
при опускании груза
8,00
11,15
28,20
10,08
13,33
16,85
37,36
26,10
9,48
17,49
26,28
6,52
13,69
26,58
15,81
12,51
21,26
17,51
9,66
13,37
14,66
10,92
22,18
18,07
8,82
17,48
7,22
16,81
18,29
8,20
24,19
8,28
...
...
Полученные значения соответствуют блокам распределения. Если использовать не
выражения (2) и (3), а предлагаемый в [6] подход, то в этом случае число полученных резуль
татов N i по каждому уровню не соответствует исходному блоку распределения фактора нагруженности. В зависимости от полноты блока погрешность моделирования для различных
ступеней составляет 5…30%.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Соколов, С.А. Металлические конструкции подъемно-транспортных машин / С.А.Соколов. – СПб.:
Политехника, 2005. – 423 с.
2. Доронин, С.В. Моделирование прочности и разрушения несущих конструкций технических систем /
С.В. Доронин, А.М. Лепехин, В.В. Москвичев, Ю.И. Шокин. – Новосибирск: Наука, 2005. – 250 с.
3. Лобов, Н.А. Динамика передвижения кранов по рельсовому пути / Н.А.Лобов. – М.: Изд-во МГТУ им.
Н.Э. Баумана, 2003. – 232 с.
4. Лагерев, И.А. Методика моделирования эксплуатационной нагруженности металлоконструкции мостового крана / И.А.Лагерев // Наука и производство–2009: материалы Междунар. науч.-практ. конф. : в 2 ч. /
под ред. С.П. Сазонова, П.В. Новикова. – Брянск: БГТУ, 2009. – Ч. 1. – С. 312-314.
5. Блинов, Л.П. Моделирование переменных напряжений в металлоконструкции мостового крана от перемещения тележки / Л.П.Блинов, А.П.Шлюшенков // Вопросы исследования динамики и надежности элементов
подвижного состава и транспортных машин / под ред. Б.Г.Кеглина. – Брянск: БИТМ, 1988. – С. 69-74.
6. Шлюшенков, А.П. Нагруженность и расчеты деталей машин и элементов конструкций на прочность и
долговечность / А.П. Шлюшенков. − Брянск: БИТМ, 1991. − 156 с.
Материал поступил в редколлегию 12.11.09.
70
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2009. № 4 (24)
ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ МАШИНОСТРОЕНИЕ
УДК 621.43.01
В.В. Рогалев, А.А. Обозов, А.В. Клочков
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА СЖАТИЯ В ВЫСОКОФОРСИРОВАННОМ
СУДОВОМ МАЛООБОРОТНОМ ДИЗЕЛЕ
Представлены результаты экспериментальных исследований процесса сжатия в цилиндрах судового малооборотного дизеля 6ДКРН 50/200-14.
Ключевые слова: малооборотный дизель, процесс сжатия, показатель политропы сжатия.
В цилиндрах любого двигателя внутреннего сгорания в процессе сжатия происходит
сложный теплообмен между рабочим телом и стенками деталей, образующих камеру сгорания. Рабочее тело, поступающее в цилиндр судового дизеля, должно иметь, согласно
правилам Российского морского регистра судоходства, температуру не более 42º С, а
стенки цилиндра нагреты до температуры в сотни градусов Цельсия. Поэтому в начальный период сжатия рабочее тело получает теплоту от стенок цилиндра. В процессе сжатия
рабочее тело сильно нагревается и в конце сжатия имеет температуру порядка 1000º С, что
значительно больше температуры стенок. Следовательно, в конце процесса сжатия более
горячее рабочее тело отдает теплоту в стенки цилиндра. Подвод теплоты к рабочему телу
увеличивает показатель политропы по сравнению с показателем адиабаты k (для воздуха k =
=1,4), а отвод теплоты соответственно понижает показатель политропы. Таким образом,
процесс сжатия с термодинамической точки зрения является политропическим и происходит с переменным показателем политропы.
При выполнении расчета рабочего цикла широко используется методика Гриневецкого-Мазинга [1]. Согласно этой методике, рабочий цикл дизеля представляется состоящим из ряда термодинамических процессов, причем процесс сжатия рассматривается как
политропический с постоянным показателем политропы n. В литературе [1] существуют
рекомендации по выбору величины n. Показатель политропы следует выбирать в диапазоне значений 1,32…1,39. Однако данные рекомендации получены на основании анализа
работы двигателей со средним индикаторным давлением P i ≈ 1,0 МПа, характерным для
двигателей, изготовлявшихся несколько десятилетий назад. В настоящее время судовые
малооборотные дизели типа ДКРН, выпускаемые на Брянском машиностроительном заводе по лицензии фирмы MAN-B&W Diesel A/S, достигли высокого уровня среднего индикаторного давления – величины 2,0 МПа. Двигатель 6ДКРН 50/200-14 в режиме спецификационной максимальной длительной мощности (СМДМ) имеет следующие параметры:
эффективная мощность 9480 кВт при частоте вращения коленчатого вала 127 мин-1; максимальное давление цикла 15,1 МПа; давление наддувочного воздуха 0,362 МПа; среднее
индикаторное давление 2,03 МПа. Двигатель является крейцкопфным, сверхдлинноходовым (имеет отношение диаметра цилиндра к ходу поршня S/d = 4), характеризуется высоким значением максимального давления цикла и предельно высоким для одноступенчатых
схем наддува давлением наддувочного воздуха. Расчет рабочего процесса этого дизеля с
использованием методики Гриневецкого-Мазинга при выборе рекомендуемых значений
показателя политропы n = 1,32…1,39 приводит к значительной погрешности в определении важнейших характеристик дизеля, сильно отличающихся от экспериментальных значений. На необходимость усовершенствования традиционной методики расчета рабочего
цикла дизеля путем правильного описания процесса сжатия указывает ряд публикаций [2].
71
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2009. № 4 (24)
Целью настоящей работы является исследование изменения показателя политропы
в процессе сжатия дизеля 6ДКРН 50/200-14, имеющего высокую величину среднего индикаторного давления: P i = 2,0 МПа.
Исходной информацией при изучении термодинамических процессов в машинах
является индикаторная диаграмма, т.е. изображение цикла в координатах р – v (давление –
объем цилиндра). Известно, что небольшие отрезки любых кривых линий могут быть аналитически выражены уравнениями степенного вида [3; 4]. В частности, всегда можно выn
брать такое число n, при котором уравнение pv = const достаточно близко воспроизводит разнообразные встречающиеся в практике линии индикаторных диаграмм. Если вся
заданная кривая не может быть выражена единым уравнением, ее можно разбить на несколько интервалов, каждый из которых характеризуется своим показателем n.
Для нахождения показателя политропы по заданной кривой процесса в координатах р – v пользуются графическим способом. Логарифмируя почленно уравнение политconst. Следовательно, в координатах y = lg p и x = lg v политропы, имеем lg p + n lg v =
ропа изображается в виде прямой линии с угловым коэффициентом, равным n, причем
выбор масштабов для величин р и v не играет роли. Поэтому при построении логарифмической анаморфозы для определения показателя n можно исходить из непосредственно
измеряемых координат точек в р – v – диаграмме. Кривую рассматриваемого процесса на
плоскости в координатах р – v разбивают на ряд участков и по значениям параметров в
начале и конце каждого участка вычисляют средние значения показателя политропы по
уравнению
n=
ln p1 − ln p2
.
ln v2 − ln v1
Давление в цилиндре, бар
Экспериментальные индикаторные диаграммы при испытаниях двигателя 6ДКРН
50/200-14 на стендах завода-изготовителя регистрировались с помощью комплекса испытательной аппаратуры PMI – System (MAN-B&W Diesel A/S). На рис. 1 показан вид
индикаторной диаграммы, полученной в режиме спецификационной максимальной длительной мощности. При анализе исследуемых зависимостей экспериментальные кривые
сглаживались с помощью сплайнов, построенных не менее чем по пяти точкам. Кривая
сжатия разбивалась на участки через 1 градус поворота коленчатого вала. На рис. 2 показан характер изменения показателя
политропы сжатия в зависимости от
изменения объема цилиндра. Прак150
тически на всем протяжении процесса показатель политропы сжатия
имеет значения выше 1,4. Средняя
величина n составляет 1,445; макси100
мальное значение показателя политропы n = =1,71 наблюдается в начале процесса сжатия, когда холодное
50
рабочее тело поступает в цилиндр и
наиболее интенсивно подогревается.
Это свидетельствует о том, что ра0
бочее тело на протяжении большей
10
20 30 40 50 60 70 80 90 100
части процесса сжатия получает теОтносительный объем цилиндра, %
плоту от стенок цилиндра. Только
Рис. 1. Индикаторная диаграмма дизеля 6ДКРН
непосредственно вблизи верхней
50/200-14 в режиме спецификационной
мертвой точки (ВМТ) показатель
максимальной длительной мощности
политропы сжатия снижается до ве72
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2009. № 4 (24)
1,8
Показатель политропы
1,6
1,4
1,2
1
0,8
0,6
0,4
0,2
0
0
50
100
150
200
250
300
350
Объ ем цилиндра
Рис. 2. Значения показателя политропы сжатия
в номинальном режиме работы исследуемого дизеля
(100% СМДМ)
1,8
Показатель политропы
1,6
1,4
1,2
1
0,8
0,6
0,4
0,2
0
0
50
100
150
200
250
300
350
Объ ем цилиндра
Рис. 3. Значения показателя политропы сжатия в режиме
работы дизеля 50% СМДМ по винтовой характеристике
5,5
Логарифм давления lg p
5
4,5
4
3,5
3
2,5
2
1,5
2
2,5
3
3,5
4
4,5
Логарифм объ ема lg v
Рис. 4. Значения показателя политропы сжатия для номинального режима работы (100% СМДМ) в логарифмических координатах р – v
73
5
личины n = 1,337.
Такая тенденция изменения показателя политропы сжатия наблюдается
во всех режимах работы
судового дизеля. Так, на
рис. 3 показано изменение
величины n в режиме 50%
СМДМ (по винтовой характеристике). В этом случае средняя величина n составляет
1,521; максимальное значение показателя политропы n = 1,69.
Следовательно, в режиме
50% СМДМ рабочее тело
подогревается больше, чем
в номинальном режиме работы
дизеля
(100%
СМДМ). Это объясняется
тем, что частота вращения
коленчатого вала снижается (со 127 до 100,8 мин-1),
соответственно увеличивается время контакта рабочего тела с горячими деталями камеры сгорания.
На рис. 4 приведены
значения показателя политропы сжатия для номинального режима работы
исследуемого дизеля в логарифмических координатах.
В табл. 1 представлены параметры рабочего
процесса некоторых судовых малооборотных дизелей типа ДКРН. Степень
сжатия всех двигателей является невысокой (ε =
=11,9…12,8), а давление
наддува – высокое (Pк =
=0,31…0,365 МПа). Экспериментальные
величины
давления в конце сжатия
Pc варьируются в пределах
10,8…13,2 МПа.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2009. № 4 (24)
Параметры рабочего процесса судовых малооборотных дизелей
Таблица 1
Параметры
6ДКРН
35/105-10
ДБ-44
6ДКРН
60/229-12
ДБ-46
6ДКРН
42/136-11
ДБ-54
5ДКРН
42/136-11
ДБ-60
6ДКРН
50/200-14
ДБ-62
7ДКРН
50/200-15
ДБ-62
N e , кВт
3000
11200
5970
4980
9480
11060
n, мин-1
200
102
176
176
127
127
Pz , МПа
12,5
12,6
14,6
14,6
15,1
15,1
Pc , МПа
10,8
11,0
13,1
13,0
13,2
13,2
Pk , МПа
0,31
0,32
0,346
0,334
0,362
0,365
Pi , МПа
1,58
1,8
1,89
1,701
2,03
1,99
ε
12,85
12,5
12,29
12,43
12,07
11,92
Тc , К
877
901
853
872
961
895
n
Значения Pc могут быть рассчитаны по известной зависимости Pc = Paε . Вели-
чину давления в начале сжатия Pa рекомендуется выбирать в соответствии с конструкцией впускного коллектора двигателя. Если во впускном коллекторе имеются значительные
гидравлические потери, то Pa будет иметь меньшее значение, чем давление наддува Pk .
В случае наличия дозарядки (инерционного наддува) при большой длине впускного коллектора и высокой скорости движения воздушного столба давление в начале сжатия Pa
может превышать Pk . В судовых двухтактных малооборотных дизелях продувка происходит через окна втулки, нижний конец которой (с продувочными окнами) расположен
непосредственно во впускном коллекторе большого объема. Поэтому в двигателях данного класса инерционный наддув отсутствует, а гидравлические потери при проходе воздуха
через окна относительно невелики. Можно считать, что давление в начале сжатия равно
давлению наддувочного воздуха, регистрируемому во впускном коллекторе. Тогда при
расчете давления конца сжатия можно использовать формулу Pc = Pk ε . Однако, как поn
казывают результаты расчета (табл. 2), расчетные значения давления в конце сжатия Pc в
этом случае значительно отличаются от экспериментальных. Так, для двигателя 6ДКРН
50/200-14 расчетное значение Pc при рекомендуемом показателе политропы n = 1,37 составляет 10,98 МПа, а индицирование двигателя показывает, что Pc = 13,2 МПа. Таким
образом, при расчете ошибка составляет более 20 %, причем расчетное значение оказывается меньше реального. Аналогичная картина наблюдается и для всех других дизелей типа
ДКРН (табл. 2).
74
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2009. № 4 (24)
Влияние показателя политропы на давление конца сжатия
Параметры
Pк , МПа
ε
Таблица 2
6ДКРН 6ДКРН 6ДКРН
5ДКРН
6ДКРН
7ДКРН
35/105-10 60/229-12 42/136-11 42/136-11 50/200-14 50/200-15
ДБ-44
ДБ-46
ДБ-54
ДБ-60
ДБ-62
ДБ-70
0,31
12,85
0,32
12,5
0,346
12,29
0,334
12,43
0,362
12,07
0,365
11,92
10,2
10,1
10,75
10,54
10,98
10,88
10,8
1,058
11,0
1,089
13,1
1,218
13,0
1,233
13,2
1,202
13,2
1,213
Pс = Pk ε 1,37
(расчетное при
n = 1,37), МПа
Pс
(измеренное), МПа
m
Поэтому в расчетах давления конца сжатия приходится использовать поправочный
коэффициент m (табл. 2): Pc = mPk ε n . Значения этого коэффициента составляют
1,06…1,23, т.е. расчетные значения давления Pc без использования поправочного коэффициента m на 6…23% меньше действительных. Необходимость использования поправочного коэффициента трудно обосновать теоретически. Однако при расчете с полученной величиной n = 1,445 при степени сжатия ε = 12,07 и давлении наддува Pk = 0,362 МПа
значение давления в конце сжатия получается равным Pc = 13, 2 МПа, что полностью соответствует экспериментально измеряемой величине Pc . Для других двигателей это положение также справедливо: при задании показателя политропы в пределах n = 1,42…1,46
(больше показателя адиабаты) удается получить расчетные значения Pc , совпадающие с
измеряемыми на реальных двигателях при их стендовых испытаниях.
На частичных режимах работы по винтовой характеристике величина показателя
политропы сжатия еще больше возрастает и может достигать n = 1,5…1,54.
На величину показателя политропы сжатия влияет впрыск топлива. В высокооборотных двигателях впрыск топлива осуществляется с опережением и происходит не менее
чем за 10…15 градусов поворота коленчатого вала до ВМТ. После начала впрыска топлива в период задержки самовоспламенения (в процессе сжатия) имеют место затраты теплоты на его испарение, что понижает показатель политропы сжатия, и давление Pc повышается в меньшей степени (отвод теплоты). В малооборотных дизелях типа ДКРН впрыск
топлива начинается за 1…2 градуса поворота коленчатого вала до ВМТ, т.е. отвода теплоты на испарение топлива в процессе сжатия не происходит. Кроме того, высокооборотные
двигатели имеют обычно 2 – 3 компрессионных поршневых кольца, а на поршни малооборотных дизелей (МОД) устанавливают 4 компрессионных кольца (боковая сила поршня воспринимается крейцкопфным механизмом), что значительно уменьшает утечки рабочего тела и способствует увеличению давления конца сжатия. Температура рабочего
тела в конце сжатия Т c ( табл. 1) у МОД значительно ниже, чем у других дизелей, из-за
предельно низкой степени сжатия (ε = 11,5…12,5). С увеличением давления наддува возрастает массовое количество заряда, приходящееся на единицу площади поверхности сте75
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2009. № 4 (24)
нок камеры сгорания, относительный теплоотвод от рабочего тела снижается. Все эти
факторы приводят к подводу теплоты к рабочему телу в цилиндрах МОД и способствуют
увеличению показателя политропы сжатия.
Таким образом, с целью приближения результатов расчета процесса сжатия к экспериментальным данным показатель политропы сжатия n для малооборотных судовых
двигателей типа ДКРН со средним индикаторным давлением 2,0 МПа целесообразно принимать в диапазоне 1,44…1,46, что соответствует реальным значениям, получаемым при
обработке индикаторных диаграмм.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Двигатели внутреннего сгорания: Теория поршневых и комбинированных двигателей / Д.Н. Вырубов,
Н.А. Иващенко, В.И. Ивин [и др.]. – М.: Машиностроение, 1983. – 372 с.
2. Коптев, К.Н. Усовершенствованная методика традиционного расчета рабочего цикла дизеля / К.Н. Коптев
// Двигателестроение. – 1997. – № 4. – С. 21 – 24.
3. Вукалович, М.П. Техническая термодинамика / М.П.Вукалович, И.И.Новиков. – М.: Энергия, 1968. – 496
с.
4. Жуковский, В.С. Термодинамика / В.С. Жуковский. – М.: Энергоатомиздат, 1983. – 304 с.
Материал поступил в редколлегию 31.08.09.
76
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2009. № 4 (24)
УПРАВЛЕНИЕ, ВЫЧИСЛИТЕЛЬНАЯ ТЕХНИКА
И ИНФОРМАТИКА
УДК 004.81
А.Г. Подвесовский, Д.Г. Лагерев, Д.А. Коростелев
ПРИМЕНЕНИЕ НЕЧЕТКИХ КОГНИТИВНЫХ МОДЕЛЕЙ
ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ МНОЖЕСТВА АЛЬТЕРНАТИВ
В ЗАДАЧАХ ПРИНЯТИЯ РЕШЕНИЙ
Предложена методика генерации и отбора альтернатив в задачах принятия решений, основанная на построении нечеткой когнитивной карты управляемой системы и обработке результатов ее статического и динамического анализа. Рассмотрены архитектура и функциональные характеристики многопользовательской системы поддержки принятия решений, реализующей данную методику программно.
Ключевые слова: принятие решений, альтернатива, нечеткая когнитивная карта, система поддержки принятия решений.
В основе большинства методов принятия решений лежит процесс поиска и выбора
оптимального решения из фиксированного множества альтернатив для достижения четко
поставленной цели. При этом вопросы идентификации проблем, постановки целей и формирования множества вариантов их достижения зачастую остаются в стороне. Однако
в реальных управленческих ситуациях часто возникают задачи, суть которых состоит
не в том, чтобы сделать выбор между имеющимися альтернативами, а в том, чтобы проанализировать ситуацию с целью выявления проблем, определения причин их появления
и синтеза множества альтернативных решений, позволяющих привести ситуацию в желаемое состояние (или максимально к нему приблизиться).
Основная сложность, возникающая при построении моделей таких задач, связана
с тем, что аналитическое описание либо статистическое наблюдение зависимостей между
входными и выходными параметрами затруднено, а зачастую невозможно. Поэтому приходится прибегать к субъективным моделям, основанным на экспертной информации, обрабатываемой с привлечением логики здравого смысла, интуиции и эвристик. Многочисленные исследования процессов принятия решений подтверждают, что лицу, принимающему решение (ЛПР), несвойственно мыслить и принимать решения только в количественных характеристиках. Поиск решений для него – это прежде всего поиск замысла решения, и здесь количественные оценки играют вспомогательную роль [2].
Таким образом, подготовку и принятие управленческих решений следует рассматривать как сложный интеллектуальный процесс разрешения проблем, несводимый исключительно к рациональному выбору [1]. Для поддержки этого процесса необходимо применение моделей, в которых учитываются когнитивные возможности человека (восприятие,
представление, понимание, объяснение) при решении управленческих задач. Наибольший
интерес среди них представляют так называемые нечеткие когнитивные модели, в основе
которых лежит понятие нечеткой когнитивной карты [9].
В статье предлагается методика применения нечетких когнитивных карт для решения одной из важнейших задач, возникающих на начальных этапах подготовки и принятия
решений, – задачи формирования множества альтернатив, и описывается система поддержки принятия решений, в которой данная методика реализована программно.
Определение нечеткой когнитивной карты. Нечеткая когнитивная модель основана на формализации причинно-следственных связей между факторами (переменными,
параметрами), характеризующими исследуемую систему. Результатом формализации яв-
77
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2009. № 4 (24)
ляется представление системы в виде причинно-следственной сети, называемой нечеткой
когнитивной картой (НКК) и имеющей вид
G = < E, W >,
где E = {e 1 , e 2 , …, e n } – множество факторов (также называемых концептами); W – нечеткое причинно-следственное отношение на множестве E.
Элементы w ij ∈ W (i,j = 1, …, n) характеризуют направление и степень интенсивности влияния между концептами e i и e j :
w ij = w(e i , e j ),
где w – показатель интенсивности влияния (характеристическая функция отношения W),
принимающий значения на отрезке [– 1, 1]. При этом:
1) w ij = 0, если значение e i не зависит от e j (влияние отсутствует);
2) 0 < w ij ≤ 1 при положительном влиянии e i на e j (увеличение значения концептапричины e i приводит к увеличению значения концепта-следствия e j );
3) – 1 ≤ w ij < 0 при отрицательном влиянии e i на e j (увеличение значения e i приводит
к уменьшению значения e j ).
Построение НКК управляемой системы фактически означает снятие неопределенности с ее структуры путем формирования модели знаний ЛПР об этой системе.
К построенной карте применяются методы аналитической обработки, ориентированные на
исследование структуры системы и получение прогноза ее поведения при различных
управляющих воздействиях с целью нахождения оптимальных стратегий управления.
Особенности применения нечетких когнитивных карт для решения задачи
формирования множества альтернатив. Под альтернативой (альтернативным решением) будем понимать некоторую совокупность допустимых воздействий на управляемую
систему с целью ее приведения к желаемому состоянию. С учетом этого в НКК, описывающей систему, выделим следующие типы концептов:
– целевые, значения которых необходимо привести в требуемое состояние (или
максимально к нему приблизить);
– управляемые, значения которых поддаются непосредственному контролю со стороны ЛПР;
– промежуточные, значения которых не поддаются непосредственному контролю и
определяются только изменением значений концептов-причин;
– внешние, на значения которых возможно влияние со стороны внешних по отношению к системе факторов.
Состояние системы в текущий момент времени определяется набором значений
всех ее концептов. Целевое состояние задается вектором значений множества целевых
концептов.
Алгоритм формирования множества альтернатив с использованием НКК включает
следующие основные шаги:
1) определение целевого состояния системы;
2) построение НКК;
3) вычисление системных показателей НКК;
4) генерация базового множества альтернатив;
5) динамическое моделирование альтернатив с применением импульсного процесса;
6) отбор альтернатив на основе результатов динамического моделирования;
7) передача альтернатив ЛПР для дальнейшего анализа и обработки.
Построение нечеткой когнитивной карты. Процесс построения НКК начинается
с формирования экспертами списка концептов, наиболее значимых для рассматриваемой
задачи. Получаемая экспертная информация должна быть обработана с целью устранения
двусмысленностей и повторений, а также согласования используемой терминологии.
78
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2009. № 4 (24)
На следующем этапе эксперты должны задать элементы матрицы W – установить
причинно-следственные связи между концептами с указанием для каждой связи ее знака
(является она усиливающей или ослабляющей) и интенсивности. Чтобы уменьшить влияние субъективного фактора и повысить обоснованность получаемых оценок, используются специальные человеко-машинные процедуры, основной идеей которых является разбиение общей задачи оценки весов причинно-следственных связей на ряд более простых
подзадач. Для этого предлагается следующий подход. С каждым концептом связывается
два нечетких множества: множество концептов, влияющих на данный концепт,
и множество концептов, подверженных влиянию со стороны данного концепта. Оба множества имеют конечную область определения, а значения степеней принадлежности элементов соответствуют искомым весам причинно-следственных связей НКК. Для получения весов можно использовать следующие методы построения функций принадлежности
дискретных нечетких множеств [7]:
– метод парных сравнений, основанный на обработке экспертных суждений об относительном превосходстве степеней принадлежности различных элементов;
– метод множеств уровня, в основе которого лежит процедура идентификации
множеств уровня (α-срезов) искомого нечеткого множества.
Системные показатели нечеткой когнитивной карты. Для выполнения анализа
построенной НКК, помимо непосредственно заданных причинно-следственных связей,
необходимо учесть все имеющиеся в системе опосредованные взаимовлияния факторов
друг на друга. Это позволяет сделать операция транзитивного замыкания, преобразующая
исходную матрицу интенсивности взаимовлияний W в транзитивно замкнутую матрицу Z,
элементами которой являются пары ( z ij , z ij ), где z ij характеризует силу положительного
влияния, а z ij – силу отрицательного влияния i-го концепта на j-й. Алгоритм расчета нечеткого транзитивного замыкания подробно описан В.Б. Силовым [9]. На основе матрицы Z могут быть рассчитаны следующие системные показатели НКК:
• Воздействие i-го концепта на j-й (под воздействием понимается доминирующее
по силе влияние между концептами):
p ij = sign( z ij + z ij ) max( z ij , z ij ), z ij ≠ z ij .
• Влияние (воздействие) i-го концепта на систему:
Pi =
1 n
∑ pij .
n j =1
• Влияние (воздействие) системы на j-й концепт:
1 n
∑ pij .
n i =1
• Взаимное (совместное) положительное влияние:
Pj =
p ij = p ji = S ( z ij , z ji ) ,
где S – операция S-нормы [5] (как правило, используется максимум).
• Консонанс влияния i-го концепта на j-й (показатель консонанса выражает меру
доверия к знаку и силе воздействия: чем выше консонанс, тем убедительнее мнение):
zij + zij
.
cij =
zij + zij
• Консонанс влияния i-го концепта на систему:
79
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2009. № 4 (24)
Ci =
1 n
∑ cij .
n j =1
• Консонанс влияния системы на j-й концепт:
1 n
∑ cij .
n i =1
• Консонанс взаимного влияния i-го и j-го концептов:
Cj =
c ij = c ji =
( z ij + z ji ) + ( z ij + z ji )
z ij + z ji + z ij + z ji
.
Генерация базового множества альтернатив. Как отмечалось ранее, альтернатива
представляет собой вектор воздействий на управляемые концепты, так как только они
доступны прямому влиянию со стороны ЛПР. На остальные концепты, в том числе и на
целевые, ЛПР может влиять только опосредованно, через управляемые. Значение управляемого концепта можно увеличивать, уменьшать либо оставлять без изменений. Изменять значения каждого концепта допускается в пределах заданной для него шкалы.
Разделим множество управляемых концептов на два непересекающихся подмножества: подмножество способствующих концептов, значения которых необходимо увеличивать, и подмножество препятствующих концептов, значения которых необходимо уменьшать. Для определения того, какому подмножеству принадлежит тот или иной концепт,
воспользуемся системными показателями когнитивной карты.
Обозначим:
E C – множество управляемых концептов;
E T – множество целевых концептов;
с – пороговое значение консонанса (рекомендуется использовать с ≥ 0,5);
p – пороговое значение прямого влияния концептов (рекомендуется использовать p d ≥ 0,5);
p m – пороговое значение опосредованного влияния концептов (рекомендуется использовать p m ≥ 0,2).
Пусть e i – управляемый концепт (e i ∈ E C ). Его принадлежность тому или иному
подмножеству устанавливается на основе следующих правил.
Правило 1
ЕСЛИ для всех целевых концептов (∀ e j ∈ E T ) выполняется любое из условий:
1) (p ij ≥ p d ) ∧ (c ij ≥ c), т.е. e i оказывает положительное влияние на e j с силой,
не меньшей p d , и консонанс этого влияния не ниже с;
2) ( Pi ≥ p m ) ∧ ( Pj ≥ p m ) ∧ ( C i ≥ c) ∧ ( C j ≥ c), т.е. e i оказывает положительное влияние на систему, а система – положительное влияние на e j с силой, не меньшей p m , и консонанс этих влияний не ниже с;
3) ( Pi ≤ – p m ) ∧ ( Pj ≤ – p m ) ∧ ( C i ≥ c) ∧ ( C j ≥ c), т.е. e i оказывает отрицательное
влияние на систему, а система – отрицательное влияние на e i с силой, не меньшей p m ,
и консонанс этих влияний не ниже с;
4) ( p ij ≥ p d ) ∧ ( cij ≥ c), т.е. совместное положительное влияние концептов e i и e j
не меньше p и консонанс влияния не ниже с, –
И целевой концепт e j необходимо увеличить (уменьшить),
ТО концепт e i является способствующим (препятствующим).
Правило 2
ЕСЛИ для всех целевых концептов (∀ e j ∈ E T ) выполняется любое из условий:
80
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2009. № 4 (24)
1) (p ij ≤ – p d ) ∧ (c ij ≥ c), т.е. e i оказывает отрицательное влияние на e j с силой,
не меньшей p d , и консонанс этого влияния не ниже с;
2) ( Pi ≤ – p m ) ∧ ( Pj ≥ p m ) ∧ ( C i ≥ c) ∧ ( C j ≥ c), т.е. e i оказывает отрицательное
влияние на систему, а система – положительное влияние на e j с силой, не меньшей p m ,
и консонанс этих влияний не ниже с;
3) ( Pi ≥ p m ) ∧ ( Pj ≤ –p m ) ∧ ( C i ≥ c) ∧ ( C j ≥ c), т.е. e i оказывает положительное
влияние на систему, а система – отрицательное влияние на e i с силой, не меньшей p m ,
и консонанс этих влияний не ниже с;
4) ( nij ≥ p d ) ∧ ( cij ≥ c), т.е. совместное отрицательное влияние концептов e i и e j
не меньше p и консонанс влияния не ниже с, –
И целевой концепт e j необходимо увеличить (уменьшить),
ТО концепт e i является препятствующим (способствующим).
Если концепт принадлежит только подмножеству способствующих, то во всех генерируемых альтернативах его значение необходимо увеличивать. Если концепт принадлежит только подмножеству препятствующих, то во всех генерируемых альтернативах его
значение необходимо уменьшать. Если же концепт принадлежит обоим подмножествам,
то необходимо генерировать альтернативы, где его значение как уменьшается, так и увеличивается.
Далее на основе полного перебора всех возможных комбинаций управляющих воздействий на концепты множества E C генерируется базовое множество альтернатив Y,
из которого и будет осуществляться окончательный отбор.
Динамическое моделирование альтернатив на основе импульсного процесса.
Для получения прогноза развития ситуации при реализации различных альтернатив используется математический аппарат импульсных процессов, который позволяет прогнозировать значения концептов в дискретные моменты времени.
Модель импульсного процесса для знаковых когнитивных карт была предложена
в [8]. Для случая НКК предлагается следующая ее модификация:
K
vi (t + 1) = S (vi (t ), q i (t + 1) + oi (t + 1) + ∑ T ( wij , p j (t ))) ,
(1)
j =1
где v i (t) – значение концепта e i в момент времени t; v i (t + 1) – значение концепта e i в момент времени (t + 1); q i (t + 1) – внешнее воздействие на e i в момент времени (t + 1);
o i (t + 1) – управляющее воздействие на e i в момент (t + 1); w ij = w(e i , e j ) – интенсивность
влияния между концептами e i и e j ; p j (t) – изменение значения e j в момент времени t;
Т – операция Т-нормы [5] (используется произведение); S – операция S-нормы (используется S-норма Лукасевича).
В модели (1) параметр t отражает протекание импульсного процесса в НКК (такты
моделирования) и достаточно слабо соотносится с реальным временем в моделируемой
системе. Кроме того, в модели пренебрегается временными задержками при передаче воздействия между концептами и считается, что каждое воздействие происходит за единичное время. Для получения нового устойчивого состояния моделируемой системы целесообразно выполнять динамическое моделирование до значения t = 1,5N, где N – количество
концептов в когнитивной карте. Так как N – это максимальная длина пути в НКК, то
при t = 1,5N управляющие и внешние воздействия распространятся по всей карте.
Динамическое моделирование выполняется для каждой альтернативы y i ∈ Y, и его
результатом является набор конечных значений концептов V R .
Отбор альтернатив. Отбор сгенерированных на предыдущем этапе альтернатив
выполняется в соответствии с целью, заданной ЛПР. Как отмечалось ранее, целевое со81
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2009. № 4 (24)
стояние системы задается набором значений V T , которые должны получить целевые концепты в процессе динамического моделирования (или максимально к ним приблизиться).
Отбор альтернатив осуществляется путем выделения из базового множества Y подмножества недоминируемых альтернатив Y N ⊂ Y. Отношение доминирования основано
на расстоянии | v Ti – v Ri | от конечных значений концептов V R , полученных в результате
динамического моделирования по формуле (1), до целевых значений концептов V T , а также силе управляющих воздействий на концепты при реализации альтернатив.
Альтернатива y i доминирует альтернативу y j , если для всех целевых концептов
e k ⊂ E T одновременно выполняются неравенства (2) и (3):
| v Tk – v Rki | ≤ | v Tk – v Rkj |,
(2)
где v Tk – желаемое значение концепта e k ; v Rki , v Rkj – значения концепта e k , полученные
в результате реализации альтернатив y i и y j соответственно;
| y ki | ≤ | y kj |,
(3)
где y ki , y kj – управляющие воздействия на концепт e k при реализации альтернатив y i и y j
соответственно.
Выделенное множество недоминируемых альтернатив Y N ⊂ Y, а также фактическое
множество конечных значений целевых концептов V R передаются ЛПР для дальнейшего
анализа и выбора наиболее предпочтительной альтернативы.
Система поддержки принятия решений «ИГЛА». Предлагаемая методика генерации и отбора альтернатив была реализована программно в виде системы поддержки принятия решений (СППР), получившей название «ИГЛА» (интеллектуальный генератор
лучших альтернатив). Архитектура СППР «ИГЛА» представлена на рис. 1.
Рис. 1. Архитектура СППР «ИГЛА»
СППР состоит из следующих подсистем.
82
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2009. № 4 (24)
• База знаний (БЗ) предназначена для хранения нечетких когнитивных моделей, результатов их анализа и выданных на его основе рекомендаций.
• Подсистема управления БЗ реализует промежуточную обработку и преобразование информации при передаче ее между БЗ и другими подсистемами.
• Подсистема согласования отвечает за сбор экспертной информации, оценку ее согласованности и выдачу рекомендаций по согласованию.
• Подсистема статического моделирования выполняет расчет транзитивного замыкания и системных показателей НКК, построение α-срезов и генерацию базового множества альтернатив.
• Подсистема динамического моделирования осуществляет получение прогноза состояния системы при реализации каждой альтернативы и на основе результатов данного
прогноза выполняет отбор альтернатив для передачи ЛПР.
• Подсистема визуализации предоставляет интерфейс и обеспечивает интерактивное взаимодействие пользователя с остальными подсистемами.
Подсистемы визуализации и управления БЗ являются основными в архитектуре системы, поскольку именно они обеспечивают взаимосвязь всех категорий пользователей
и других подсистем.
СППР «ИГЛА» предусматривает взаимодействие со следующими категориями пользователей:
• Эксперты. Основная задача экспертов состоит в том, чтобы на основе знаний
о предметной области выделить основные факторы, влияющие на поведение моделируемой системы, а также установить связи между ними.
• Координатор. Поддержка групповой экспертной оценки приводит к необходимости согласования мнений экспертов. Координатор является организатором процесса согласования, контролирует его основные этапы и на основе получаемой модели предметной области, учитывающей мнения всех экспертов, принимает решение об окончании либо продолжении этого процесса.
• Аналитики. Вступают в работу с системой после окончания процесса согласования. Их основная задача заключается в выработке рекомендаций для ЛПР по результатам
генерации и отбора альтернатив на основе статического и динамического анализа НКК.
С целью повышения качества вырабатываемых рекомендаций система поддерживает работу нескольких экспертов и аналитиков.
• ЛПР. Является заключительным звеном в процессе решения задачи формирования множества альтернатив. Часто функции ЛПР и аналитика выполняет один и тот же
пользователь. Если же эти роли разделены, то непосредственно с системой ЛПР
не работает, а только формирует свои требования, которые учитываются аналитиками при
выработке рекомендаций.
СППР «ИГЛА» представляет собой оконное приложение, интерфейс которого включает дерево выбора функций и рабочую область (рис. 2). В процессе построения нечеткой
когнитивной модели, выбирая необходимые элементы НКК из дерева закладок, пользователь получает доступ к функциям их просмотра и редактирования, при этом имеется возможность одновременной работы с несколькими элементами модели. Все закладки логически сгруппированы по функциональным свойствам.
При работе со списком концептов аналитик имеет возможность настраивать шкалы
значений концептов с помощью соответствующего диалогового окна. Процедура генерации альтернатив запускается при выборе в меню «Моделирование» пункта «Сгенерировать альтернативы». Аналитик также может создавать собственные альтернативы или
вносить изменения в сгенерированные, например добавлять различные внешние воздействия. Для визуального восприятия и сравнения сгенерированных альтернатив результаты
моделирования представляются отдельно для каждого концепта в виде графика, при этом
ось абсцисс отражает управленческие такты, а ось ординат – относительное изменение со83
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2009. № 4 (24)
стояния выбранного концепта. Оценка результатов моделирования для каждого из целевых концептов позволяет исключить заведомо неудачные сценарии, а удачные представить ЛПР для дальнейшего анализа и оценки.
Рис. 2. Интерфейс системы «ИГЛА» в режиме сравнения альтернатив
Предложенная методика формирования множества альтернатив в задачах подготовки и принятия решений по управлению слабоструктурированными системами и разработанная СППР «ИГЛА» были использованы при решении ряда практических задач, в том
числе при анализе и разработке стратегий управления инновационной деятельностью
производственного предприятия [3], разработке и обосновании решений по управлению
качеством образования [6]. Система «ИГЛА» зарегистрирована в ОФАП под номером
50200701348 [4].
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
Авдеева, З.К. Когнитивное моделирование для решения задач управления слабоструктурированными
системами (ситуациями) / З.К. Авдеева, С.В. Коврига, Д.И. Макаренко // Управление большими системами. – М.: ИПУ РАН, 2007. – Вып. 16. – С. 26-39.
Диев, В.С. Нечеткость в принятии решений / В.С. Диев // Философия науки. – 1998. – № 1. – С. 45-52.
Ерохин, Д.В. Моделирование инновационного механизма предприятия с применением нечетких когнитивных карт / Д.В. Ерохин, Д.Г. Лагерев, Е.А. Ларичева, А.Г. Подвесовский // Менеджмент в России и
за рубежом. – 2006. – № 3. – С. 95-111.
Коростелев, Д.А. Система поддержки принятия решений «ИГЛА» / Д.А. Коростелев, Д.Г. Лагерев,
А.Г. Подвесовский. – М.: ВНТИЦ, 2007. – № 50200701348.
Круглов, В.В. Нечеткая логика и искусственные нейронные сети / В.В. Круглов, М.И. Дли, Р.Ю. Голунов. – М.: Физматлит, 2001. – 224 с.
Лагерев, Д.Г. Менеджмент качества инновационной деятельности вуза / Д.Г. Лагерев, Н.Ю. Чистоклетов
// Менеджмент качества в образовании: тез. докл. Всерос. науч.-практ. конф. – СПб.: ЛЭТИ, 2008. – С.
211-213.
Лагерев, Д.Г. Особенности построения нечетких когнитивных карт для моделирования социальноэкономических систем / Д.Г. Лагерев, А.Г. Подвесовский // Экономические проблемы становления рыночных отношений в Российской Федерации: сб. ст. II Междунар. науч.-практ. конф. – Брянск: БГТУ,
2007. – С. 185-189.
Робертс, Ф.С. Дискретные математические модели с приложениями к социальным, биологическим и
экологическим задачам: [пер. с англ.] / Ф.С. Робертс. – М.: Наука, 1986. – 496 с.
Силов, В.Б. Принятие стратегических решений в нечеткой обстановке / В.Б. Силов. – М.: ИНПРО-РЕС,
1995. – 228 с.
Материал поступил в редколлегию 2.11.09.
84
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2009. № 4 (24)
УДК 322.146.2
Ф.Ю.Лозбинев, Н.М.Рощина, Е.В.Осмаковская
СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ИНФОРМАЦИОННЫХ
ТЕХНОЛОГИЙ В ОРГАНАХ ВЛАСТИ БРЯНСКОЙ ОБЛАСТИ
Приведены результаты реализации областной целевой программы информатизации в 2008 году: системный
проект мультисервисной сети и её начальный кластер, управление сетью и система видеоконференцсвязи.
Представлены реализованные компоненты программного обеспечения «электронного правительства». Рассмотрены перспективы развития телекоммуникационной инфраструктуры.
Ключевые слова: информатизация, телекоммуникационная сеть, радиодоступ, видеоконференцсвязь, «электронное правительство», программное обеспечение, информационная безопасность.
Целевая программа информатизации органов государственного и муниципального
управления Брянской области утверждена постановлением областной администрации от
27 июля 2007 года.
В начале 2008 года Координационным советом по информатизации при администрации Брянской области были рассмотрены несколько вариантов технологических схем организации единой телекоммуникационной сети органов власти: на основе волоконнооптических сетей, систем спутниковой связи, сотовой связи и систем наземного радиодоступа. Принято решение остановить выбор на технологии беспроводного наземного радиодоступа.
В июне 2008 года проведен открытый конкурс на разработку системного проекта такой сети. Конкурс выиграла московская компания «Интеллект Телеком». В октябре 2008
года системный проект был рассмотрен Координационным советом по информатизации и
получил одобрение.
В системном проекте проработаны научно обоснованные варианты создания мультисервисной корпоративной сети органов власти на территории Брянской области. Проанализированы особенности региона для вариантов размещения сетевого оборудования и
организации эффективных инженерно-технических решений, обеспечивающих необходимый уровень качества предоставляемых инфокоммуникационных услуг с учётом прогноза
их роста. Сформулированы условия взаимодействия мультисервисной корпоративной сети с Единой системой электросвязи России. Показан спектр услуг, которые может предоставить мультисервисная корпоративная сеть, и приведены показатели качества этих услуг
в соответствии с рекомендациями стандартов. Проработаны вопросы организации услуг
(телефонная связь, видеоконференции, доступ в Интернет, организация VPN для корпоративной сети). Оценены возможные сроки и этапы строительства сети, а также категории
обслуживаемых абонентов.
Предложены технические решения по пусковому комплексу сети на основе подключения к администрации области двух районных центров, определена потребность в основном оборудовании и стоимость строительства.
Достаточно подробно проработаны следующие аспекты:
- типы узлов связи, величина их монтированной ёмкости и технологии функционирования;
- технические возможности радиоэлектронных средств;
- технические возможности линий передач с указанием их монтированной ёмкости и
используемых технологий;
- перечень линий связи, организованных с использованием услуг других операторов,
с указанием монтированной ёмкости этих линий связи, используемых технологий, значе85
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ний показателей функционирования и надежности;
- расчет для целей регистрации сети величины монтированной ёмкости;
- системы электроснабжения, управления, синхронизации и сигнализации.
Предложены меры по обеспечению защиты сети от несанкционированного доступа к
ней и передаваемой посредством этой сети информации.
Рассчитаны значения показателей надежности и показателей функционирования,
подтверждающие выполнение требований по организационно-техническому обеспечению
устойчивого функционирования сети связи общего пользования.
Системный проект прошел экспертизу в Институте проблем передачи информации
Российской академии наук (ИППИ РАН).
В декабре 2008 года был реализован пусковой комплекс сети на основе технологии
preWiMAX в виде центрального узла связи в г. Брянске, двух районных узлов связи в п.
Выгоничи, г. Жуковке и узла ретрансляции в г.Сельцо (рис. 1).
2
3
1
2
Рис. 1. Структурная схема организации пускового комплекса мультисервисной корпоративной сети:
1 – центральный узел связи; 2 – оконечный узел связи; 3 – транзитный узел связи
При построении пускового комплекса сети использовано оборудование отечественной разработки и отечественного производства. Разработчик — ИППИ РАН, оборудование выпускает научно-производственное объединение «Рапира» (г. Москва).
Монтаж оборудования пускового комплекса осуществлен специалистами ООО
«Компьютерные технологии» (г. Брянск) при участии НПО «Рапира» на вышках Брянского областного радиотелепередающего центра и вышках ОАО «МТС».
В процессе апробации пускового комплекса подтверждены заявленные технические
характеристики используемых радиомаршрутизаторов (R2-AP1-F5060-PTP-PA600 и R2AP1-F5060-PTP-PA600-T): канальная скорость передачи данных на участках прямой видимости протяженностью до 40 км составляет 54 Мбит/с; ширина полосы - 20 МГц; рабо86
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
та радиомаршрутизаторов осуществляется на частоте 5,8 ГГц.
В 2009 году строительство корпоративной мультисервисной сети органов государственного и муниципального управления будет продолжено во всех районных центрах
Брянской области.
Одновременно с построением пускового комплекса сети Брянское представительство НПО «Индукция», победившее в открытом аукционе, осуществило поставку оборудования и монтаж студий видеоконференцсвязи в областной администрации и двадцати девяти администрациях районов и городов области.
С использованием установленного телекоммуникационного оборудования и системы
видеоконференцсвязи в марте-апреле 2009 года проведены пробные видеоконференции с
администрациями Выгоничского и Жуковского районов.
Аналогичное оборудование для студий телемедицинских центров смонтировано и
подготовлено к работе в ГУЗ «Областная больница № 1» и МУЗ «Клинцовская центральная городская больница».
В системном проекте мультисервисной корпоративной сети предложено её дальнейшее организационно-хозяйственное устройство в форме управляющей компании, что
соответствует современным подходам в интересах организаций с различными формами
собственности, а также развитию реального сектора экономики.
К предмету деятельности управляющей компании относятся следующие задачи:
1. Обеспечение на основе использования технологий наземного радиодоступа (WiFi, WiMax и др.) органов муниципального управления Брянской области и населения следующими информационными услугами:
- видеоконференцсвязью с администрацией области и между собой;
- высокоскоростным доступом в Интернет;
- единой системой электронного документооборота;
- цифровой телефонией, прежде всего в труднодоступных местах;
- возможностью обращения к региональным информационным ресурсам;
- возможностью использования элементов «электронного правительства».
2. Внедрение на основе использования возможностей Глобальной навигационной
спутниковой системы (ГЛОНАСС) и геопорталов перспективных геоинформационных
услуг в интересах инновационного развития:
- транспортно-логистического комплекса, включая мониторинг и управление транспортными перевозками на основе стандартизации и сертификации телематических платформ;
- агропромышленного, лесопромышленного и градостроительного комплексов;
- природопользования;
- дорожного и жилищно-коммунального хозяйства;
- систем общественной безопасности и др.
3. Информационно-технологическая поддержка лечебно-профилактических учреждений муниципальных образований Брянской области услугами телемедицины.
4. Реализация задач телекоммуникационного обеспечения программ дистанционного
обучения и консалтинга.
5. Оказание услуг в области компьютерных технологий и электронных коммуникаций и др.
Согласно Концепции региональной информатизации до 2010 года, одним из основных направлений государственной политики является создание в регионе комплекса государственных и муниципальных информационных систем, обеспечивающих поддержку
деятельности органов власти и объединенных на основе общей информационнотехнологической инфраструктуры.
В данном направлении реализованы следующие мероприятия.
87
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Мониторинг социально-экономического развития и макроэкономическое прогнозирование. Разработана и апробирована информационно-аналитическая система,
предназначенная для решения следующих задач:
- оперативное отслеживание состояния основных показателей и индикаторов социально-экономического развития области;
- формирование сводных и комплексных оценок уровня социально-экономического
развития и качества жизни населения;
- выявление и статистическая оценка степени взаимной зависимости показателей
(факторный анализ), оценка чувствительности анализируемого показателя к изменению
факторов, влияющих на его значение;
- многовариантное краткосрочное и среднесрочное прогнозирование основных социально-экономических показателей развития региона с учетом изменения влияющих факторов внешней среды.
Фрагмент работы системы (варианты прогноза) представлен на рис. 2.
Рис. 2. Варианты прогноза в информационно-аналитической системе
Прогнозные значения показателей рассчитываются на основе экстраполяции. Используются 12 различных математических моделей, включая алгоритм, основанный на
правиле цепных индексов и рекомендуемый Минэкономразвития РФ.
Как свидетельствуют проведенные численные эксперименты, модель, являющаяся
лучшей при прогнозировании для одного показателя, для другого может и не оказаться
лучшей. Поэтому всегда целесообразно рассматривать несколько моделей в рамках принципа ретроспективной имитации с самообучением алгоритмов.
В программном обеспечении предусмотрена возможность настройки глубины предшествующего периода (глубины ряда) по желанию пользователя. Результаты прогнозных
расчетов отображаются в табличном и графическом виде. Предусмотрена возможность
88
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
экспорта результатов в Microsoft Excel по различным формам, в том числе в соответствии
с требованиями Минэкономразвития РФ.
Информатизация рынка товаров и услуг. Разработано и проходит опытную эксплуатацию специализированное программное обеспечение территориально распределенной информационно-поисковой системы (ИПС), имеющей возможность подключения к
ней любых юридических и физических лиц. Абонентами системы будут являться 38 администраций городов и районов Брянской области.
Фрагмент работы системы представлен на рис. 3.
Рис. 3. Фрагмент работы ИПС «Рынок товаров и услуг»
Система «Рынок товаров и услуг» предназначена для решения следующих задач:
- сбор, обработка, анализ и отображение сведений о спросе и предложении товаров и
услуг;
- формирование и подготовка к изданию (распечатка) областного реестра товаров и
услуг в разрезе районов и хозяйствующих субъектов;
- ведение телефонного справочника.
Предусмотрены процедуры архивирования данных, а также телекоммуникационный
обмен информацией. Юридические и физические лица могут быть связаны с базой данных
через администрацию района (города) или напрямую. Каждый субъект системы имеет
возможность просмотра любой информации, а изменения — только своей. Загружать и
выгружать данные может только администратор субъекта системы или уполномоченное
им лицо. Отчеты формируются из всей информации, введенной в систему. Вывод осуществляется на основании запросов. Вид выводных форм определяется шаблоном.
В системе используется Общероссийский классификатор продукции (ОКП).
Поддержка семьи, материнства, детства и демографии. Разработано специализированное программное обеспечение для территориальных подразделений по вопросам се89
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
мьи, охраны материнства и детства, демографии, включающее два модуля:
- информационно-аналитическую систему (ИАС) «Социальный паспорт региона по
вопросам семьи, охраны материнства и детства, демографии» (рис. 4);
- информационно-аналитическую систему учета сведений о выявлении и устройстве
детей и подростков, оставшихся без попечения родителей, «Попечительство» (рис. 5).
Рис. 4. Фрагмент работы ИАС «Социальный паспорт региона»
ИАС предназначены для решения следующих задач:
- обеспечение органов государственной власти необходимой информацией для выработки и реализации эффективной семейной политики на территории Брянской области;
- учет статистической информации, характеризующей состав, структуру и социальное положение семей в рамках района (города) и всей области;
- формирование единого информационного пространства для обработки и передачи
информации о семьях, женщинах, детях в районах и городах области;
- повышение эффективности управления приоритетными направлениями семейной
политики, повышение качества оказываемых населению услуг, связанных с улучшением
положения женщин, семьи, охраной материнства и детства;
- обеспечение контроля за оказанием своевременной социальной помощи населению
в данном направлении, как следствие – повышение качества обслуживания населения в
сфере социальной защиты;
- создание комплексной системы управления семейной политикой путем активной
подготовки эффективных программ и мероприятий социальной защиты населения и обеспечения контроля реализации приоритетных направлений на уровне муниципальных образований области;
- создание единого информационного пространства с использованием распределенной компьютерной сети в разрезе муниципальных образований, позволяющего аккумули90
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ровать и анализировать накопленную информацию.
Рис. 5. Фрагмент работы ИАС «Попечительство»
Предусмотрена поддержка следующих управленческих функций.
Учетные функции: учет демографических показателей, характеристик различных категорий семей (состав, структура), а также показателей, отражающих работу учреждений
и ведомств в данном направлении.
Аналитические функции: формирование сводных отчетов по всем реестрам, формирование справок по различным характеристикам социального паспорта муниципального
образования и региона в целом.
Разработчик информационно-аналитических систем («Мониторинг и прогнозирование», «Рынок товаров и услуг», «Социальный паспорт», «Попечительство») — ООО «Научно-технический центр «Апекс» (г. Брянск).
Мониторинг информационных и программных ресурсов органов власти. Успешное создание эффективного «электронного правительства» в органах власти региона
зависит от наличия и развития информационного и программного обеспечения. Для проведения оперативного анализа разработан и внедрен специализированный программный
комплекс «Информационные и программные ресурсы органов исполнительной власти».
Комплекс разработан на основе СУБД Microsoft Access 2003, VBA и текстового редактора Microsoft Word 2003. Исходная база данных может конвертироваться в ранние
версии СУБД. Внедренные в комплекс реляционные модели данных делят информацию
на дискретные группы, привязанные друг к другу. Сформированные межтабличные отношения в базе данных позволяют создавать формы и запросы, которые связывают и показывают информацию из разных групп, причем в конечном итоге информация собирается
воедино по классовым и функциональным признакам. В комплексе используется структурированный язык запросов Structured Query Language (SQL) и язык Visual Basic for
Application (VBA).
91
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Программный комплекс передан в органы государственной власти и местного самоуправления (всего — в 70 органов власти, в том числе в администрацию Брянской области). На его основе сформирован единый региональный реестр автоматизированных информационных систем и технологий. Разработка создает основу для автоматизации процесса эффективного управления информационными и программными ресурсами региона.
Проект комплексной системы информационной безопасности и защиты информации. Решение всех перечисленных задач должно быть неразрывно связано с обеспечением информационной безопасности.
Брянским государственным техническим университетом проведен аудит и разработан проект комплексной системы информационной безопасности и защиты информации в
органах государственного и муниципального управления Брянской области.
В проекте приведена классификация защищаемой информации и объектов защиты в
органах власти, проанализированы источники и виды угроз информационной безопасности, дана характеристика правовой основы разработки комплексной системы информационной безопасности и защиты информации, показана процедура проведения аудита.
В рамках проекта разработана автоматизированная система для анализа результатов
проведения аудита, на основе которой оценен уровень информационной безопасности органов государственного и муниципального управления Брянской области. Разработаны
основные направления и план программных мероприятий комплексной системы информационной безопасности и защиты информации.
Помимо перечисленных мероприятий выполнена следующая работа.
В здании администрации области создана единая технологическая площадка информационных ресурсов органов государственной власти и местного самоуправления. Установлено современное серверное оборудование.
Организован пункт доступа населения к региональным информационным ресурсам
на базе многофункционального центра Унечского района (установлены два инфокиоска).
Организованы пункты доступа населения к Интернету в Брянской областной научной библиотеке им. Ф.И.Тютчева, а также в муниципальных библиотеках Унечского,
Брянского, Трубчевского районов, в библиотеках городов Клинцы и Новозыбков.
Разработан и передан во все органы государственной власти и местного самоуправления типовой интернет-сайт.
Приобретены и переданы в комитет и территориальные подразделения по вопросам
семьи, охраны материнства и детства, демографии 44 комплекта компьютерного оборудования.
Осуществлено повышение квалификации 52 государственных служащих по программе «Информационные технологии в управлении» и профессиональная переподготовка 25 государственных служащих по профилю «Информационные технологии в государственном управлении».
Определены перспективы развития телекоммуникационной инфраструктуры органов
власти Брянской области в рамках построения «электронного правительства» (рис. 6).
Целевые индикаторы: экономия финансовых ресурсов, пополнение доходной части
бюджета области, повышение качества медицинского обслуживания населения, повышение качества школьного образования, повышение образовательного уровня населения, забота о малоимущих, безработных и детях-сиротах, повышение открытости деятельности
органов государственной власти и местного самоуправления, расширение спектра государственных и муниципальных услуг населению, содействие ускорению проведения административной реформы в регионе.
Ключевые позиции: построение на территории области магистральной телекоммуникационной сети, запуск в эксплуатацию и развитие областного центра обработки данных, организация системы видеоконференцсвязи губернатора с главами всех райгорадми92
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
нистраций, организация управляющей компании для эксплуатации, технического обслуживания и дальнейшего развития телекоммуникационной сети.
Рис. 6. Схема перспективного развития телекоммуникационной инфраструктуры
Основные мероприятия: организация корпоративной IP-телефонии во всех органах
власти (позволит существенно сократить расходы на телефонную связь); подключение к
областному серверу инфокиосков в многофункциональных центрах; создание системы телемедицинских центров; подключение к сети школ области (позволит обеспечить соединение с Интернетом и существенно сократить расходы областного бюджета); подключение к сети библиотек, территориальных служб по вопросам семьи, опеки и попечительства, служб социальной защиты населения и служб занятости (позволит обеспечить заботу о
малоимущих, безработных и детях-сиротах при одновременной экономии бюджетных
средств); подключение к сети хозяйствующих субъектов и других абонентов (будет способствовать расширению налогооблагаемой базы и пополнению доходной части бюджета).
Точки входа: погашение кредиторской задолженности, оборудование центра обработки данных, организация управляющей компании, привлечение инвестиций.
На основе анализа направлений деятельности и специализаций оценена необходимая
численность трудовых ресурсов. Обозначены следующие направления (специализации):
центр обработки данных, телекоммуникации, видеоконференцсвязь, система электронного
документооборота, телемедицинские центры, Интернет в школах, программное обеспече93
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ние «электронного правительства», региональные информационные ресурсы (МФЦ, интернет-сайты и др.), информационная безопасность и защита информации, традиционная
телефония и IP-телефония.
Проведен SWOT-анализ стратегии развития телекоммуникационной инфраструктуры органов власти Брянской области в рамках построения «электронного правительства».
Показаны сильные и слабые стороны, возможности и угрозы.
Сильные стороны: поддержка руководства области, разработаны системные проекты
телекоммуникационной сети и комплексной системы информационной безопасности, создан начальный кластер сети, приобретено всё необходимое телекоммуникационное оборудование, во всех райцентрах оборудованы студии видеоконференцсвязи, положительные результаты экспериментов («точка-точка», «точка - много точек», комплексирование
с системой селекторной связи), достаточное количество на территории области вышек
операторов сотовой связи, готовность Брянского ОРТПЦ и Брянского филиала ОАО
«МТС» к сотрудничеству, наличие в г. Брянске квалифицированных специалистов и организаций, наличие научного сопровождения (ИППИ РАН, БГТУ, БФ ОРАГС, комитет по
науке администрации области), поддержка Координационного совета по информатизации
ассоциации «Центрально-Черноземная» и коллег-специалистов из других регионов, высокая скорость передачи данных в сети (до 54 Мбит/с), наличие диапазона свободных радиочастот на территории Брянской области (5,8 ГГц), отечественный разработчик технологии передачи данных (ИППИ РАН) и отечественный производитель телекоммуникационного оборудования (НПО «Рапира», г. Москва), наличие утвержденной областной целевой программы и финансирования из областного бюджета, наличие действующего соглашения о сотрудничестве между администрацией области и АФК «Система» (потенциальный инвестор).
Слабые стороны: отсутствие в администрации области специализированного органа
для координации работ по ИКТ, низкая квалификация специалистов в органах местного
самоуправления, полное отсутствие ИКТ-специалистов в ряде органов местного самоуправления, недостаточное финансирование областной целевой программы, кредиторская
задолженность по 2008 году, отсутствие софинансирования из федерального бюджета, отсутствие управляющей компании, не организовано техническое обслуживание телекоммуникационной сети.
Возможности: завершение построения магистральной сети в 2009 году, создание
управляющей компании, получение радиочастот, включение в сеть администраций городов и районов области и организация системы регулярной видеоконференцсвязи в 2009
году, включение в сеть объектов социальной сферы, хозяйствующих субъектов и других
абонентов, организация технического обслуживания сети, экономия бюджетных средств,
пополнение доходной части бюджета, развитие сети на основе комбинированных технологических схем (WiMAX, ВОЛС, РРС и т.п.), развитие конкурентной среды в сфере региональных телекоммуникаций и связи, снижение тарифов на связь и телекоммуникационные услуги в регионе.
Угрозы: задержка погашения кредиторской задолженности, задержка получения
разрешения на радиочастоты в ГРЧЦ РФ, возможность «вклинивания» в мероприятия областной целевой программы недобросовестных поставщиков.
Таким образом, представленные результаты свидетельствуют о положительной динамике развития информационных технологий в органах государственного и муниципального управления Брянской области. Данный вывод также подтверждается тем фактом, что по индексу готовности к информационному обществу регион в 2006 году занимал
75 место среди субъектов Российской Федерации, а по результатам 2008 года переместился на 63 место.
Материал поступил в редколлегию 14.04.09.
94
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2009. № 4 (24)
УДК 621.9
Д.И. Петрешин
СТРУКТУРА ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ САМООБУЧАЮЩЕЙСЯ
АДАПТИВНОЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ
Рассмотрена самообучающаяся адаптивная технологическая система обеспечения заданного качества поверхностного слоя деталей машин при механической обработке и структура программного обеспечения системы. Приведена структура взаимодействия базового программного обеспечения и программного обеспечения аппаратной части системы. Описаны программные модули базового программного обеспечения и назначение программного обеспечения аппаратной части системы.
Ключевые слова: самообучающаяся адаптивная технологическая система, программное обеспечение, математическая модель, качество поверхности.
Самообучающаяся адаптивная технологическая система (САТС) предназначена для
обеспечения заданных параметров качества обработанной поверхности при механической
обработке. Работа САТС заключается в получении математической модели, связывающей
параметры качества поверхности с условиями обработки, и использовании полученной
модели для адаптивного управления технологической системой по заданному параметру
качества. Исходя из этого система должна иметь в своем составе вычислительное устройство, двунаправленный канал связи с технологической системой, датчики для контроля
выходных параметров процесса резания, а также алгоритмическое и программное обеспечение. Структурная схема САТС имеет вид, представленный на рис. 1. САТС разрабатывается на базе токарного станка мод. 16Б16 Ф3 с УЧПУ NC200.
Рис. 1. Структурная схема САТС
В состав системы входят следующие основные элементы: технологическая система
(ТС); датчик, измеряющий тангенциальную составляющую силы резания (Д Pz), датчик,
измеряющий текущую температуру в зоне резания (Д Т) и датчик optoNCDT 1700-2, измеряющий параметр шероховатости Ra (Д Ra); контроллер сопряжения (КС) датчиков Д Pz и
Д Т с ПЭВМ и ПЭВМ с УЧПУ; устройство числового программного управления (УЧПУ)
типа NC200 (класс PCNC); ПЭВМ, исполняющая роль управляющей системы и содержащая алгоритм работы, реализованный в виде ПО САТС. При создании автоматизированных систем управления технологическим оборудованием на базе ПЭВМ и УЧПУ класса
95
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2009. № 4 (24)
PCNC особое внимание уделяется алгоритмическому и программному обеспечению (ПО)
системы. Поэтому алгоритм работы и ПО следует рассматривать как неотъемлемые части
всей системы.
Программное обеспечение, реализующее алгоритм работы САТС, условно разделено
на две взаимозависимые части. Первая часть - это базовое ПО, которое обеспечивает самообучение и адаптивное управление технологической системой по параметрам качества
поверхностного слоя. Вторая часть - ПО аппаратной части САТС, реализованное в микроконтроллере (МК) на языке Assembler.
Базовое ПО реализовано в ПЭВМ на языке C++ в среде программирования C++
Builder. Структура базового ПО с входящими в него программными модулями представлена на рис. 2.
Главная форма базового программного обеспечения
Режим
работы
Ввод
Настройка
Просмотр
Параметры
инструмента
Порт КС
Исходные
данные
Обучение
Параметры
заготовки
Порт
optoNCDT1700-2
База данных
САТС
Работа
Обеспечиваемые
параметры
Диагностика
Рис. 2. Структура базового программного обеспечения
Базовое ПО строится по модульному принципу. Оно состоит из отдельных программных модулей и соответствующих им форм. Каждый программный модуль выполняет свою определенную функцию. Все модули базового ПО объединены в один проект.
Вызов программных модулей осуществляется с главной формы (рис. 3), которая отображается после запуска базового ПО.
Меню «Ввод» позволяет получить
доступ к подменю «Параметры инструмента», «Параметры заготовки» и «Обеспечиваемые параметры». Доступ к меню
«Ввод» открыт всегда.
Программный модуль подменю
«Параметры инструмента» позволяет
ввести геометрию инструмента (передРис. 3. Окно главной формы базового ПО
ний и задний углы, главный и вспомогательный углы в плане, радиус при вершине инструмента и радиус скругления режущей
кромки) и материал режущей части инструмента. В случае отсутствия материала режущей
части в базе данных (БД) системы имеется возможность ее пополнения.
Программный модуль подменю «Параметры заготовки» позволяет ввести материал,
длину, диаметр и твердость обрабатываемой заготовки. В случае отсутствия материала
обрабатываемой заготовки в БД имеется возможность его ввода в БД.
96
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2009. № 4 (24)
Программный модуль подменю «Обеспечиваемые параметры» позволяет ввести параметры качества поверхностного слоя (параметр шероховатости Ra, остаточные напряжения, поверхностная микротвердость, комплексный параметр Cx), которые необходимо
обеспечить во время механической обработки заготовки. После ввода параметров инструмента, заготовки и обеспечиваемых параметров устанавливаются соответствующие флаги,
свидетельствующие о том, что данные введены.
После ввода всех данных автоматически осуществляется обращение к БД с целью
определения наличия в ней параметров математической модели для введенных данных.
При этом в статусной строке появляется сообщение «Данные введены». Если для введенных данных параметров математической модели нет, то выводится соответствующее сообщение и предлагается перейти в режим «Обучение», иначе предлагается перейти в режим «Работа».
Меню «Настройка» позволяет настроить порты подключения КС и optoNCDT 1700-2
(для этого имеются подменю «Порт КС» и «Порт optoNCDT 1700-2»). При работе САТС
необходимо обеспечить получение информации от датчиков температуры, силы резания
Pz и optoNCDT 1700-2, которые подключаются к разным портам ПЭВМ. Кроме того, необходимо передавать управляющее воздействие от ПЭВМ к УЧПУ. Поэтому в системе
организовано многопоточное обслуживание портов по приему и передаче управляющей
информации: создаются два потока (чтение и запись) для порта КС и два потока (чтение и
запись) для порта optoNCDT 1700-2. В результате получаем четыре независимых канала
обмена информацией, работающих в асинхронном режиме. Доступ к меню «Настройка»
открыт всегда.
Меню «Просмотр» позволяет получить доступ к подменю «Исходные данные» и
«База данных САТС» соответственно для просмотра введенных данных и базы данных
САТС. Доступ к меню «Просмотр» открыт всегда.
Меню «Режим работы» позволяет выбрать один из трех режимов работы системы:
«Обучение», «Работа» или «Диагностика». Доступ к меню «Режим работы» разрешен в
следующих случаях:
1. Если были введены параметры инструмента, заготовки и обеспечиваемые параметры и настроены порты КС и (или) optoNCDT 1700-2. В зависимости от того, имеются
ли данные в БД или нет, может быть разрешен доступ либо к режиму «Обучение», если
данных в БД нет, либо к режиму «Работа», если данные в БД есть. В этом случае открыт
также доступ и к режиму «Диагностика».
2. Если были настроены только порты КС и (или) optoNCDT 1700-2, то разрешен
доступ только к режиму «Диагностика».
Режим «Обучение» предназначен для обучения технологической системы одному из
параметров качества поверхностного слоя: параметру шероховатости Ra, поверхностным
остаточным напряжениям, поверхностной микротвердости и комплексному параметру качества поверхностного слоя Cx. На форме режима «Обучение» располагается многостраничная панель с тремя страницами: «Условия обучения», «Наблюдение режима» и «Математическая модель».
Страница «Условия обучения» обеспечивает просмотр и ввод начальных условий
обучения системы. Также имеется возможность автоматического составления управляющей программы (УП) для УЧПУ станка для обучения системы. Полученный файл с УП
может быть записан в УЧПУ, но уже при непосредственном участии оператора.
Страница «Наблюдение режима» позволяет вести наблюдение за текущими значениями силы резания Pz, температуры в зоне резания Т и параметра шероховатости Ra во
время обучения.
Страница «Математическая модель» позволяет просмотреть параметры математической модели и статистическую информацию (однородность дисперсий, значимость коэф97
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2009. № 4 (24)
фициентов математической модели, значимость математической модели, адекватность математической модели, значение множественного коэффициента детерминации) о ней.
В зависимости от того, какому параметру обучается система, могут быть получены
следующие модели. При обучении системы параметру шероховатости Ra (мкм) получается математическая модель вида
Ra = C0 S xV y ,
(1)
где С 0 , x, y – коэффициенты модели; S – величина продольной подачи, мм/об; V – скорость резания, м/мин.
При обучении системы физико-механическому параметру (ФМП) качества поверхностного слоя (остаточным напряжениям в поверхностном слое или поверхностной микротвердости) необходимо иметь две модели. Одна модель - для расчета ФМП, так как он
определяется косвенным методом на основании измеренных во время обработки силы резания Pz и температуры Т в зоне резания. Она имеет вид
(2)
FMP = Cf Pz xf T yf ,
где FMP – физико-механический параметр качества поверхностного слоя; Cf, xf, yf – коэффициенты модели; Pz – главная составляющая силы резания, Н; Т – температура в зоне
резания, оС.
Вторая модель - для управления ФМП в том случае, если расчетное значение по модели (2) отличается от заданного больше чем на величину допуска. Модель имеет вид
(3)
FMP = Cu S xuV yu t zu ,
где FMP – физико-механический параметр качества поверхностного слоя; Cu, xu, yu, zu –
коэффициенты модели; S – величина продольной подачи, мм/об; V – скорость резания,
м/мин; t – глубина резания, мм.
На основании математических моделей (1), (2) и (3) определяется закон управления
системой для вычисления величины поправки режимов резания при адаптивном управлении по заданному параметру качества поверхностного слоя в режиме «Работа» (рис. 4).
Вычисленная величина поправки передается через КС в УЧПУ.
Режим «Диагностика» позволяет проверить
работоспособность измерительного канала системы и канала управления
УЧПУ. Измерительный
канал состоит из канала
измерения силы резания
Pz, канала измерения
температуры в зоне резания и канала датчика
optoNCDT 1700-2. Канал
управления
УЧПУ позвоРис. 4. Форма окна режима «Работа»
ляет проверить наличие
сигналов («Пуск цикл», «Стоп цикл», «Позиция измерения») от УЧПУ, а также прохождение управляющих сигналов от ПЭВМ к УЧПУ. Кроме того, в режиме «Диагностика»
можно провести калибровку канала измерения силы резания Pz.
Программное обеспечение аппаратной части САТС обеспечивает:
• получение и передачу информации от датчиков силы резания Pz и температуры T в
ПЭВМ;
• получение и передачу информации от ПЭВМ в УЧПУ и от УЧПУ в ПЭВМ;
98
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2009. № 4 (24)
• управление приводом продольного перемещения каретки с датчиком optoNCDT
1700-2.
Взаимодействие программ, а следовательно, и устройств САТС осуществляется с
помощью последовательного интерфейса связи RS 232, передающего управляющую информацию от ПЭВМ в УЧПУ и информацию от датчиков и УЧПУ в ПЭВМ. На рис. 5 показана структура взаимодействия базового и аппаратного ПО САТС.
БПО
ПЭВМ
RS 232
ПО АЧ
МК-AT89С51-24PI
Привод
УЧПУ
Датчик Pz
Датчик Т
Рис. 5. Структура взаимодействия базового и аппаратного ПО САТС:
БПО – базовое ПО; ПО АЧ – программное обеспечение аппаратной части САТС; МК – микроконтроллер мод. AT89С51-24PI
УЧПУ NC200 предоставляет возможность автоматически корректировать величины
подачи и частоты вращения шпинделя - без участия оператора, т.е. программным способом от внешнего устройства управления, - в диапазоне от 0 до 127% (с дискретностью 1%)
от первоначально установленных значений подачи и частоты вращения. Для этого была
составлена и записана в память соответствующая программа логики станка на языке PLC
для УЧПУ NC 200.
Было проведено тестирование каждой из частей (базовой и аппаратной) разработанного ПО по отдельности и при совместном функционировании в составе рассматриваемой
САТС. При проведении тестирования использовались специально разработанные программы для базовой части ПО и лабораторный стенд для аппаратной части ПО. Результаты тестирования во всех случаях показали, что разработанное программное обеспечение
является работоспособным.
Материал поступил в редколлегию 15.09.09.
99
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2009. № 4 (24)
УДК 658.562: 004.89
В.В. Мирошников, Д.И. Булатицкий
ОНТОЛОГИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ЗНАНИЯМИ
В ОБЛАСТИ КАЧЕСТВА
Рассмотрено построение онтологической модели предметной области для системы управления знаниями
(СУЗ) в области качества. Предложена иерархия онтологий системы, позволяющая оптимизировать
внедрение СУЗ на различных предприятиях, а также модель онтологии и алгоритмы выявления новых
терминов и связей на основе базы знаний системы.
Ключевые слова: качество, управление качеством, онтология, управление знаниями.
Одним из важнейших ресурсов любой организации являются знания, накопленные
сотрудниками и полученные в ходе проведения различных работ. Поэтому управление
знаниями (УЗ), ставшее развитием методов менеджмента на основе стандартов ИСО 9000
и всеобщего управления качеством (TQM) [1], может рассматриваться как одно из ключевых преимуществ в условиях растущей конкуренции, требующей от сотрудников и особенно руководителей быстрой реакции на изменения рынка [2].
Управление знаниями на предприятии предполагает наличие определённой организационной структуры и специальной информационной технологии – системы управления
знаниями (СУЗ). Разработаны принципиальная схема и архитектура СУЗ на основе фреймовых моделей [3; 4].
Однако удобство и эффективность разрабатываемой на предприятии СУЗ зависят не
только от заложенных в её ядро принципов и предоставляемых инструментов, но также в
значительной степени от используемой модели предметной области. В настоящее время
одной из главных парадигм структурирования информационных систем и формирования
концептуальных представлений слабоструктурированных предметных областей являются
онтологии [5].
В данной статье рассматриваются вопросы построения онтологической модели
предметной области и поддержания её в актуальном состоянии.
Основные положения онтологического моделирования. Онтология — это формализованное представление некоторой предметной области, которое включает словарьуказатель терминов предметной области (концептов) и логические связи между ними (отношения). При таком подходе онтология может быть представлена в виде следующего
кортежа:
O ≡< C , R >,
где С – совокупность концептов предметной области; R – совокупность отношений между
ними. В рамках разрабатываемой СУЗ предложена следующая модель концепта:
C ≡< N , W , F , M , D, L, P >,
где C – концепт; N – имя концепта; W – слова, ассоциированные с концептом; F – определение концепта; M – комментарии; D – связанные с концептом документы; L – гиперссылки из текста определения и комментариев на соответствующие концепты (частично эти
ссылки могут дублировать отношения данного концепта, однако для удобства пользователя они также выделяются); P – множество свойств концепта.
Должно быть обязательно задано имя концепта, автоматически являющееся связанным с ним словом. Остальные атрибуты могут быть не заполнены.
В построении онтологической модели можно выделить пять этапов [6]:
1) формирование глоссария предметной области, т.е. выделение концептов — базовых понятий данной предметной области;
2) определение «высоты дерева онтологий» — количества уровней абстракции;
100
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2009. № 4 (24)
3) распределение концептов по уровням;
4) построение связей между концептами;
5) исключение противоречий и неточностей путём консультаций с различными специалистами.
Рассмотрим эти этапы применительно к построению модели предметной области
«Управление качеством на предприятии».
Формирование глоссария предметной области. Предметная область «Управление
качеством на предприятии» моделируется на основе стандартов семейства ИСО 9000,
документации СМК предприятия и других документов.
Задача разработки системы управления знаниями на предприятии должна ставиться
после построения СМК на основе стандартов ИСО 9000, а значит, после выявления и документирования основных процессов на предприятии. Тем не менее при недостаточном
уровне документированности деятельности предприятия уже на ранних стадиях построения онтологической модели возможно привлечение экспертов, которым предлагается выделить наиболее важные понятия их области. Параллельно следует вести работу по созданию, документированию и сертификации системы менеджмента качества.
При формировании глоссария рекомендуется выделять основные термины предметной области из различных документов, сохраняя информацию о документе-источнике.
Это необходимо для упрощения работы на этапе распределения концептов по уровням иерархий, а также построения ссылок из концептов на документы.
Определение «высоты дерева онтологий». Для возможности применения разрабатываемой СУЗ в различных организациях предлагается организовать знания в виде нескольких «лёгких» онтологий нижней зоны (в соответствии с классификацией, описанной
в [6]). Во-первых, на основе стандартов семейства ИСО 9000 строится онтология, представляющая понятия и отношения между ними в области качества. Эта онтология является общей для СУЗ, внедряемых на разных предприятиях. Затем строится онтология на основе модели системы качества предприятия. Наконец, на основе данных, полученных от
экспертов предметных областей, строятся прикладные онтологии по видам деятельности
предприятия. Дерево онтологий представлено на рис.1.
Онтологию верхнего уровня можно считать безэкземплярной онтологией области
знания. Второй и третий уровни, напротив, должны помимо категорий задавать экземпляры. Например, выделив класс документов «Документированная процедура», пользователь
должен будет задать экземпляры, такие, как «ДОКУМЕНТИРОВАННАЯ ПРОЦЕДУРА
«СИСТЕМА КАЧЕСТВА. Порядок управления записями. БГТУ-ДП-0.02.-2008. Версия
02» и прочие, предусмотренные системой менеджмента качества организации.
Подробность (степень детальности) прикладных онтологий может достигать уровня
справочников. Например, в иерархии концептов, связанных с продукцией предприятия,
могут быть выделены категории, виды, подвиды и т.д. На нижнем уровне такой иерархии
для номерных изделий могут быть созданы экземпляры, хранящие сведения об отдельных
единицах продукции, их приобретателях, ремонтах и прочих индивидуальных свойствах.
Другим примером может служить иерархия концептов, описывающих должности в организации, листьями которой могут быть экземпляры, представляющие конкретных сотрудников.
Стоит отметить, что построение перечисленных онтологий уже само по себе является преобразованием личных знаний специалистов, а также неявных знаний, сконцентрированных в организационной структуре и производственных (управляющих) процессах
предприятия, в явные, формализованные знания. Кроме того, на их основе возможно эффективное решение следующих важнейших задач: поиск, распространение и генерация
знаний с помощью СУЗ.
101
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2009. № 4 (24)
Онтология «Управление качеством»
Онтология СМК предприятия
Предметная
онтология 1
Предметная
онтология 2
Предметная
онтология ...
Предметная
онтология N
Рис. 1. Уровни абстракции понятий
Распределение концептов по уровням. При распределении концептов по уровням,
а также по различным онтологиям одного уровня следует прежде всего ориентироваться
на принадлежность понятий к документам-источникам, заведомо связанным с теми или
иными онтологиями системы.
Построение связей между концептами. Построение связей между концептами следует проводить в три этапа.
На первом этапе необходимо определить родовидовые связи, как самые очевидные.
Для этого нужно для каждого концепта попытаться обнаружить надкласс и подклассы.
Возможно, таким образом будут выявлены новые концепты (после консультаций с экспертами нужно либо отказаться от выявленных понятий, либо внести их в глоссарий). Результатом первого этапа для каждой онтологии являются несколько (не менее одной) иерархий (иногда это могут быть графы с циклами), т.е. допускается наличие нескольких не
связанных между собой подмножеств концептов.
Второй этап предполагает построение других типов отношений. На основе анализа
определений, понятий и интуитивных представлений о концептах выявляются наиболее
распространённые и значимые типы отношений, а также пары (группы для n-арных отношений) концептов, связанных этими отношениями.
В отличие от первого и второго этапов, выполняемых на стадии разработки онтологической модели, третий этап – пополнение отношений онтологии – связан с её использованием. Несмотря на то, что онтология должна представлять собой довольно статичную
структуру, являющуюся долгосрочным ориентиром на поле терминов, используемых в
организации, она всё же не является закостенелым образованием. Это означает, что выявленные на стадии функционирования СУЗ связи (впрочем, как и концепты) могут также
быть добавлены в онтологию.
Допускается добавление как новых фактов отношений, так и новых типов отношений. Добавление нового отношения, если оно не противоречит имеющимся сведениям, не
приводит к деструктивным последствиям. Редактирования же ранее внесённых отношений инженеру по знаниям следует избегать из-за возможного нарушения логики моделей,
построенных на изменяемых отношениях.
102
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2009. № 4 (24)
Исключение противоречий и неточностей. Для «лёгких» онтологий можно выделить три группы потенциальных противоречий/неточностей:
• Противоречия/неточности в названиях концептов. В связи с внесением в онтологию одноимённых концептов из разных источников может возникать дублирование. Дубли следует проанализировать. Если два концепта обозначают одно и то же понятие, то
следует удалить один из них, обеспечив корректную замену ссылок на удаляемый концепт
ссылками на оставляемый концепт (как в отношениях, так и в свойствах других концептов). Если же за одним и тем же словом скрываются два различных понятия, то следует
оставить оба концепта, уточнив название обоих или одного из них. При этом допускается
использование одного и того же слова в качестве ассоциированного с концептом (дополнительного к названию).
• Противоречия/неточности в свойствах концептов. Дублирование свойств может
быть связано с описанием свойства концепта, аналогичного унаследованному (возможно,
опосредованно). Также в качестве примеров противоречия в свойствах концепта можно
привести использование значения не соответствующего типу атрибута (цвет = 5 кг) или
применение типа к концепту, не входящему в домен типа (концепт – лекция, атрибут –
цвет).
• Противоречия в отношениях. В онтологии отношением ошибочно могут быть связаны концепты, не входящие в домен отношения (например, отношение «Стол обучается
пению»), или может нарушаться свойство отношения (например, «А является
подклассом А»).
Особенности построения онтологии «Управление качеством». Помимо уже изложенных рекомендаций при построении онтологии «Управление качеством» могут быть
полезны следующие соображения.
Основным источником для выделения концептов должна стать третья часть «Термины и определения» стандарта ГОСТ Р ИСО 9000-2008. Тем не менее в других частях этого
стандарта также встречаются слова, которые могут быть использованы в качестве концептов, например «область применения» или «основные принципы». Для терминов, имевших
номер в стандарте, этот номер будет использован в качестве ассоциированного с концептом слова.
При построении отношений данной онтологии могут быть использованы графические модели приложения А стандарта ГОСТ Р ИСО 9000-2008.
Актуализация онтологий. Необходимость вносить изменения в онтологическую
модель предметной области системы управления знаниями обусловлена двумя основными
факторами.
Во-первых, с течением времени модель теряет актуальность. Это значит, что из-за
изменений на предприятии или в окружающей среде ранее верные сведения становятся
неточными или слишком неполными.
Во-вторых, модель предметной области изначально неполна. На стадии проектирования и внедрения СУЗ специалисты по знаниям выделяют лишь основные концепты.
Стремление описать всю предметную область максимально подробно может привести к
затягиванию сроков внедрения и перегрузке модели, связанной с неудобством её использования.
Таким образом, необходим механизм, позволяющий пользователю СУЗ выявлять
участки онтологии, требующие доработки, а также варианты возможного изменения с
учётом накопленного в базе системы знания и опыта решения задач.
Автоматизированное выявление новых концептов. Выявление новых концептов
осуществляется в тесном взаимодействии с подсистемой поддержки принятия решений.
103
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2009. № 4 (24)
При анализе очередной задачи принятия решений (ЗПР) эксперт создаёт иерархию
целей, подцелей, критериев и альтернатив [7]. Каждый элемент иерархии должен быть поименован и по возможности связан пользователем с каким-либо концептом в онтологии.
Если же сотрудник при описании некоторой задачи пользуется неизвестным системе
термином, СУЗ может предложить ознакомиться с соответствующей онтологией для подбора более подходящего слова или оставить термин без изменения. В последнем случае
инженеру по знаниям отправляется уведомление для анализа, по результатам которого он
либо порекомендует эксперту использовать какой-то из имеющихся терминов, либо внесёт новый термин в онтологию.
Описанный механизм позволяет своевременно выявлять не только новые концепты,
но и нарушения корпоративной терминологии, а значит, становится возможным указывать
на такие нарушения и постепенно избавляться от них. Представляется, что это должно
быть особенно актуально в первое время после внедрения СУЗ.
Также в СУЗ может быть организован другой механизм, позволяющий по команде
инженера по знаниям автоматически проанализировать имеющиеся решения ЗПР на
предмет наличия в них не связанных с концептами элементов. После формирования множества обнаруженных неопознанных терминов следует каждый из них позиционировать в
онтологии: либо найти имеющийся концепт, либо создать новый.
Поиск имеющегося концепта может быть автоматически проведен на основе схожести названия и ассоциированных слов или на основе связей.
Автоматизированное выявление связей. Термин может позиционироваться в онтологии на основе связей, подразумевающихся структурой иерархии ЗПР. Каждый уровень этой иерархии (слот) имеет своё название, связанное с определённым типом отношений. Например, нижний слот – это альтернативы, поэтому концепты элементов этого слота должны быть связаны напрямую или опосредованно с концептом фокуса иерархии отношением «является подвидом» («is kind of») или «является экземпляром» («is a»).
Значит, если термин ещё не связан с концептом, то искать вариант концепта для связывания следует среди потомков целевого (фокусного) концепта по указанным отношениям. Если же инженером по знаниям принято решение о создании нового концепта для обнаруженного термина, то следует предложить ему создать сразу и соответствующие связи
в онтологии.
Другие типы связей и соответствующие им названия слотов описываются инженером по знаниям в процессе настройки и эксплуатации СУЗ.
Второй способ выявления связей может быть основан на анализе названий пары
концептов и ассоциированных с ними слов. Так, если название одного концепта полностью содержится в названии другого, то можно предположить, что первый концепт является подвидом/экземпляром класса, представленного вторым концептом. Например, концепт «Мероприятие по улучшению процесса «Реализация основных образовательных программ» является подклассом класса «Мероприятие по улучшению процесса».
Естественно, СУЗ способна лишь предоставить пользователю возможные варианты
связей, а пользователь сделает выбор в пользу одного из них или реализует собственный
вариант.
Описанные механизмы могут быть упрощённо сформулированы в виде алгоритма
(рис. 2).
Построение онтологической модели с помощью ЭВМ. На основе изложенных
принципов и алгоритмов авторами разработана программная реализация СУЗ [8-10], предоставляющая средства для построения онтологической модели. В ходе создания онтологии «Управление качеством», один из этапов которого показан на рис. 3, разработанное
программное обеспечение показало работоспособность, удобство и наглядность предложенных моделей.
104
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2009. № 4 (24)
Пополнение онтологии
На основе анализа базы ЗПР сформировать множество неопознанных терминов (Т)
Перебирать Ti
Сформировать для Ti множество возможных
концептов (PC) на основе схожести названий
Дополнить PC на основе связей иерархий ЗПР
Ранжировать PC по индексу релевантности
Предложить пользователю
выбрать C из PC
Вариант C выбран
НЕТ
Предложить пользователю самому
выбрать С из онтологии
Вариант C выбран
НЕТ
ДА
Добавить и выбрать
пользовательский вариант концепта С
ДА
На основе анализа базы ЗПР сформировать множество используемых концептов С
Перебирать Сi
Сформировать множество связей R для Сi на основе схожести названий
Дополнить R на основе связей иерархий ЗПР
Удалить несостоятельные предположения
Добавить связи Сi вручную
Конец
Рис. 2. Блок-схема обобщённого алгоритма актуализации онтологии
105
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2009. № 4 (24)
Рис. 3. Редактирование онтологии «Управление качеством»
Таким образом, разработанные подходы позволяют построить модель предметной
области для системы управления знаниями, которая способна стать основой повышения
эффективности системы менеджмента качества организации.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Кларк, Э. Управление знаниями. Польза от применения опыта в области качества / Э. Кларк //
Стандарты и качество. – 2001. – №11. – С. 116-120.
2. Попов, Э.В. Корпоративные системы управления знаниями / Э.В. Попов // Новости искусственного
интеллекта. – 2001. - №7. - С. 14-25.
3. Мирошников, В.В. Система управления знаниями в области качества / В.В. Мирошников,
Д.И. Булатицкий // Информационные технологии. – 2006. – №7. – С. 16-22.
4. Булатицкий, Д.И. Онтологическое моделирование в системе управления знаниями в области качества /
Д.И. Булатицкий // Наука и производство – 2009: тез. докл. Междунар. науч.-практ. конф. - Брянск,
2009. – 121 с.
5. Гаврилова, Т.А. Онтологический подход к управлению знаниями при разработке корпоративных
информационных систем / Т.А. Гаврилова // Новости искусственного интеллекта. – 2003. - №2. – С.2430.
6. Гаврилова, Т.А. Формирование прикладных онтологий / Т.А. Гаврилова // Труды Х Национальной
конференции по искусственному интеллекту с международным участием – КИИ-2006. – М.:
Физматлит, 2006. - Т.2.
7. Саати, Т. Принятие решений. Метод анализа иерархий: [пер. с англ.] / Т. Саати. - М.: Радио и связь,
1993. - 316 с.
8. Булатицкий, Д.И. Программная реализация системы управления знаниями в области качества / Д.И.
Булатицкий, А.Г. Сериков // Информационные системы и технологии – 2009: тез. докл. II Науч.-техн.
конф. студентов, аспирантов и молодых специалистов. - Обнинск, 2009. – С. 90.
9. Булатицкий, Д.И. Подсистема онтологического моделирования в системе управления знаниями /
Д.И. Булатицкий, О.М. Шедько // Информационные системы и технологии – 2009: тез. докл. II Науч.техн. конф. студентов, аспирантов и молодых специалистов. - Обнинск, 2009. – С. 92.
10. Мирошников, В.В. Система управления знаниями в области качества Visual Experience 1.0 / В.В.
Мирошников, Д.И. Булатицкий, А.Г. Сериков. – М.: ЦИТиС, 2009.
1.
Материал поступил в редколлегию 26.20.09.
106
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2009. № 4 (24)
ЭКОНОМИКА И МЕНЕДЖМЕНТ
УДК 338.45
Е.Н. Скляр, К.В. Швыгова
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОВЕДЕНИЯ СОЦИАЛЬНО ОТВЕТСТВЕННОЙ
РЕСТРУКТУРИЗАЦИИ ПРОМЫШЛЕННОГО ПРЕДПРИЯТИЯ
В КРИЗИСНЫХ УСЛОВИЯХ
Рассмотрены теоретические основы управления социально ответственной реструктуризацией на промышленном предприятии.
Ключевые слова: социальная реструктуризация, социально ответственная реструктуризация, управление
промышленным предприятием, механизм реструктуризации, повышение эффективности управления.
Кризисные явления, происходящие в российской экономике, конкуренция со стороны зарубежных производителей и др. предъявляют новые требования к отечественным
промышленным предприятиям. Для того чтобы оставаться конкурентоспособными, им
необходимо своевременно адаптироваться к новым рыночным условиям, изменить стратегии, цели, структуру, а также другие организационные характеристики и функции. Этого
позволяет достичь реструктуризация, представляющая собой процесс комплексного изменения методов функционирования предприятия в соответствии с внешними, постоянно
изменяющимися рыночными условиями и стратегией его развития [3]. Перечень классификационных признаков реструктуризационных преобразований и соответствующих им
видов реструктуризации достаточно широк (табл. 1).
Таблица 1
Классификация реструктуризационных преобразований
Критерии классификации
Виды реструктуризации
1. Отношение к финансовоЕстественная
экономическому состоянию хозяй- Деловая
ствующего субъекта
Кризисная
2. Субъект инициирования
Добровольная
Принудительная
3. Субъект проведения
С привлечением внешних консультантов
Реструктуризация своими силами
4. Выбранные функциональные наПроизводственная
правления реструктуризации
Организационная
Экологическая
Социальная и т.д.
5. Источник инвестиций
С привлечением инвестиций
Без привлечения инвестиций
Как показала практика, реструктуризацию обусловливает именно необходимость
комплексного характера преобразований, затрагивающих практически все стороны функционирования предприятий. В целом анализ показал, что социально-экономические отношения между субъектами реструктуризации предприятий реализуются на всех стадиях
этого процесса. Установлена достаточно жесткая последовательность выполнения стадий
подготовки и проведения реструктуризации (табл. 2) [2].
107
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2009. № 4 (24)
С нашей точки зрения, определенного внимания со стороны руководства предприятия, особенно в кризисных условиях, заслуживает социально ответственная реструктуризация, представляющая собой намеренное изменение формальных взаимоотношений между составляющими элементами предприятия, подразумевающее использование одного
или нескольких способов учета интересов всех заинтересованных сторон, включая персонал предприятия. Она включает реорганизацию трудовых процессов, уменьшение числа
уровней управления, упразднение структурных подразделений посредством аутсорсинга,
придание самостоятельности структурным подразделениям, отказ от некоторых видов
деятельности, сокращение рабочих мест и др.
Таблица 2
Этапы реструктуризации промышленных предприятий
и соответствующие им направления решения социально-этических проблем
Этап
1. Диагностика
внутренней и
внешней среды
предприятия
2. Принятие решения о проведении реструктуризации, прогнозирование ее последствий
3. Разработка
стратегии развития предприятия
4. Разработка концепции реструктуризации
5. Разработка программы реструктуризации
6. Реализация
программы реструктуризации
7. Контроль и
оценка эффективности выполнения
программы
8. Корректировка
программы
Содержание этапа
Оценка ресурсного потенциала, оценка внешней деловой среды, определение
ключевых факторов успеха и
отличительных способностей к развитию
Осуществляется по результатам предыдущего этапа
собственниками бизнеса и
руководством предприятия
Формирование миссии, выбор корпоративной стратегии
Выбор области и направлений реструктуризации (по
функциональным направлениям)
Создание бизнес-планов,
описание новых функций и
бизнес-процессов, разработка системы учета, плана персонала, функциональных
стратегий, моделей
Детализация планов, информирование сотрудников,
стимулирование активного
участия, контроль сроков
выполнения
Контроль за достижением
целевых индикаторов эффективности программы
Выполняется при необходимости
108
Учет и решение социально-этических проблем
Учет социально-этических проблем
предприятия, ценностей собственников и
руководства
Учет влияния последствий на региональном
уровне (повышение уровня безработицы,
трудоустройство высвободившегося персонала)
Формирование целевых установок социальной реструктуризации исходя из необходимости удовлетворения всех заинтересованных сторон
Создание пункта, характеризующего социальную ответственность предприятия, проверка на соответствие концепции этическим
нормам
Создание программы социальной защищенности персонала исходя из использования принципов социальной реструктуризации на основе сбалансированности взаимодействия всех заинтересованных групп
партнеров, ресурсов, концепции управления, стратегии предприятия и т.д.
Сотрудничество с городской службой занятости
Контроль за достижением показателей, характеризующих эффективность социального развития
Внесение изменений в процесс реструктуризации исходя из принципов социальной
ориентированности управления
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2009. № 4 (24)
С учетом различных точек зрения на сущность и специфические характеристики
терминов «социальная реструктуризация» и «социально ответственная реструктуризация»
проведен сравнительный анализ этих понятий (табл. 3).
Таблица 3
Сравнительный анализ понятий «социальная реструктуризация» и «социально
ответственная реструктуризация»
Параметр
Приоритетная
цель
Место в политике социальной
ответственности
бизнеса
Мотивация деятельности
Критерии отбора
получателей социальной помощи
Частота реализации
Общественно
значимый результат
Выгода для
предприятия
Социально ответственная реструктуризация
Благополучие внутренних стейкхолдеров в долгосрочной перспективе, а не просто удовлетворение краткосрочных нужд
Первичное по отношению к бизнесу
Социальная реструктуризация
Благополучие организации в
долгосрочной перспективе за
счет решения социальноэкономических проблем всех
контактных групп
Ведущее по отношению к обществу
В основном решение проблем
внутренних стейкхолдеров
Общественные предпочтения,
собственные предпочтения
В основном решение проблем
общества и PR
Общественные предпочтения
Постоянно
Время от времени
Благополучие внутренних стейкхолдеров
Благополучие общества
Высокая мотивированность работников, высокая эффективность
деятельности, репутация социально ответственного предприятия
Репутация социально ответственного предприятия
Социальную реструктуризацию и социально ответственную реструктуризацию необходимо рассматривать как части единой системы социально ориентированного управления. Как показала практика, в настоящее время на отечественных промышленных предприятиях в большинстве случаев менеджмент отдает предпочтение социально ответственной реструктуризации (это зависит от бизнес-целей предприятия) [8]. Цель социальной
реструктуризации промышленного предприятия – создание эффективной социальной базы
для его стабилизации и развития. В связи с этим, на наш взгляд, базовым инструментарием и методологией, позволяющими российским предприятиям проводить социальную реструктуризацию, могут стать «социально-корпоративные технологии» (А.Ф. Джинджолия) и «экономика участия». Бесспорно, что такой подход позволит добиться одной из
главных целей создания социального государства, а именно – повысить качество и уровень жизни.
К общим задачам социально отвественной реструктуризации следует отнести:
• устранение низкопроизводительных структурных звеньев (подразделений), что дает возможность повысить эффективность предприятия путем рационализации использо109
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2009. № 4 (24)
вания производственных ресурсов и совершенствования организационных структур, изменения направленности финансовых потоков, изменения структуры кадров и др.;
• создание стратегически эффективных организационной структуры и методов хозяйствования для адаптации конкурентной стратегии предприятия к быстро меняющейся
ситуации на рынке;
• формулирование нового понимания миссии организации на основе инновационных организационных концепций и т.д.
Решение специфических задач направлено:
• на отождествление работника со своим предприятием (удовлетворение потребности в причастности к предприятию);
• рост производительности труда и желания работников трудиться;
• создание эффективной системы социальной защищенности работников предприятия;
• улучшение нравственной атмосферы на предприятии, формирование благоприятного социально-психологического климата;
• рост имиджа предприятия в глазах работников и общества;
• стабилизацию интересов социальных субъектов (работник, работодатель, государство).
Как показал экономический кризис 2008-2009 гг., приоритетность задач социально
ответственной реструктуризации в кризисных условиях несколько меняется. На первый
план выходят общие ее задачи.
По результатам анализа установлено, что для эффективного управления процессом
реструктуризации требуется соблюдение общих принципов (табл. 4) [1].
Таблица 4
Общие принципы проведения социальной реструктуризации
Принцип
Обоснованность
Упреждение
Своевременность
Сбалансированность
Учет неопределенности процессов реструктуризации
Снижение сопротивления развитию
Импаритет
Сочетание инновационности и консерватизма
Подготовленность
Содержание принципа
Принятие взвешенного решения об актуальности проведения реструктуризации с учетом имеющихся ограничений и возможных сценариев развития
Предвидение негативных долгосрочных тенденций и проведение реструктуризации в условиях финансовой стабильности с целью роста эффективности применения реструктуризации
Соблюдение оптимальных сроков начала и завершения процесса реструктуризации с учетом этапа цикла развития, на котором находится
предприятие
Определение оптимального соотношения между текущим функционированием и темпами развития при проведении реструктуризации
Адекватное реагирование на непредвиденные обстоятельства в условиях
высокой неопределенности внешней и внутренней среды в долгосрочной перспективе
Снижение сопротивления внешней и внутренней среды до приемлемого
уровня
Предупреждение возможных последствий негативных изменений внешней среды
Использование традиционных и инновационных технологий
Тщательная подготовка к реструктуризации, что позволяет максимально
снизить уровень энтропии в процессе преобразований
110
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2009. № 4 (24)
К специфическим принципам проведения социально ответственной реструктуризации следует отнести: уважение и учет интересов, мнений, предпочтений и ожиданий; равенство и отсутствие дискриминации; открытость и прозрачность; доверие и искренность;
честность и справедливость; принципиальность и добропорядочность; безусловное соблюдение законодательства; учет международных и российских стандартов; ответственное выполнение принятых обязательств; постоянную адаптацию к изменяющимся потребностям общества; уважение истории, культуры, традиций, образа жизни и наследия
жителей территорий хозяйствования.
Исследуя историю вопроса, необходимо заметить, что на протяжении десятилетий в
СССР формировались основы социалистической корпоративности, своеобразного варианта «моральной экономики» с сильным идеологическим компонентом и лозунгом о единстве интересов всех членов «большой корпорации» - советского общества и «малой корпорации» – предприятия [6]. Обладая широкими социальными возможностями, предприятие
советского периода становилось центром городской жизни, формируя вокруг себя особый
социум, особое социальное поле. Т.Ю.Сидорина отмечает, что типичное советское предприятие с развитой социальной сферой удовлетворяло социальные потребности не только
собственных работников, но и местного сообщества. Во-первых, сообществу была доступна мощная сеть объектов соцкультбыта. Во-вторых, практически все предприятия
осуществляли шефство над городской инфраструктурой. Однако такая практика, по мнению Т.В.Романова, имела и свои противоречия [7]. Назывались следующие основные аргументы в пользу муниципализации социальной сферы:
- содержание предприятием социальной сферы отвлекает большие ресурсы, необходимые для развития основной производственной деятельности предприятия, и мешает его
превращению в конкурентоспособную организацию;
- социальная сфера является препятствием для динамичного развития рынка труда,
так как льготы, предоставляемые предприятием своим работникам, снижают мотивацию к
смене места работы и надежно прикрепляют рабочую силу к предприятию;
- сохранение социальной сферы на бывших государственных предприятиях крупного
и среднего размера мешает развитию частного предпринимательства, не способного в современных условиях обеспечить социальное обслуживание работников этого сектора производства;
- предоставление социальных льгот только работающим на предприятии ограничивает доступ к социальным благам другим категориям населения;
- предприятие с солидной социальной сферой является трудным случаем для осуществления процедуры банкротства, в особенности если речь идет о градообразующем предприятии, несущем основное бремя ответственности за обеспечение населения целого города социальными благами [6].
Каковы же причины социальной реструктуризации? Почему, однажды отказавшись
от социальной функции, предприятия вновь задумываются о социальной ответственности? Что заставляет современное российское предприятие в столь непростых экономических и социальных условиях обращаться к формированию внутрифирменной социальной
политики? Какова роль социальной политики на современном предприятии? Можно ли
говорить о том, что проведение социальной политики экономически выгодно предприятию? Ведь реализация социальной политики в любом случае требует ресурсных затрат.
При этом, как показывает практика, она способствует повышению качества управления
предприятием. Осуществление социальных программ повышает инвестиционную привлекательность предприятия вследствие улучшения финансовых показателей его деятельности, укрепляет репутацию и имидж, что повышает рейтинг предприятия как работодателя.
Как отмечает А.Е.Чирикова, анализ распределения социальных инвестиций крупнейших
международных корпораций показывает, что на первое место в проводимой социальной
111
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2009. № 4 (24)
политике выходят статьи, связанные с развитием образования, местного сообщества,
культуры и охраной экологии [5]. По мнению Т.Ю.Сидориной на сегодняшний день приоритетом в социальном инвестировании российских промышленных предприятий является внутренняя социальная политика, рассчитанная на стимулирование и поддержание работника компании [6]. Согласно данным Ассоциации менеджеров, на развитие персонала
российские компании расходовали до 60% социального бюджета; на внешнюю социальную политику, адресованную территориальному сообществу, они в среднем тратили около 25% своих «социальных» денег. Есть мнение, что со временем соотношение между
внутренней и внешней социальной политикой бизнеса в России будет меняться в сторону
увеличения расходов на внешнюю политику [5].
Исходя из изложенного, можно сделать следующие выводы:
1. Процесс реструктуризации, имеющий целью учет и решение социально-этических
проблем, должен включать восемь этапов: диагностика внутренней и внешней среды
предприятия; принятие решения о проведении реструктуризации, прогнозирование ее последствий; разработка стратегии развития предприятия; разработка концепции реструктуризации; разработка программы реструктуризации; реализация программы реструктуризации; контроль и оценка эффективности выполнения программы; корректировка программы.
2. Решение о реструктуризации предприятия принимается собственниками и руководством предприятия в результате предварительной оценки последствий ее реализации и
соотношения потерь и выгод. При этом концепция реструктуризации должна формироваться на основе консенсуса интересов всех заинтересованных групп, поскольку противоречие ее целей интересам отдельных групп может привести к тому, что цель реструктуризации не будет достигнута.
3. Как отмечается в работах, посвященных процессу реструктуризации, комплексным и объективным показателем оптимальности варианта реструктуризации является
увеличение стоимости бизнеса, что обусловливает максимальную нацеленность на более
эффективное использование внутренних и внешних ресурсов предприятия [4]. Однако при
формировании программы социальной реструктуризации все же важно придерживаться
концепции социально ориентированного управления.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Митрохин, Д.И. Потенциал развития как предмет управления в процессе реструктуризации / Д.И. Митрохин // Федерация.- 2006.- №7.
2. Потапова, Н.А. Совершенствование социально-экономических отношений между субъектами реструктуризации промышленных предприятий / Н.А. Потапова.- Орел: ОрелГТУ, 2006. -24 с.
3. Рычихина, Н.С. Реструктуризация предприятия как инструмент экономической стабилизации в условиях
рыночной неустойчивости: автореф. дис. … канд.экон.наук / Н.С. Рычихина. - Иваново, 2007. – С. 12.
4. Торосян, Е.К. Реструктуризация в реформировании промышленных предприятий / Е.К. Торосян // Молодежь, образование и наука XXI века: материалы регион. науч.-практ. конф., посвященной памяти проф.
В.С. Соминского. - СПб.: Изд-во СПбГТУРП, 2007. - Вып.4.
5. Чирикова, А.Е. Бизнес как субъект социальной политики: должник, благодетель, партнер? / А.Е. Чирикова, Н.Ю. Лапина, Л.С. Шилова; отв. ред. С.В. Шишкин; Независимый институт социальной политики.М.: Изд. дом ГУ - ВШЭ, 2005. -С. 19.
6. Сидорина, Т.Ю. Социальный капитал организации и социальная политика российского предприятия /
Т.Ю. Сидорина // Журнал исследований социальной политики.- 2007. - №3.- С. 319-334.
7. Романов, П.В. Промышленный патернализм в системе социальной политики предприятий/ П.В. Романов
// Журнал исследований социальной политики.- 2005. - № 3. - С. 293.
8. Скляр, Е.Н. Повышение эффективности управления промышленным предприятием на основе совершенствования механизма социальной реструктуризации / Е.Н. Скляр, К.В. Швыгова // Вестн. БГТУ.- 2008. –
№4.- С. 84-89.
Материал поступил в редколлегию 26.10.09.
112
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2009. № 4 (24)
УДК 658
Г. И.Коновалова
ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ ПРЕДПРИЯТИЙ В РЫНОЧНЫХ УСЛОВИЯХ И ПОДХОДЫ
К СОЗДАНИЮ СБАЛАНСИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ 1
Описана модель управления предприятием, которая обеспечивает интеграцию стратегических целей, процессов и размещения ресурсов.
Ключевые слова: система, управление, модель, стратегия, предприятие, графики.
На многих предприятиях до сих пор сохранились системы планирования и контроля,
построенные по иерархическому признаку. Стратегия формулируется на самом высоком
организационном уровне, поскольку именно руководители определяют долгосрочные цели и политику предприятия, а также размещение ресурсов. Затем руководители среднего
звена и сотрудники получают команду действовать в соответствии с этими стратегическими планами. Иерархический подход к формулированию стратегии и путей ее реализации хорош в том случае, когда руководство предприятия имеет четкое представление о
конечных целях и способах их достижения. Отклонения от выбранного направления рассматриваются как обычные дефекты, которые с помощью определенных действий можно
исправить, чтобы вернуть предприятие на прежний путь.
Стратегии предприятий, действующих в жесткой конкурентной борьбе, не могут
быть такими прямолинейными и стабильными. Руководители предприятия должны иметь
возможность пользоваться постоянной обратной связью, т.е. получать информацию о том,
насколько созданная ими стратегия, на основании которой действует предприятие, соответствует настоящим (возможно, уже изменившимся) условиям. В случае необходимости
им придется создавать новую стратегию, чтобы извлечь наибольшую выгоду из возникших возможностей или, наоборот, учесть все риски, которые нельзя было предусмотреть
на начальной стадии разработки стратегии. Нередко идеи об использовании новых возможностей исходят от линейных руководителей и сотрудников предприятия.
Такой подход к вопросу о стратегии обусловлен следующим [1]:
• стратегии постоянно развиваются;
• запланированные стратегии могут быть заменены на другие;
• формулирование и реализация стратегии – два взаимосвязанных процесса;
• стратегические цели могут возникать на любом организационном уровне;
• стратегия – это процесс.
Конечно, на практике обе точки зрения на формулирование и реализацию стратегии,
основанные на иерархическом подходе и предположении о постоянном развитии, сосуществуют. Сотрудники предприятия ежедневно решают ранее запланированные задачи. Однако каждый участник этого процесса должен внимательно относиться к тем новым условиям и возможностям (изменение состава потребителей рынка, технологий и состояний
соперников), учитывая которые, можно получить преимущества в конкурентной борьбе.
Стремясь выйти победителем в конкурентной гонке, предприятия пытаются реорганизовать свою деятельность с помощью следующих программ по усовершенствованию:
• управление качеством;
• управление операционными затратами;
1
При написании настоящей статьи использован многолетний практический опыт автора, полученный
при разработке и внедрении автоматизированной системы управления в ЗАО «УК «Брянский машиностроительный завод».
113
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2009. № 4 (24)
• интеграция бизнес-процессов;
• ориентированность на потребителя;
• своевременность доставки заказа;
• производство и распределение в соответствии с концепцией «точно в срок»;
• делегирование полномочий работникам.
Однако внедрение многих подобных программ носит фрагментарный характер. К
тому же необходимо помнить, что улучшенные качество, сроки выполнения заказов, производительность и развитие новых продуктов являются средством достижения поставленной цели, но не самой целью. Их нельзя привязать к общей стратегии предприятия и использовать для достижения финансовых и экономических результатов. Такие усовершенствования приносят предприятию выгоду только тогда, когда переносятся в плоскость
увеличения объемов продаж, сокращения операционных расходов или более эффективного использования активов.
Для успешного продвижения вперед требуются изменения главного в деятельности
предприятия − системы оценок и управления. Эта система должна четко указывать, как
совершенствование операционной деятельности, создания новых продуктов связано с
улучшением финансовой деятельности посредством роста объема продаж, прибыли, ускорения оборачиваемости капитала, сокращения операционных расходов. Такой подход требует:
• согласования целей и задач каждого подразделения со стратегией предприятия;
• согласования стратегических задач с долгосрочными целями и годовыми бюджетами;
• создания обратной связи для получения информации и своевременного изменения
стратегии в случае необходимости.
Таким образом, необходимо трансформировать стратегию предприятия в набор
взаимосвязанных показателей, которые определяют как долгосрочные цели, так и механизмы их достижения. Для этого модель планирования производственной деятельности
предприятия должна реализовывать целостный подход к приведению усилий структурных
подразделений и каждого конкретного работника в соответствие с целями предприятия в
целом.
Сегодня на большинстве предприятий стратегическое планирование и составление
текущего бюджета – это два не связанных друг с другом процесса, в которых участвуют
такие же изолированные организационные единицы. Стратегическое планирование, которое определяет долгосрочные цели, задачи и стратегические инициативы, имеет годовую
цикличность. В середине каждого финансового года руководители высшего звена составляют стратегический план развития предприятия, который благополучно покоится на полке в течение следующих двенадцати месяцев.
Одновременно продолжается процесс составления бюджета: финансовый отдел устанавливает цели для доходов, затрат, прибыли и инвестиции на следующий год. Все это
завершается одобрением в октябре-ноябре текущего года следующего бюджета, который,
как правило, состоит из финансовых показателей, имеющих отдаленное отношение к
стратегическому пятилетнему плану. В течение следующего года на ежемесячных и квартальных совещаниях обсуждается бюджет с подробными сравнениями и постатейным
анализом текущих и плановых показателей. Когда обсуждается стратегический план?
Возможно, через год, когда составляется новый стратегический план.
Стратегическое планирование и составление операционного бюджета являются
слишком важными процессами, чтобы рассматривать их независимо друг от друга. Стратегическое планирование должно быть неразрывно связано с разработкой бюджета.
Традиционно при разработке бюджета определяют краткосрочные цели для финансовых показателей, таких, как объем продаж, текущие расходы, валовая прибыль, общие и
114
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2009. № 4 (24)
административные расходы, операционная и чистая прибыль, денежный поток и рентабельность инвестиций. Устанавливаются и утверждаются объемы капиталовложений, затраты на научно-исследовательские и опытно-конструкторские разработки, маркетинг и
продвижение товара. Подобный детализированный краткосрочный финансовый план попрежнему остается важным для любого предприятия, но в процессе становления бюджета
необходимо определить краткосрочные цели для потребителей, инноваций, производства,
а также соответствие целей на всех уровнях выработанной стратегии. Из этого следует,
что составление краткосрочного бюджета должно заключаться в трансформации плана
первого года пятилетки в текущий операционный бюджет, полностью соответствующий
стратегическим целям и показателям всех областей деятельности.
Концентрация усилий подразделений предприятия на выработке стратегий, направленных на достижение долгосрочных результатов, - исключительно важная задача, решение которой до настоящего времени представлялось почти невозможным. Известно, что
процесс и программа управления строятся на определенной модели, которая в данном
случае должна представлять собой универсальный механизм межфункциональной интеграции. Сбалансированная система превращает стратегию в задачи и показатели, сгруппированные по пяти различным направлениям, таким, как клиенты, производство, снабжение, финансы, персонал. Содержание, цели и параметры этих составляющих системы хорошо известны. Перед нами стоит другая задача: найти базовые элементы, с помощью которых составляющие увязываются в единую модель.
Традиционно операционные процессы контролировались финансовыми показателями: нормативными издержками, бюджетом и анализом отклонений. Однако со временем
чрезмерный акцент на такие узкоспециальные финансовые параметры, как эффективность
использования рабочей силы и оборудования, отклонения закупочных цен, привел, с одной стороны, к тому, что постоянная загрузка станков и людей создала запас готовой продукции, который никак не соответствовал заказам клиентов, а с другой стороны – к бесконечной смене поставщиков в поисках более низких закупочных цен. При этом игнорировались такие факторы, как издержки выполнения больших объемов заказов, плохое качество, неопределенные сроки доставки.
На рис.1 представлен операционный процесс в виде системы графиков, отражающих
и увязывающих различные виды деятельности на предприятии во времени и пространстве.
Графики устанавливают соответствие между долгосрочными планами предприятия и
сроками выполнения заказов (график на 1-м уровне), производственной программой (график на 2-м уровне), подетальным производственным планом (график на 3-м уровне), потребностью материалов (график на 5-м уровне), уровнем затрат труда (график на 6-м
уровне), уровнем издержек производства (график на 7-м уровне). График выполнения деталеопераций (график на 4-м уровне) служит для того, чтобы не допускать разрыва между
подетальным производственным планом и текущими параметрами его выполнения.
Графики строятся на ЭВМ и являются инструментом для расчета показателей в соответствии с номером уровня управления. Для обеспечения гибкости модели графики не
хранятся на машинных носителях информации, а всякий раз строятся заново. Это позволяет учитывать динамичный ход производства, а также изменения, происшедшие в планах
и сроках выпуска изделий, нормах и нормативах движения предметов труда по стадиям
производственного процесса.
Для построения графиков планирования разработана специальная система представления информации в памяти ЭВМ [2]. Она учитывает все случаи динамики производства,
т.е. изменение объемов не только в планируемых периодах, но и в течение одного планируемого периода, а также прекращение или возобновление выпуска изделий. Графики отражают соответственно величины объемов заказов, выпуска изделий, изготовления деталей, потребности материалов, затрат труда и издержек в планируемых отрезках времени,
продолжительность которых указывается в рабочих днях. Общая продолжительность планового периода складывается из прошедшего, текущего и будущего периодов и равна отрезку времени, на который составляется стратегический план. Если выпуск изделия пла115
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2009. № 4 (24)
нируется не с начала периода или прекращается во время его, то в графике на соответствующем отрезке времени объемы производства приравниваются нулю. Это позволяет
обеспечить непрерывное планирование производства независимо от номенклатуры выпускаемых изделий, периодичности и длительности производственных циклов их изготовления и характера производства (массовое, серийное, единичное).
1 уровень
График выполнения заказов
2 уровень
График выпуска изделий
3 уровень
График выпуска деталей
4 уровень
График выполнения
деталеопераций
5 уровень
График потребности материалов
6 уровень
7 уровень
График затрат труда
График издержек производства
Клиентская
составляющая
Производственная
составляющая
Составляющая
снабжения
материалами
Составляющая обучения
и развития персонала
Финансовая
составляющая
Рис.1. Базовые элементы сбалансированной системы управления предприятием
График 3-го уровня отображает регламент движения конкретного предмета труда, а
совокупность этих графиков представляет собой модель требуемого ритма производства.
Выполнение расчетного ритма гарантирует заданный темп выпуска изделий, наиболее
экономичный уровень трудовых и материальных затрат, создание благоприятных условий
для обеспечения высокого качества продукции, минимизацию производственного цикла.
Графики 3-го уровня позволяют построить правильную траекторию движения предприятия к стратегическим целям. Это механизм превращения стратегии в конкретные действия, радикальный способ преобразования некоторых ключевых бизнес-процессов,
имеющих решающее значение для выполнения стратегических задач.
Графики планирования 3-го уровня являются фундаментом для построения графиков
4−7-го уровней, тем самым связывая все виды деятельности на предприятии в единую цепочку и подчиняя их главной составляющей – производству.
Графики планирования 5-го уровня формируются с учетом того, что из конкретного
материала изготовляется множество предметов труда и материал должен поставляться на
предприятие с некоторым опережением. График 5-го уровня задает ритм поставки конкретных материалов, а совокупность этих графиков представляет собой модель снабжения
предприятия материалами. Она позволяет оценить предстоящие затраты на снабжение и
оптимизировать их, сведя к нормативному значению уровень запасов, время доставки и
транспортные расходы.
Графики планирования 6-го уровня строятся с использованием технологических
процессов изготовления предметов труда. В результате получается множество графиков
видов работ (при необходимости − профессий). График 6-го уровня отображает регламент
затрат труда по конкретному виду работ, а совокупность этих графиков представляет со116
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2009. № 4 (24)
бой модель требуемого уровня затрат труда. Она предназначена для контроля трудовых
ресурсов и составления программы обучения и развития персонала.
Графики планирования 7-го уровня формируются с учетом нормативных калькуляций на предметы труда. В результате получается множество графиков статей затрат. График 7-го уровня отображает регламент затрат на производство конкретных предметов
труда, а совокупность этих графиков представляет собой модель требуемого уровня издержек производства. Сведения о динамике издержек производства лежат в основе стратегически важных решений в области ценовой политики [3]. Данная модель выявляет те
факторы, которые являются решающими для достижения результатов, и обеспечивает
связь с финансовыми показателями сегодня и в будущем.
Общая схема графика планирования любого уровня представлена на рис.2.
H′
Прошедший период
H′′
Текущий и будущий периоды
d5
d2
d7
d3
d1
H0
d6
d4
H1
H2
H3
H4
H5
H6
H7
Рис. 2. Общая схема графика планирования: H′, H′′ - окончания соответственно прошедшего, текущего и будущего периодов; Н 1 – окончание первого отрезка времени и т.д.; d 1 – дневное количество
предметов труда или затрат на первом отрезке времени и т.д.
В заключение следует отметить, что данная сбалансированная модель обеспечивает
интеграцию стратегических целей, процессов и размещения ресурсов, которая направлена
на ликвидацию разрыва между стратегическими долгосрочными (рассчитанными на 5 лет
и более) задачами и текущими результатами деятельности предприятия.
Модель становится основой для принятия решения об организационной перестройке
и реструктуризации. Целями такого преобразования могут быть значительное сокращение
издержек, временного цикла выполнения заказа, оптимизация продвижения нового продукта на рынок и повышение квалификации персонала. Но, что самое важное, используя
графики для реализации программ перестройки и реструктуризации, предприятие имеет
возможность сфокусировать свои усилия на задачах, решение которых неизбежно приведет к общему росту и развитию, а не только к сокращению расходов и увеличению производительности.
Сбалансированная модель обеспечивает менеджмент универсальным механизмом,
который интерпретирует стратегию предприятия через набор взаимосвязанных графиков
и показателей. Система графиков является отправной точкой для управления бизнеспроцессами. Кроме того, данная модель позволяет разработать информационную платформу, ориентированную на реализацию стратегических целей предприятия.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Каплан, Р. Сбалансированная система показателей: от стратегии к действию: [пер. с англ.] / Р. Каплан, Д.
Нортон. - М.: Олимп-Бизнес, 2004.
2. Коновалова, Г.И. Модель автоматизированной системы непрерывного оперативно-производственного
планирования для предприятий со смешанным характером производства / Г.И. Коновалова // Механизация и автоматизация производства. – 1976. – №10. – С. 33-35.
3. Коновалова, Г.И. Проблемы управления затратами на промышленном предприятии и способы их решения / Г.И. Коновалова // Менеджмент в России и за рубежом. – 2008. – №1. – С. 97-99.
Материал поступил в редколлегию 29.09.09.
117
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2009. № 4 (24)
УДК 338
Р.А. Обозов
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПОКАЗАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕЙ СТАВКИ ДОХОДНОСТИ
ПРИ ОЦЕНКЕ ИНВЕСТИЦИОННЫХ ПРОЕКТОВ С НЕСТАНДАРТНЫМИ
ДЕНЕЖНЫМИ ПОТОКАМИ
Рассмотрены различные аспекты использования метода внутренней ставки доходности - IRR. Проведено
сравнение методов IRR, MIRR, FMRR по принципам простоты применения, информативности, объективности и достоверности.
Ключевые слова: инвестиционный проект, внутренняя ставка доходности, чистая настоящая стоимость проекта, средневзвешенная стоимость капитала.
Метод внутренней ставки рентабельности (IRR), ориентированный на увеличение
стоимости бизнеса, подходит, наряду с методом чистой настоящей стоимости проекта
(NPV), для выбора среди независимых проектов и является наиболее распространенным
[1]. Эти два метода применяются совместно при оценке одного инвестиционного проекта.
Отличительной особенностью метода IRR является то, что все поступления и затраты по
проекту приводятся к настоящей стоимости не на основе задаваемой извне средневзвешенной стоимости капитала WACC, а на основе внутренней ставки рентабельности самого
проекта. IRR определяется как ставка доходности (предположим, некоторое число Ê), при
которой NPV равна нулю и все затраты окупаются. Недостаток определенного так показателя IRR заключается в том, что уравнение NPV(Ê)=0 не обязательно имеет один положительный корень. Оно может вообще не иметь корней или иметь несколько положительных. Такая особенность наблюдается, когда затраты осуществляются не только в начале,
но и в середине или конце расчетного периода. В частности, для проекта, имеющего зависимость NPV(E), приведенную на рисунке б, IRR отсутствует [2].
NPV
NPV
E
E
а)
б)
Рис. Зависимость NPV от нормы дисконта:
а –стандартные денежные потоки; б – нестандартные денежные потоки
Полученная чистая настоящая стоимость проекта сопоставляется с чистой настоящей стоимостью затрат на привлечение капитала (эта стоимость принимается за минимальный допустимый уровень доходности). Из рассматриваемых проектов предпочтение
отдают наиболее прибыльным и инвестиционный портфель формируют с наивысшей
суммарной чистой настоящей стоимостью. В то же время метод не лишен недостатков.
Во-первых, далеко не всегда, базируясь на IRR, можно выделить самый прибыльный проект. Во-вторых, ситуация, когда все промежуточные положительные денежные потоки
будут тотчас реинвестироваться в проект, да еще и по внутренней ставке доходности, ка118
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2009. № 4 (24)
жется малореалистичной. Разумеется, часть средств уйдет на выплату дивидендов, а часть
может быть при желании инвестирована в менее доходные, но вместе с тем и менее рискованные объекты.
Рассмотрим различные варианты денежных потоков, и соответствующие возможные
ситуации с показателем IRR.
Пример 1:
t=0
t=1
-10
t=2
+25
NPV =
−10 +
+25
25
25
0;
+
=
1 + E (1 + E ) 2
0;
−2(1 + E ) 2 + 5(1 + E ) + 5 =
0;
−2 E 2 − 4 E − 2 + 5 + 5 E + 5 =
0;
−2 E 2 − E − 8 =
1 ± 1 + 64
⇒ E ≅ 2, 25 - единственный
4
действительный положительный корень.
E
=
Пример 2:
t=0
t=1
-10
t=2
+25
−10 +
NPV =
-25
25
25
−
=
0;
1 + E (1 + E ) 2
−2(1 + E ) 2 + 5(1 + E ) − 5 =
0;
−2 E 2 − 4 E − 2 + 5 + 5 E − 5 =
0;
2E 2 − E − 2 =
0;
=
E
Пример 3:
1 ± 1 − 16
− действительных корней нет.
; 4
t=0
t=1
-5
t=2
+25
NPV =−5 +
-25
25
25
−
=0;
1 + E (1 + E ) 2
−(1 + E ) 2 + 5(1 + E ) − 5 =
0;
− E 2 − 2 E − 1 + 5 + 5 E − 5 =0;
E 2 − 3E + 1 =
0;
=
E
3± 9− 4
⇒ E ≅ 2, 62; E ≅ 0,38 − два положительных корня.
2
119
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2009. № 4 (24)
Во избежание этих трудностей выработано более развернутое определение IRR: IRR
– это положительное число Ê, если оно существует, такое, что NPV:
- при норме дисконта E= Ê обращается в 0;
- при всех E > Ê – отрицательна;
- при всех 0 ≤ E < Ê – положительна.
Определенная так IRR, если только существует, всегда единственная.
Кроме того, существуют различные модификации внутренней нормы рентабельности – MIRR, FMRR.
Поскольку условие, согласно которому депозитная ставка «следит» за IRR, явно нереалистично, было предложено несколько алгоритмов, улучшающих IRR. Все они основаны на приведении денежного потока к стандартному виду: вначале отрицательные значения элементов потока, потом неотрицательные (положительные или нулевые). Указанное
приведение базируется на дополнительно задаваемой извне (экзогенной) информации, по
крайней мере на значениях депозитного процента и/или нормы дисконта. Алгоритм решает задачу определения предельной ставки, под которую можно взять кредит, равный всем
внешним по отношению к проекту средствам, с тем чтобы за время существования проекта его можно было вернуть (с процентами). В общем виде данный алгоритм сводится к
движению по расчетному периоду (от конца к началу или от начала к концу) и компенсации отрицательных значений денежного потока на каждом шаге, кроме начального (или
неразрывной группы шагов, расположенных в начале расчетного периода). Заметим, что
метод компенсации отрицательных значений денежного потока применим не только к вычислению варианта IRR. В дальнейшем метод обобщается для использования произвольной схемы финансирования и тем самым становится пригодным для практического применения [3].
Другой путь модифицирования IRR также требует знания депозитной ставки. Обозначим ее через i d (это должна быть ставка наиболее выгодного размещения средств, не
обязательно ставка депозита). Существует несколько разновидностей метода МIRR. При
одной из них денежный поток преобразуется следующим образом. Все отрицательные
значения потока дисконтируются по ставке i d к началу расчетного периода. Все положительные значения компаундируются (также по ставке i d ) к концу расчетного периода. Получается «двухточечный» поток: на начальном шаге —минус, потом — нули и на конечном шаге — плюс. MIRR — это IRR преобразованного таким способом потока. Ее можно
записать и в виде следующей формулы:
1
T
 T
T −m
+
 ∑ CF (m) ⋅ (1+ i d ) 


MIRR =  m=1
 −1,
T
−
 K − CF (m)
∑ (1+ i )m 


d
m=1
где CF + (m) и CF − (m)- значения денежного потока на шаге m при условии, что они соответственно положительны и отрицательны. Следовательно, CF + (m) = CF(m), если эта величина положительна.
Основной недостаток метода связан с невозможностью использовать значение MIRR
для заключения об эффективности проекта. Действительно, чтобы сделать вывод об эффективности проекта по показателю IRR, надо сравнить его с нормой дисконта. А с чем
сравнивать MIRR? Сторонники метода часто сравнивают ее с депозитной ставкой i d , исходя из того, что если MIRR> i d , то вложение денег в проект выгоднее, чем на депозит, и
проект эффективен. Однако такое сравнение полностью игнорирует риск, который у проекта может быть выше, чем при внесении денег на депозит. Поэтому логично бы было
120
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2009. № 4 (24)
сравнивать MIRR (как и IRR) с заданной извне нормой дисконта E (которая часто и принимается равной сумме депозитного процента и премии за риск). Однако тогда заключения о неэффективности проекта нередко оказываются ошибочными.
Дальнейшим обобщением IRR является ставка дохода финансового менеджмента
(FMRR). Как и при вычислении МIRR, для определения значения этого показателя отрицательные элементы денежного потока приводятся к началу расчетного периода (дисконтируются), а положительные - к его концу (компаундируются), но не по одной, а по двум
различным ставкам приведения, задаваемым экзогенно (извне). Дисконтирование при
этом выполняется по так называемой безопасной, ликвидной посленалоговой ставке ( i l ), а
компаундирование - по другой ставке ( i r ), которая называется круговой посленалоговой
ставкой. Преобразованный денежный поток вновь становится «двухточечным», а расчетная формула для FMRR принимает вид
1
 T
T
+
T −m
 ∑ CF (m) ⋅ (1+ i r ) 


FMRR=  m=1
 −1.
T
−
 K − CF (m) 
∑ (1+ i )m 


l
m=1
Недостатки FMRR такие же, как и у MIRR. Кроме того, наличие двух экзогенно задаваемых параметров (i l и i r ) увеличивает степень неопределенности полученного результата. Правда, некоторые авторы считают, что за счет этих двух параметров увеличивается
число степеней свободы и гибкость вычислений. Это, конечно, верно, но увеличение числа степеней свободы - достоинство только тогда, когда известно, как ими воспользоваться.
В данном случае требуются определенные правила задания ставок i l и i r , чего как раз и
нет. Несмотря на то, что FMRR применяется в некоторых компьютерных системах для инвестиционных расчетов, например в СОМFАР III Ехреrt, широкого распространения этот
показатель не получил (в основном из-за необходимости задавать две априорные ставки).
Все перечисленные модифицированные IRR обладают тем свойством, что при заданном денежном потоке они определяются однозначно.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Сироткин, В. Б. Финансовый менеджмент компаний: учеб. пособие/ В.Б. Сироткин. - СПб.:СПбГУАП,
2001.
2. Кулаков, Н. Оценка инвестиционных проектов: сб. науч. тр. / Н. Кулаков, С. Подоляко. - М.: РосЗИТЛП,
2004.
3. Коссов, В.В. Методические рекомендации по оценке эффективности инвестиционных проектов/ В.В.
Коссов, В.Н. Лившиц, А.Г. Шахназаров. - М.:Экономика, 2000.
Материал поступил в редколлегию 5.11.09.
121
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2009. № 4 (24)
ОБРАЗОВАНИЕ
УДК 668.32
О.А. Горленко, Т.П. Можаева
РАЗРАБОТКА МОДЕЛИ ПОДГОТОВКИ СПЕЦИАЛИСТА
В ТЕХНИЧЕСКОМ ВУЗЕ НА ОСНОВЕ ПРОЦЕССНОГО ПОДХОДА
Рассмотрена проблема формирования в техническом вузе на основе процессного подхода специалистов,
отвечающих требованиям рынка труда. Авторами предложена процессная модель подготовки специалиста
в области менеджмента качества, позволяющая удовлетворить требования и ожидания всех заинтересованных сторон еще на стадии проектирования образовательной программы специальности.
Ключевые слова: процессный подход, процесс, макропроцесс, микропроцесс, контекстная диаграмма, дочерняя диаграмма.
Сегодня повышение качества подготовки специалиста в техническом вузе, конкурентоспособного на рынке труда, является одной из приоритетных задач, стоящих перед
образовательными учреждениями. Перспективным для ее решения представляется применение процессного подхода к менеджменту качества, входящего в число известных восьми концептуальных принципов международных стандартов ИСО серии 9000:2000 [1].
Для большинства вузов в настоящее время характерно функциональноориентированное построение, отличительными особенностями которого являются:
- иерархическая направленность управления структурными подразделениями организации «сверху вниз» при наличии некоторой изолированности их друг от друга;
- ориентация подразделений на выполнение своих целевых установок и задач без
осознания ими собственной роли в достижении конечных целей организации;
- плохое взаимодействие подразделений при решении смежных задач, лежащих на
стыке их функциональных обязанностей;
- дублирование функций рядом подразделений, что часто приводит к некачественному выполнению работы, так как позволяет персоналу подразделения надеяться, что его
дефекты по конкретным видам деятельности будут скорректированы другими подразделениями;
- участие вышестоящего руководства в принятии любого управленческого решения,
из-за чего затрудняется и тормозится обмен информацией между структурными подразделениями, при этом некоторая ее часть теряется.
В условиях повышения конкуренции на рынке образовательных услуг переход вузов
от функционально-ориентированного к процессно-ориентированному подходу в управлении подготовкой специалиста становится чрезвычайно важным. Стандарты [1;2] определяют процессный подход как «систематическую идентификацию и менеджмент применяемых в организации процессов и, прежде всего, обеспечение их взаимодействия». Иначе
говоря, этот подход направлен на достижение желаемого результата наиболее эффективным способом, когда всеми видами деятельности и необходимыми для нее ресурсами
управляют как процессами [3].
Под процессом в рассматриваемых стандартах [1;2;4] понимают совокупность взаимосвязанных и взаимодействующих видов деятельности, преобразующих входы в выходы. При этом продукция рассматривается как результат процесса. Процесс протекает в
соответствии с управляющими директивами, вырабатываемыми на основе целей деятельности, и наличием ресурсов (информационных, финансовых, материально-технических,
человеческих), определяемых возможностями и ограничениями, создаваемыми другими
процессами и внешней средой организации.
122
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2009. № 4 (24)
Подготовка специалиста на основе процессного подхода позволяет:
- визуализировать образовательную деятельность в виде модели процессов, отражающей идеальную, с точки зрения высшего руководства вуза, взаимосвязь и взаимозависимость процессов;
- снизить у персонала вуза уровень неопределенности представлений о месте и роли
выполняемых им процессов в увеличении профессиональной и социальной ценности личности за счет приращения знаний, умений, навыков и психолого-индивидуальных свойств
посредством получения образования;
- оптимизировать процессы, выявив среди них дублирующие или малоэффективные,
скорректировав действующие процессы по критерию производительности и ресурсоемкости, распределив ответственность и полномочия между руководителями и сотрудниками
подразделений;
- определить индикаторы, позволяющие персоналу, руководителям вуза и всем заинтересованным лицам объективно оценивать результативность и эффективность процессов.
Процессная модель подготовки специалиста может визуализироваться на основе использования стандарта IDEF0 и представляет собой систему иерархически взаимосвязанных
SADT-диаграмм в виде древовидной структуры [5]. IDEF0 применяется для создания функциональной модели, отображающей структуру и функции системы, а также протекающие в
ней потоки информации и материальных объектов. Одной из задач IDEF0-методологии является описание двух типов моделей объекта: реального и эталонного, - что необходимо для реинжиниринга процессов, определяющих подготовку специалистов.
Графическая визуализация процесса значительно упорядочивает его описание и способствует созданию целостной картины исследуемых функций, чего трудно добиться вербальными средствами. Каждая описываемая система содержит контекстную диаграмму
верхнего уровня, состоящую из одного блока, стрелок и информации, отображающих
связь рассматриваемого объекта с внешней средой. Пример контекстной модели подготовки специалиста в области менеджмента качества приведен на рис.1.
На вход контекстной модели подготовки специалиста в области менеджмента качества подается ресурс, подвергаемый преобразованию и представленный в двух видах:
- информацией об элементах образовательной программы специальности (форма
обучения; учебная нагрузка; учебные элементы (знания, умения, навыки и способности),
которые должны быть освоены в данной образовательной программе), тенденциях развития рынка труда, требованиях потребителей, результатах вступительных испытаний;
- студентом, обладающим исходной подготовкой.
Образовательные услуги осуществляются на трехуровневом интегрированном рынке, потребителями которого являются:
- на макрорынке (государственном рынке образовательных услуг) – государство, заинтересованное в повышении образовательного уровня его граждан, что рассматривается
как гарант его конкурентоспособности на международном уровне;
- на мезорынке (рынке трудовых ресурсов) – работодатели, нуждающиеся в компетентных специалистах, способных демонстрировать высокий уровень профессиональной мобильности и адаптивности;
- на микрорынке (рынке профилирующих вузов) – студенты (абитуриенты и их родители), стремящиеся увеличить свой профессиональный и социальный потенциал, позволяющий им быть востребованными на рынке труда.
На выходе контекстная модель демонстрирует результаты процесса, представленные: дипломированным специалистом, отвечающим требованиям всех заинтересованных
сторон; отчисленным из вуза студентом, не соответствующим запросам и ожиданиям,
предъявляемым потребителями к специалисту исследуемого профиля; не поступившим в
вуз абитуриентом, уровень подготовки которого не отвечает требованиям к исходной подготовке потенциального студента исследуемой специальности.
123
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 1. Информационная модель формирования специалиста в области менеджмента качества (А0)
Вестник Брянского государственного технического университета. 2009. № 4 (24)
124
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2009. № 4 (24)
Процесс по подготовке специалиста в области менеджмента качества развивается в
установленных границах, которые определяются управляющими директивами (стратегией
государства в области образования; международными стандартами ИСО 9000:2000;
«Стандартами и директивами ENQA», разработанными Европейской ассоциацией гарантий качества в высшем образовании (ENQA – European Network for Quality Assurance in
Higher Education) [6]; инструментами и методами QFD [7]; приказами и распоряжениями
руководства вуза) и ресурсным обеспечением (службой маркетинга; факультетом довузовской подготовки; информационными, финансовыми, материально-техническими, человеческими ресурсами; учебно-методическим управлением; деканатом; кафедрой; студенческим советом).
Процессы в организации подвергаются воздействию на двух уровнях управления [8]:
- микроуправление, т.е. управление процессами, в которые вовлечены отдельные
подразделения организации, где четко идентифицированы ключевые показатели и распределена ответственность за отдельные подпроцессы, как правило, с учетом функционального подхода (например, процессом «Маркетинг специалиста в области менеджмента качества» управляет служба маркетинга; руководителем процесса является начальник службы маркетинга);
- макроуправление, т.е. управление процессами, в которых задействованы несколько
подразделений или функциональных служб, где идентифицированы ключевые показатели
с учетом конечных целей организации и распределена ответственность за процессы без
ориентации на функциональные границы, что обусловлено не только сложностью самих
процессов, но и отсутствием в большинстве организаций конкретных лиц, отвечающих за
их эффективность (например, процесс «Формирование специалиста в области менеджмента качества» требует участия целого ряда подразделений: кафедр, деканата, учебнометодического управления и т.д.).
Ответственными за процессы в модели подготовки специалиста в области менеджмента качества являются руководители заявленных подразделений (заведующий кафедрой, декан факультета, начальник учебно-методического управления и т.д.). Они должны
в соответствии со стандартами ИСО 9001:2000 [1]: 1) определять процессы, необходимые
для системы менеджмента качества, и их применение во всей организации; 2) определять
последовательность и взаимодействие этих процессов; 3) определять критерии и методы,
необходимые для обеспечения результативности как при осуществлении, так и при управлении этими процессами; 4) обеспечивать наличие ресурсов и информации, необходимых
для поддержки этих процессов и их мониторинга; 5) осуществлять мониторинг, измерение
и анализ этих процессов; 6) принимать меры, необходимые для достижения запланированных результатов и постоянного улучшения этих процессов.
Контекстная модель позволяет получить информацию об интерфейсах лишь одного
блока рассматриваемого процесса. С целью детализации информации о сущности процесса подготовки специалиста в области менеджмента качества предлагается декомпозиция
контекстной диаграммы на основные подпроцессы путем создания дочерних диаграмм.
Пример дочерней диаграммы подготовки специалиста в области менеджмента качества
(А0) приведен на рис.2. Диаграмма данного процесса состоит из четырех взаимосвязанных и взаимодействующих подпроцессов: маркетинг специалиста в области менеджмента
качества, проектирование и планирование подготовки специалиста в области менеджмента качества, подготовка специалиста в области менеджмента качества, мониторинг и контроль подготовки специалиста в области менеджмента качества.
В свою очередь, каждый из блоков диаграммы А0 подвергается декомпозиции до тех
пор, пока не будут достигнуты поставленные цели, в частности представлена с заданной
степенью точности картина развертывания процесса подготовки специалиста исследуемого профиля. На рис.3 и 4 проиллюстрирована декомпозиция блока А1 - «Маркетинг специалиста в области менеджмента качества».
Полное структурирование данного блока дает ответы на вопросы:
125
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 2. Функциональная модель формирования специалиста в области менеджмента качества (А0)
Вестник Брянского государственного технического университета. 2009. № 4 (24)
126
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 3. Функциональная модель маркетинга специалиста в области менеджмента качества (А1)
Вестник Брянского государственного технического университета. 2009. № 4 (24)
127
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 4. Функциональная модель маркетинга образовательных услуг по подготовке специалиста в области менеджмента качества (А11)
Вестник Брянского государственного технического университета. 2009. № 4 (24)
128
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2009. № 4 (24)
- «что?» (предназначение подпроцесса в контексте решения задачи подготовки специалиста в области менеджмента качества) – изучение трехуровневого интегрированного
рынка образовательных услуг с целью идентификации потребителей и заинтересованных
сторон, выявления их требований и ожиданий, а также прогнозирования потенциала рынка и темпов его роста;
- «для чего?» (цель подпроцесса, выраженная в показателях и индикаторах его результатов) – разработка моделей специалиста и абитуриента исследуемого профиля, отвечающих требованиям потребителей и заинтересованных сторон, а также формирование профориентационных стратегий, направленных на профессиональное мотивирование абитуриентов и профессиональное консультирование родителей абитуриентов и работодателей;
- «кто?» (руководитель подпроцесса, отвечающий за его стабильность и эффективность) – назначение руководителями подпроцесса начальника службы маркетинга и декана факультета довузовской подготовки;
- «где?» (пространственная идентификация подпроцесса) – определение места функционирования подпроцесса (служба маркетинга, факультет довузовской подготовки,
предприятия и организации, включая школы и сузы);
- «когда?» (временная идентификация подпроцесса) – установление периода функционирования подпроцесса (в течение календарного года).
Эти вопросы являются основополагающими при разработке модели процессов. Если
модель не отвечает на поставленные вопросы или ее ответы недостаточно точны, то, значит, цель разработки процесса не достигнута. В обратном случае участники процесса получают целостное представление о нем и распределяют ответственность и полномочия по
его регулированию.
Один из основоположников менеджмента качества Э. Деминг, уделяя особое внимание управлению организацией с позиций процессного подхода, отмечал, что если работник не в состоянии представить свою деятельность в виде процесса, то он не знает, что
делает [9]. Эти слова звучат сегодня как никогда актуально, побуждая высшие учебные
заведения организовывать подготовку специалистов с позиций процессноориентированного управления. В связи с этим разработка модели подготовки специалиста
исследуемого профиля на основе процессного подхода представляется исключительно
важной для повышения качества выпускников вуза и конкурентоспособности учебного
заведения на рынке образовательных услуг.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. ГОСТ Р ИСО 9001-2001. Системы менеджмента качества. Требования.
2. ГОСТ Р ИСО 9004-2001. Системы менеджмента качества. Рекомендации по улучшению деятельности.
3. Горленко, О.А. Процессный подход к менеджменту качества / О.А. Горленко, И.Г. Манкевич; под ред.
О.А. Горленко. – Брянск: БГТУ, 2008. – 168 с.
4. ГОСТ Р ИСО 9000-2001. Системы менеджмента качества. Основные положения и словарь.
5. Рекомендации по стандартизации Р50.1.028-2001. Информационные технологии поддержки жизненного
цикла продукции. Методология функционального моделирования.
6. Азарьева, В.В. Методические рекомендации по внедрению типовой модели системы качества образовательного учреждения / В.В. Азарьева, В.И. Круглов, В.С. Соболев [и др.]. - СПб.: Изд-во СПбГЭТУ,
2006. – 408 с.
7. Брагин, Ю.В. Путь QFD: проектирование и производство продукции исходя из ожиданий потребителей /
Ю.В. Брагин, В.Ф. Корольков. – Ярославль: Центр качества, 2003. – 240 с.
8. Харрингтон, Дж. Совершенство управления процессами / Дж. Харрингтон; пер. с англ. А.Л. Раскина; под
науч. ред. В.В. Брагина. – М.: Стандарты и качество, 2007. – 192 с.
9. Деминг, Э. Выход из кризиса / Э. Деминг; под ред. Г. Чебрикова. – Тверь: Альба, 1994. – 496 с.
Материал поступил в редколлегию 8.06.09.
129
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2009. № 4 (24)
СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРАХ
Антоненков Дмитрий Александрович, ст. лаборант кафедры «Триботехнология» БГТУ, тел.: (4832) 58-82-79.
Бабин Александр Павлович, к.т.н., доцент кафедры «Информатика и программное обеспечение» БГТУ , тел.: (4832) 56-09-84.
Бишутин Сергей Геннадьевич, д.т.н., профессор кафедры «Триботехнология» УНТИ БГТУ, тел.: (4832) 58-82-79.
Бормотов Алексей Николаевич, к.т.н., доцент кафедры «Теоретическая и
прикладная механика» ПГТА, г. Пенза, e-mail: alexborr@pgta.ru.
Булатицкий Дмитрий Иванович, ст. преподаватель кафедры «Информатика и программное обеспечение» БГТУ, e-mail:
bulatizkydi@mail.ru.
Грядунов Сергей Семенович, к.т.н., доцент кафедры «Оборудование лесного комплекса и технический сервис» БГИТА, г. Брянск, тел.: (4832) 64-60-73.
Зернин Михаил Викторович, к.т.н., доцент кафедры «Динамика и прочность машин» БГТУ, тел.: (4832) 56-08-10.
Клочков Алексей Владимирович, ассистент кафедры «Тепловые двигатели» БГТУ, тел.: (4832) 56-08-01.
Коновалова Галина Ильинична, к.э.н., доцент кафедры «Экономика, организация производства, управление» БГТУ, тел.: (4832) 28-09-73.
Коростелев Дмитрий Александрович, ассистент кафедры «Информатика и
программное обеспечение» БГТУ, тел.: (4832) 56-09-84; e-mail: hassel@bkstv.ru.
Корытов Михаил Сергеевич, к.т.н., доцент кафедры «Конструкционные материалы и специальные технологии» СибАДИ, е-mail: kms142@mail.ru
Кульбовский Иван Кузьмич, д.т.н., профессор кафедры «Машины и технология литейного производства» БГТУ, тел.: (4832) 58-82-18.
Лагерев Дмитрий Григорьевич, к.т.н., доцент кафедры «Информатика и
программное обеспечение» БГТУ, тел.: (4832) 56-09-84; e-mail:
lagerevdg@mail.ru.
Лагерев Игорь Александрович,
аспирант кафедры
«Подъемнотранспортные машины и оборудование» БГТУ, тел.: (4832) 58-83-55.
Левый Дмитрий Владимирович, к.т.н., доцент кафедры «Металлорежущие
станки и инструменты» БГТУ, тел.: (4832) 58-22-89.
Логвинов Владимир Николаевич, ст. лаборант кафедры «Триботехнология» БГТУ, тел.: (4832) 58-82-79.
Лозбинев Фёдор Юрьевич, д.т.н., профессор, зав. кафедрой «Математика
и информационные технологии» Брянского филиала ОРАГС, е-mail:
dpts@bryanskobl.ru.
Матлахов Виталий Павлович, к.т.н., доцент кафедры «Триботехнология»
УНТИ БГТУ. тел.: (4832) 28-00-14.
Мирошников Вячеслав Васильевич, д.т.н., профессор кафедры «Управление качеством, стандартизация и метрология» БГТУ, тел.: (4832) 58-82-35.
130
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2009. № 4 (24)
Обозов Александр Алексеевич, к. т.н., доцент кафедры «Тепловые двигатели» БГТУ, тел.: (4832) 56-08-01.
Обозов Роман Александрович, аспирант кафедры «Экономика и менеджмент» БГТУ, тел.: (4832) 58-82-24.
Осмаковская Екатерина Валерьевна, гл. специалист отдела информационных технологий департамента промышленности, транспорта и связи Брянской области, е-mail: dpts@bryanskobl.ru.
Памфилов Евгений Анатольевич, д.т.н., профессор кафедры «Оборудование лесного комплекса и технический сервис» БГИТА, г. Брянск, e-mail:
pamfilov@bgita.ru pamfilov@oscfo.ru.
Парфёнов Николай Сергеевич, инженер ООО «Промбезопасность»,
e-mail: parfnic@mail.ru .
Петрешин Дмитрий Иванович, к.т.н., доцент кафедры «Автоматизированные технологические системы» БГТУ, тел.: 58-82-78.
Пилюшина Галина Анатольевна, к.т.н., доцент кафедры «Технология конструкционных материалов и ремонт машин» БГИТА, г. Брянск, e-mail:
pamfilov@bgita.ru pamfilov@oscfo.ru.
Подвесовский Александр Георгиевич, к.т.н., доцент, зав. кафедрой «Информатика и программное обеспечение» БГТУ, e-mail: apodv@mail.ru.
Прошин Иван Александрович, д.т.н., профессор кафедры «Автоматизация
и управление» ПГТА, г. Пенза, e-mail: proshin@pgta.ru.
Рогалев Владимир Владимирович, к.т.н., доцент, зав. кафедрой «Тепловые
двигатели» БГТУ, тел.: (4832) 56-08-01.
Рощина Надежда Михайловна, гл. специалист отдела информационных
технологий департамента промышленности, транспорта и связи Брянской области, е-mail: dpts@bryanskobl.ru.
Скляр Елена Николаевна, к.э.н., доцент кафедры «Экономика и менеджмент» БГТУ, тел.: (4832) 56-88-52.
Туркин Сергей Александрович, аспирант кафедры «Машины и технология
литейного производства» БГТУ, тел.: (4832) 58-82-18.
Тюльпинова Нина Владимировна, к.т.н., доцент кафедры «Технология
машиностроения» УНТИ БГТУ, тел.: (4832) 58-82-20.
Федонин Олег Николаевич, д.т.н., профессор, зав. кафедрой «Автоматизированные технологические системы» УНТИ БГТУ, тел.: (4832) 58-22-78.
Швыгова Карина Владимировна, специалист 1-го разряда отдела урегулирования задолженности и обеспечения процедур банкротства УФНС РФ по
Брянской области, тел.: (4832) 56-88-52.
Шупиков Игорь Леонидович, аспирант кафедры «Триботехнология» УНТИ БГТУ, тел.: 8-910-232-43-71.
Щербаков Виталий Сергеевич, д.т.н., профессор СибАДИ, е-mail:
kms142@mail.ru.
131
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2009. № 4 (24)
Abstracts
Bishutin S.G. Increase of durability of details of pairs friction at finishing to abrasive processing. The methodological approach to a choice of rational conditions and modes of finishing
abrasive processing for increase of durability of details of pairs friction is described. The basic
conditions of formation of a structurally-phase condition of superficial layers are certain at abrasive processing.
Key words: durability of details, finishing abrasive processing, thermal and power influences, a
structurally-phase condition, a superficial layer.
Shupikov I.L. Research of process shaping quality stretched of cylindrical surfaces at petal
grinding. Results of researches shaping of high-rise and step-by-step parametres of quality surfaces details treated by petal circles are presented under various conditions of grinding.
Key words: petal grinding, the grinding equipment, quality of a surface, factorial experiment, an
analysis of variance, mathematical model.
Fedonin O.N., Levyj D.V. Featur es of machining by cutting of br ittle mater ials. Features of
destruction of a material and formation of a roughness in the course of machining of brittle materials are observed. The theoretical equations of interconnection of conditions of machining with
parametres of quality of the surface are presented, allowing to provide on details a necessary
roughness.
Key wor ds: machining by cutting, roughness formation, a brittle material.
Tulpinova N.V. The program module for estimation of thermal influence on surface layer
during abrasive processing. The algorithm of calculating of heat separation during grinding,
the algorithm of definition period of stability of abrasive disk on criterion of absence of thermal
defects and the interface of software, which was based on these algorithms, are presented.
Key wor ds: grinding, temperature, stability of tool, program module.
Kulbovskiy I.K., Turkin D.A. Research of temperature napryazheniy and deformations in
cast-iron kokilyakh for making of otlivok of growing shallow balls. Thermal tensions and
deformations, arising up in metallic forms from cast-iron at making in them of foundings of
grindings balls, are probed. Basic factors, resulting in destruction of kokiley during exploitation,
are considered. Dany of recommendation on the increase of their operating firmness.
Keywords: cast-iron, founding, kokil', firmness, deformation.
Bormotov A.N., Proshin I.A. Multicriteria synthesis of extra-heavy composite. Composite
materials of special purpose are represented as complex technical systems. The new approach to
multicriteria synthesis of composite materials as to a task of management. On the basis of such
approach optimization of properties and structures of the composite materials having increased
protective properties from influence ionizing radiations is carried out.
Key words: mathematical modelling, quality management, multicriteria synthesis, composite
materials, structurization, optimization of structure and properties.
Pamfilov E.A., Gryadunov S.S., Pilushina G.A. Methodical bases of the estimation of
working capacity working bodies of building and road machines. Questions of an estimation
of working capacity of details of working bodies of building and road machines in the conditions
of abrasive wear process and action of low temperatures are considered. Are resulted methodology and designs of test technics for research of abrasive wear process in various conditions of
loading and temperature influence.
Key words: working capacity, building machines, road machines, wear process, a friction, an
abrasive surface, bench tests.
Parfyonov N. S. Study to toughness of the steel lattice framework with defect of the dent.
Presented results of studying of a tension of rods of metal farms with defect of an indent.
Key words: steel lattice framework, defect of the dent, bearing ability.
Shcerbakov V.S., Korytov M.S. Search for optimal trajectory of cargo, truck cranes moved
in an environment with arbitrary obstacles, given the coordinates of the angular orienta132
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2009. № 4 (24)
tion in three-dimensional space. A method for solving the problem of finding the optimal trajectory of the truck crane cargo moved by road in an environment with arbitrary obstacles into
account of the angular orientation coordinates in three-dimensional space.
Key words: truck crane, obstacles, the shortest trajectory, trajectory searching, the coordinates
of the angular orientation.
Matlakhov V.P., Antonenkov D.A, Logvinov V.N. Modernization of the machine of friction
mи-1m for the reason test the details of the machines and mechanism in condition of the
oiling abrasive-oil mixture. Developed and made equipment on the basis of the serial test machine of the friction MI1-M for realization of tests outer surfaces of friction in conditions of
greasing with addition of abrasive particles is submitted.
Key words: tribotechnical tests, the machine of friction, abrasive- oleaginous mixture, abrasive
particles.
M.V. Zernin, A.P. Babin. New iteration algorithm for finite element solution of different
kinds of nonlinearity. A new iteration algorithm for FEM resulting in nonlinear equations of all
kinds is described. The algorithm is a combination of two existent algorithms and gives an opportunity to use one of them depending on their convergence ability in an iteration procedure.
Key words: finite elements method, nonlinear resolution equations, iteration algorithm, assurance of convergence.
Lagerev I.A. Simulation of a bridge crane metal construction loading parameters. A
metodic of bridge crane metal construction loading parameters simulation is under consideration.
This methodic was applied for real bridge cranes.
Key words: bridge crane, stress loading, force loading, loading factors, simulation.
Rogalev V.V., Obozov A.A., Klochkov A.V. Research of process of compression in
vysokoforsirovannom ship malooborotnom diesel. The results of experimental researches of
process of compression in the cylinders of ship malo-oborotnogo diesel of 6dkrn 50/200-14 are
presented.
Key words: malooborotnyy diesel, process of compression, index of politropy compression.
Podvesovskiy A.G., Lagerev D.G., Korostelyov D.A. Application of fuzzy cognitive models
for alternatives set generation in decision problems. The methodology for generation and selection of alternatives in decision problems is suggested. It is based on fuzzy cognitive map of
the managed system constructing, and the results of its static and dynamic analysis processing.
The architecture and functional specifications of the multi-user decision-support system, which
implements the above-mentioned methodology, are described.
Key words: decision making, alternative, fuzzy cognitive map, decision support system.
Lozbinev F.Y., Roshina N.M., Osmakovskaya E.V. Conditions and prospects of the development of information technologies in organs of government of Bryansk region. The results
of realization of the Targets Programm of informatization in 2008: the system project of the network of multi-service and its initial points, network control and system of video-connection are
broughted. The marketed components of software «electronic government» are presented. The
prospects of the development of the telecommunication infrastructure are considered.
Key words: informatization, telecommunication network, radio-access, video-connection, «electronic government», software, information safety.
Petreshin D.I. Structure of the software of self-learning adaptive technological system. The
self-learning adaptive technological system of maintenance of the given quality of a superficial
layer of details of machines is considered at machining and structure of the software of system.
The structure of interaction of the base software and the software of the hardware of system is
resulted. Program modules of the base software and assignment of the software of the hardware
of system are described.
Key word: self-learning adaptive technological system, the software, mathematical model,
quality of a surface.
133
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2009. № 4 (24)
Miroshnikov V.V., Bulatitskiy D.I. Ontological modeling for knowledge-based system
in quality management. The development of ontological model of application domain for
Knowledge-Based System (KBS) in Quality Management is examined. The offered hierarchy of
ontologies allows to optimize the process of KBS introduction on various enterprises. The model
of an ontological concept and the algorithm for detection of new concepts and relations, based on
the knowledge warehouse, are described.
Key words: quality, quality management, ontology, knowledge management.
Sklar E.N., Shvygova K.V. Theoretical principles of social responsibility industrial enterprises restructuring in crisis. The theoretical aspects of management of social re-structuring at
the industrial enterprise are considered.
Key words: social re-structuring, management of the industrial enterprise, the mechanism of restructuring, increase of a management efficiency.
Konovalova G.I.
Activity of the enterprises in market conditions and approaches to
creation of the balanced control system. The model of operation of business which provides
integration of strategic targets, processes and placing of resources is described.
Key words: system, management, model, strategy, the enterprise, schedules.
Obozov R.A. The application of internal rate of return indicator when estimating the risks
of the projects with non-standart cash flows. The application of the internal rate of return indicator is described. Basic aspects of analisys of investments via IRR are revealed. The sequence
of analysis is described. Fundamental characteristics are given to each of the methods. The comparison of methods according to the principles of simplicity of application, informativeness, objectivity and authenticity is carried out.
Key words: investment project, internal rate of return, net present value, cash-flows, the
weighted average cost of capital.
Gorlenko O. A., Mozhaeva T. P. Development of a model of training a technician at a
technical university on the basis of process approach. In this article the problem of forming a
technician meeting the requirements of the labor market on the basis of process approach at a
technical university is considered. The authors propose a process model of training of a technician in field of quality management that will permit to meet the requirements and come up to expectations of all the parties concerned at the design stage of educational programs.
Key words: process approach, process, microprocess, macroprocess, contextual chart, daughter
chart.
134
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа