close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

287.Вестник Брянского государственного технического университета №2 2008

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
№2 (18) 2008
Журнал рекомендован экспертными советами ВАК для опубликования научных результатов диссертаций по машиностроению
(докторских, кандидатских) и управлению, вычислительной технике и информатике (кандидатских)
Учредитель – Государственное
образовательное учреждение
высшего профессионального
образования «Брянский
государственный технический
университет»
Редакционная коллегия:
Главный редактор
А.В.Лагерев
Зам. гл. редактора
С.П.Сазонов
Отв. секретарь
В.А.Татаринцев
Члены редколлегии
В.И.Аверченков
В.Т.Буглаев
О.А.Горленко
Д.В.Ерохин
Б.Г.Кеглин
В.В.Кобищанов
Т.И.Королева
В.И.Попков
А.Ф.Степанищев
А.Г.Суслов
Свидетельство о регистрации
Федеральной службы по надзору
за соблюдением законодательства
в сфере массовых коммуникаций
и охране культурного наследия
ПИ № ФС77-21709 от 17. 08. 05
Адрес редакции:
241035, г. Брянск, бульвар
50-летия Октября, 7
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, 2008
СОДЕРЖАНИЕ НОМЕРА
Технология, инструменты и оборудование
машиностроительных производств
Кульбовский И.К., Поддубный А.Н., Богданов
Р.А. Влияние наследственности шихты на формирование центров кристаллизации графита в расплаве
промышленного чугуна……………………………….
Краснятов Д.С. Разработка новой литниковой системы для отливки «Гильза цилиндра» тепловозного
дизеля Д 100……………………………………………
Кульбовский И.К., Карелин С.В., Илюшкин Д.А.
Компьютерное моделирование процесса кристаллизации массивных отливок втулок цилиндров судовых дизелей…………………………………………….
Иващенков Ю.М., Солдатов В.Г. Связь технологических параметров изготовления стальных отливок с их эксплуатационными характеристиками……
Кульбовский И.К., Карелин С.В., Попов Е.В.,
Туркин Д.А. Компьютерное моделирование процессов затвердевания и охлаждения массивных отливок из чугуна в литейной форме…………………..
Кульбовский И.К., Карелин С.В., Туркин Д.А.
Разработка технологического процесса изготовления отливки втулки судового дизеля ДБ 14 центробежным литьем………………………………………...
Матлахов В.П. Повышение износостойкости цилиндрических поверхностей трения на основе сочетания методов нанесения нитрид-титановых покрытий и электрохимической обработки…………………
Бишутин С.Г., Бишутин Г.А., Карпенков А.И.
Сила трения при контактировании цилиндрических
стальных и полиуретановых деталей…………………
5
12
16
20
23
27
32
39
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2008. № 2(18)
Ерохин В.В., Моисеев В.В. Виброустойчивость поводковых центров……………….
Прудников М.И. Метод триботехнических испытаний цилиндрических поверхностей трения…………………………………………………………………………………
Транспортное машиностроение
Лагерев А.В., Лагерев И.А. Оптимальное проектирование валов барабанов грузоподъемных кранов мостового типа на основе моделирования усталостного отказа…
Горшунова В.П., Цветкова Т.Н. Кинетические особенности окисления молибдена
и вольфрама в атмосфере воздуха на начальных стадиях процесса…………………..
Кондратович В.В., Тихомиров В.П., Стриженок А.Г. Влияние состава металлокерамического сплава на триботехнические характеристики фрикционной муфты
электропривода стрелочного перевода………………………………………………….
Энергетическое машиностроение
Кириллов А.И., Зайцев Д.К., Смирнов Е.М., Галаев С.А. Опыт тестовых и параметрических расчетов турбулентного течения через трансзвуковые турбинные решетки……………………………………………………………………………………..
Буглаев В.Т., Карташов А.Л., Перевезенцев В.Т. Обоснование целесообразности
использования сотовых концевых уплотнений для валов роторов мощных турбин
атомных электрических станций (АЭС)…………………………………………………
Гоголев И.Г., Дроконов А.М., Голушко А.Н., Николаев А.Д. Метод определения
осевого усилия на ротор турбомашины с использованием экспериментальных данных………………………………………………………………………………………….
Математическое моделирование и информационные технологии
Порошин В.В., Богомолов Д.Ю., Сыромятникова А.А. Математическая модель
течения рабочей среды в подвижных металл-металлических соединениях с учетом
трехмерной топографии рабочих поверхностей………………………………………..
Мартыненко А.А., Шкаберин В.А. Применение онтологического подхода для
реализации системы интеллектуального поиска в области CALS-,CAD-,CAM-,CAEтехнологий…………………………………………………………………………………
Аверченков В.И., Чмыхов Д.В. Метод компьютерной реконструкции рельефа поверхности интерпретацией сфокусированности изображений……………………….
Михайлов В.Н., Краснятов Д.С. Применение компьютерного моделирования
стальной отливки «Рама боковая» с целью выявления литейных дефектов………….
Экономика, организация и управление производством
Грачева Н.В. Системный подход к построению модели макрорегулирования инновационно-инвестиционного и общесоциального развития……………………………
Швыгова К.В., Скляр Е.Н. Теоретические аспекты управления социальной реструктуризацией промышленного предприятия………………………………………….
Образование
Аверченков В.И., Малахов Ю.А. Формирование у студентов инженерных специальностей компетенций в области охраны интеллектуальной собственности……...
Сякина Г.Е. Формирование познавательных способностей студентов средствами
физического воспитания………………………………………………………………….
Воронцова Ю.А. Методика преподавания последовательного перевода с иностранного (английского) языка………………………………………………………………….
Ревеко Л.С. Аббревиация как путь создания лексических инноваций в терминологии металлообработки…………………………………………………………………….
Андросенко В.А., Квитко Е.В. Четырехкратные интегралы, представимые в виде
линейных форм от значений дзета-функции Римана…………………………………..
44
48
57
66
69
72
82
88
97
103
111
117
119
127
132
139
145
151
155
Abstracts…………………………………………………………………………………...
159
Сведения об авторах……………………………………………………………………..
162
2
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2008. № 2(18)
CONTENTS
Technology, tools and equipment of mechanical engineering factories
Kulbovsky I.K., Poddubny A.N., Bogdanov R.A. Influence of heredity сharge (blend,
mixture) on formation of the centers of crystallization of graphite in melt industrial pigiron…………………………………………………………………………………………..
Krasnyatov D.S. Creating of a new gating of casting «the sleeve of the cylinder» for diesel engine d100…………………………………………………………………………….
Kulbovsky I.K., Karelin S.V., Ilushkin D.A. Computer simulation of crystallization
process of massive castings of sleeves of ship diesel engines cylinders……………………
Ivashchenkov J.M., Soldatov V.G. Link of technological parameters of steel castings
manufacture with their operating performances…………………………………………….
Kulbovsky I.K., Karelin S.V., Popov E.V., Turkin D.A. Computer modelling of processes of cristalling and cooling massive cast from cast-iron in the foundry form………
Kulbovsky I.K., Karelin S.V., Turkin D.A. Working out of new technological process of
manufacturing by centrifugal moulding of casting of a ship diesel engine cylinder liner
DB14………………………………………………………………………………………..
Matlakhov V.P. Increase of wear resistance of cylindrical surfaces of friction on the basis the combination methods of drawing nitride - titanic coatings and electromechanical
processing………………………………………………………………………………….
Bishutin S.G., Bishutin G.A., Karpenkov A.I. Force of friction in contact of cylindrical
steel and plastic details……………………………………………………………………...
Erohin V.V., Moiseev V.V. Warpage’s center chatter stability……………………………
Prudnikov M.I. Method of tribotechnical tests of cylindrical sliding surfaces.
5
12
16
20
23
27
32
39
44
48
Transport mechanical engineering
Lagerev A.V., Lagerev I.A. An optimum design of the common crane roll shaft based on
simulation of fatigue fault…………………………………………………………………...
Gorshunova V.P., Tsvetkova T.N. Kinetic features of oxidation of molybdenum and
tungsten in the atmosphere of air at initial stages of process……………………………….
Kondratovich V.V., Tikhomirov V.P., Strizhenok A.G. Influence of structure of a ceramic-metal alloy on tribological characteristics frictional coupling the electric drive for
slide shift of the rails………………………………………………………………………..
57
66
69
Energetic mechanical engineering
Kirillov A. I., Zaitsev D. K., Smirnov E. M., Galaev S. A. Experience of test and parametric computations of turbulent transonic flows through turbine blade rows………...
Buglaev V. T., Kartashov A. L., Perevezentsev V. T. Basis of final honeycomb seals
usage and advisability on nuclear power-station high-powered turbines shaft…………….
Gogolev I.G., Drokonov A.M., Galushko A.N., Nikolaev A.D. Turbine rotor axial pressure calculation using the experimental data………………………………………………..
72
82
88
Information technologies
Poroshin V.V., Bogomolov D.Yu., Siromyatnikova A.A. A mathematical model of
working fluid flow in moving metal-metal seals taking into account the 3d surface’s topography……………………………………………………………………………………
Martynenko A. A., Shkaberin V. A. Use of ontological approach to the intellectual
search system realization in the sphere of cals-, cad-, cam-, cae- technologies…………….
Averchenkov V. I., Chmihov D. V. Method of surface relief computer reconstruction by
image definition interpretation…………………………………………………………….
3
97
103
111
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2008. № 2(18)
Mikhaylov V.N., Krasnyatov D.S. Application of computer modelling of steel casting "a
frame lateral" for the purpose of revealing of foundry defects………………………………
117
Economics, organizing find running the enterprise
Gracheva N.V. Systematical approach to the construction of macro-regulation model of
innovation investment and general social development…………………………………….
Shvugova K.B., Sklyar E.N. Innovative approach to management social restructuring
on industrial enterprise……………………………………………………………………...
119
127
Education
Averchenkov V.I., Malachov Y.A. The Forming of competences in the area of the intellectual property’s protection by students of engineering specialities……………………….
Syakina G.E. Forming of students’ knowledgeable abilities by the means of physical education……………………………………………………………………………………
Vorontsova Yu.A. Methods of teaching consecutive translation from foreign language
(english)……………………………………………………………………………………..
Reveko L.S. Abbreviation as the way of generating lexical innovations in the terminology
of metal-working……………………………………………………………………………
Androsenko V. A., Kvitko E. V. On fourfold integrals represented as linear forms for the
values of the Riemann zeta – function………………………………………………………
Abstracts …………………………………………………………………………………...
4
132
139
145
151
155
159
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2008. № 2(18)
ТЕХНОЛОГИЯ, ИНСТРУМЕНТЫ И ОБОРУДОВАНИЕ
МАШИНОСТРОИТЕЛЬНЫХ ПРОИЗВОДСТВ
УДК 621.74: 669.15
И.К. Кульбовский, А.Н. Поддубный, Р.А. Богданов
ВЛИЯНИЕ НАСЛЕДСТВЕННОСТИ ШИХТЫ НА ФОРМИРОВАНИЕ ЦЕНТРОВ
КРИСТАЛЛИЗАЦИИ ГРАФИТА В РАСПЛАВЕ ПРОМЫШЛЕННОГО ЧУГУНА
Исследовано образование центров кристаллизации графита в расплаве промышленного чугуна разного химического состава, выплавленного из разной шихты, методом локального микрорентгеноспектрального анализа (МРА).
Ключевые слова: наследственность шихты; центры кристаллизации; графит; микрорентгеноспектральный
анализ.
Согласно литературным данным [1], в качестве возможных центров гетерогенного
образования зародышей графита в расплаве чугуна могут выступать два вида находящихся в нём неметаллических включений (НМВ): сульфиды и оксисиликаты в виде простых
или сложных соединений, образование которых термодинамически возможно в ходе выплавки, выдержки или обработки модификаторами промышленных чугунов. Исследования [1] утверждают, что способность сульфидов служить центрами образования зародышей графита может быть усилена за счет свойства основных элементов-модификаторов
преобразовывать сульфиды марганца в сложные сульфиды (Mn,X)S (Х = Са, РЗМ, Sr, Ba).
Они, по мнению Т. Скаланда, имеют сходство кристаллической решетки с решеткой графита, обладают при этом низкой склонностью к коагуляции, высокой стабильностью и
благоприятным соотношением величин межфазной энергии между ними и расплавом.
Однако количество включений графита в закристаллизовавшемся промышленном
чугуне на порядок выше, чем найденное [1] содержание в нём сульфидов, что ставит под
сомнение их роль в качестве возможных центров кристаллизации (ЦК) графита (Г). При
рентгеноструктурном исследовании расплавов промышленного чугуна различного химического состава и его выдержке в течение длительного времени в них обнаруживаются
линии Г (рис. 1) [6–8]. Можно предположить, что они и являются ЦК Г, так как обладают
той же кристаллической решёткой, что и Г.
Исследования [1] с применением сканирующего электронного микроскопа и методом электронно-зондового микроанализа показали, что различные НМВ размерами около
1 мкм во включениях пластинчатого графита (ПГ) и шаровидного графита (ШГ) представляют собой сложные оксисульфиды, содержащие Mg, Si, Ca, S, Al, Fe, Mn, O и другие
элементы. Из данных этих исследований видно, что сложные оксисульфиды располагаются по всему объёму включений Г, ввиду чего они не могут однозначно приниматься в качестве ЦК Г.
С целью установления наличия неметаллических включений, которые могли бы
служить ЦК Г, а также других элементов, кроме углерода, провели исследования содержания элементов в структурных составляющих различных типов промышленного чугуна
различного химического состава методом локального микрорентгеноспектрального анализа (МРА) на микроанализаторе «Камека» и путём химического анализа.
Опытные плавки чугуна проводились в индукционной печи. В качестве исходных
шихтовых материалов использовались отходы стального лома (Ст.3, сталь 20), возврат
собственного производства и науглероживатель. Контроль температурных режимов проводился вольфраморениевыми термопарами. Для анализа структуры использовался оптический микроскоп «Неофот – 2» при увеличении от 100 до 2000 раз. Химический состав
5
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2008. № 2(18)
чугуна определяли эмиссионным спектрометром «Спектролаб М8» на специально отбеленных образцах с толщиной стенки 5 мм, взятых перед заливкой металла в форму.
Диаметр зонда на установке «Камека» составляет 2 мкм, что позволяет обнаружить и
НМВ таких же размеров. Размер подложек для гетерогенного зарождения ЦК Г составляет
1…5 мкм [6–8], поэтому они могут быть обнаружены во включениях Г методом МРА на
установке «Камека».
Рис. 1. Результаты рентгеноструктурного анализа Fe - С-сплавов: а – расплав чугуна [2–4];
б - аморфных плёнок из чугуна [3]; в,г - расплавов чугуна [5] (вертикальные линии - положения
координационных сфер кристаллов)
Таким образом, принятый в исследованиях метод МРА позволяет устанавливать наличие в чугуне НМВ размерами > 1 мкм, которые могли бы выступать в качестве ЦК Г, а
также определять содержание и распределение НМВ в структуре чугуна.
Результаты исследований получены в виде кривых интенсивности рассеивания
(КИР) рентгеновского излучения вдоль линий сканирования рентгеновского луча, пересекающего участки металлической матрицы длиной до 500 мкм и включения Г. Чувствительность метода устанавливали сопоставлением данных по содержанию Si, Mn и S в синтетическом бескремнистом чугуне, выплавленном из карбонильного Fe и чистого Г, и
синтетическом кремнистом чугуне, выплавленном из карбонильного Fe, чистого Г и Si.
6
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2008. № 2(18)
Исследовали распределение и содержание Si, Mn и S в структурных составляющих следующих типов синтетического чугуна: бескремнистого чугуна с пластинчатым графитом
(ЧПГ), выплавленного из карбонильного Fe и чистого Г (рис. 2); модифицированного лигатурой ЖКМК (железо–кремний–магний–кальций) чугуна с шаровидным графитом
(ЧШГ) (рис. 3); модифицированного силикокальцием (CaSi) и Al чугуна с вермикулярным
графитом (ЧВГ) с включениями ШГ (рис. 4); модифицированного силикобарием (BaSi) и
CaSi ЧВГ с включениями ШГ (рис. 5) и др.
Исследования показали, что на КИР рентгеновских лучей, характеризующих содержание и распределение Si, Mn, S в бескремнистом чугуне, на КИР Si α экстремумов нет, а
расположение их соответствует расположению КИР фона Si α (рис. 2). Это свидетельствует о том, что ни НМВ с высоким содержанием Si, ни Si в этом чугуне нет, что подтверждается и химическим анализом. В то же время на КИР Si α кремнистого чугуна (рис. 3)
имеется экстремум, характеризующий высокое содержание Si в НМВ, расположенном в
металлической матрице чугуна, а расположение её по отношению к КИР фона Si α указывает на содержание Si в этом чугуне на уровне, обнаруживаемом химическим анализом.
Это свидетельствует о том, что данный метод позволяет устанавливать наличие НМВ типа
SiO 2 в чугуне, а также определять содержание и распределение в нём Si.
Данные исследований более 1000 различных включений Г и НМВ и участков металлической матрицы разных по структуре и химическому составу чугунов показывают, что
содержание Si во включениях Г находится на уровне фона Si α , в то время как в металлической матрице и у поверхности различных включений Г обнаруживаются НМВ типа
SiО 2 с размерами > 1 мкм (рис. 3–5). Проведенные исследования свидетельствуют о том,
что во включениях Г отсутствуют НМВ SiО 2 с размерами > 1 мкм, которые обнаруживаются МРА, в противном случае они были бы обнаружены хотя бы в некоторых из исследованных в большом количестве включений Г, как это проявилось, например, в исследованных участках металлической матрицы. Следовательно, не НМВ типа SiО 2 являются
ЦК Г в расплаве промышленного чугуна.
Исследовали влияние содержания С и Si в виде отношения С/Si на структуру и свойства отливок из промышленного синтетического чугуна различного химического состава
(рис. 6). Увеличение значений С/Si, вызванное увеличением содержания С при малом изменении содержания Si, приводит к снижению σ В и НВ отливок. Это связано с увеличением количества графита на площади шлифа (%) S Г , которое может быть обусловлено ростом количества ЦК Г в расплаве под влиянием роста содержания С. Уменьшение же значения С/Si, вызванное резким повышением содержания Si при малом изменении содержания C, приводит к повышению σ В и НВ отливок, что связано с уменьшением значения S Г ,
которое может быть обусловлено уменьшением количества ЦК Г в расплаве. Это свидетельствует о том, что основную роль в образовании ЦК Г играет содержание С в расплаве
чугуна. Это должно отражаться и на протекании в расплаве чугуна физико – химических
процессов с участием С и Si. На это указывают и данные рис. 7 [9,10], отражающего влияние содержания С и Si в расплаве чугуна на температуру равновесия реакции восстановления Si из SiO 2 посредством С. Видно, что с ростом содержания С Т Si снижается, а при
С>2% относительное снижение её резко замедляется. Это свидетельствует об образовании
в расплаве чугуна при С>2% микровключений Г, в связи с чем относительная доля вступающих в реакцию атомов С уменьшается. Приведенные на рис. 7 значения Т Si подтверждаются экспериментальными исследованиями [9,10] по замеру Т расплава чугуна, при
которой с его поверхности исчезает окисная плёнка, содержащая свыше 70% SiO 2 , что
свидетельствует об активизации реакции восстановления SiO 2 посредством С.
Таким образом, с ростом содержания С в Fe – C – расплавах начинаются структурные перестройки, приводящие к изменению рентгенографической картины их строения
(рис. 1). Это приводит и к изменению скорости протекания в них физико – химических
7
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2008. № 2(18)
процессов, в частности реакции окисления и восстановления Si, о чём свидетельствуют
данные рис. 7.
Рис. 2. Распределение Si, Mn и S в синтетическом ЧПГ, выплавленном из карбонильного
железа и чистого Г
Рис. 3. Распределение Si, Mn и S в промышленном синтетическом ЧШГ, модифицированном
лигатурой ЖКМК (железо–кремний–магний–кальций)
8
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2008. № 2(18)
Рис. 4. Распределение Si, Mn и S в промышленном синтетическом ЧВГ с включениями ШГ,
модифицированном силикокальцием (CaSi) и Al
Рис. 5. Распределение Si, Mn и S в промышленном синтетическом ЧВГ с включениями ШГ,
модифицированном силикокальцием (CaSi) и силикобарием (ВaSi)
9
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2008. № 2(18)
Рис. 6. Влияние отношения С/Si, степени эвтектичности (S Э ) и модифицирования
на σ В и НВ синтетического чугуна в отливках d=30 мм: 1 – немодифицированный
чугун; 2 – модифицированный FeSi чугун; 3 – модифицированный CaSi чугун
Согласно этим данным, при С>2% в расплаве промышленного чугуна появляются микровключения Г, которые наряду с недорастворившимися его включениями, попавшими из
шихты в качестве наследственных свойств или
модификаторов, служат ЦК Г и совместно с
НМВ создают структурную микронеоднородность расплава. Структурная микронеоднородность расплава чугуна предопределяет его химическую микронеоднородность по объёму,
подобную химической микронеоднородности
Fe – C – сплавов в твёрдом состоянии, где элементы между фазами распределены неравномерно. Так, Ni, Al, Si, Cu растворяются в аустеРис. 7. Зависимость между концентраните (А) и феррите (Ф), а Cr, V, W, Mo – в цецией С и Si в расплаве синтетического
ментите (Ц) [7,8], при этом Si, Mn и S, как видно
чугуна и температурой начала восстаиз рис. 2 – 5, не растворяются в Г.
новления в нём Si из SiO2 посредством
С (ТSi)
Итак, снижение содержания Si в кристаллизующемся расплаве чугуна против его среднего содержания уменьшает термодинамическую активность С и тем самым снижает его
роль в образовании ЦК Г. Этим объясняется то обстоятельство, что введение Si с шихтой
в расплав чугуна не оказывает такого же влияния на его структуру, как модифицирование
кремнийсодержащими модификаторами.
Первичные включения Г образуются в расплаве чугуна ещё до его кристаллизации
на основе недорастворившихся частичек включений Г в шихте, поэтому они имеют гораз10
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2008. № 2(18)
до большие размеры по сравнению с эвтектическим Г. Исследования убедительно показывают, что ЦК Г в расплаве чугуна служат не НМВ типа оксисульфидов или силикатов, а
попадающие в него из шихты и модификаторов и недорастворившиеся в расплаве включения Г или микровключения Г, образовавшиеся вновь под воздействием графитизирующих чугун факторов.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Скаланд, Т. Механизмы зародышеобразования в высокопрочном чугуне/ Т. Скаланд; Elkem ASA, Foundry Products.– Норвегия, 2006.–С. 5 – 24.
2. Дроздова, М.А. Ближний порядок в аморфных сплавах на основе железа/ М.А. Дроздова, А.Н. Желнов,
А.Н. Прокошин// Металловедение и термическая обработка металлов.– 1983.– № 9.– С. 9 – 11.
3. Мельник, Б.А. Рентгенографическое исследование структуры чугуна, полученного при сверхбольших
скоростях охлаждения/ Б.А. Мельник// Металловедение и термическая обработка металлов.– 1983.– №
9.– С. 12 – 14.
4. Залкин, В.М. О строении жидких чугунов/ В.М. Залкин// Литейное производство.– 1984.– № 8.– С. 5 – 7.
5. Мельник, Б.А. Рентгенографические исследования структуры жидкого чугуна/ Б.А. Мельник// Изв. АН
СССР. Металлы.– 1981.– № 6.– С. 52 – 54.
6. Гиршович, Н.Г. Кристаллизация и свойства чугуна в отливках/ Н.Г. Гиршович.– М.; Л.: Машиностроение, 1966. – 562 с.
7. Бунин, К.П. Строение чугуна/ К.П. Бунин, Ю.Н. Таран.– М.: Металлургия, 1972.– 170 с.
8. Бунин, К.П. Основы металлографии чугуна/ К.П. Бунин, Я.Н. Малиночка, Ю.Н. Таран. – М.: Металлургия, 1969.– 414 с.
9. Кульбовский, И.К. Угар элементов при выплавке синтетического чугуна в индукционных электропечах/
И.К. Кульбовский// Изв. вузов. Чёрная металлургия.– 1987.– №9.– С. 99 – 101.
10. Кульбовский, И.К. Связь структуры отливок со строением расплава чугуна/ И.К. Кульбовский // Литейное производство. – 1986.– № 10.– С. 4 – 7.
Материал поступил в редколлегию 08.04.08.
11
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2008. № 2(18)
УДК621.74
Д.С. Краснятов
РАЗРАБОТКА НОВОЙ ЛИТНИКОВОЙ СИСТЕМЫ ДЛЯ ОТЛИВКИ
«ГИЛЬЗА ЦИЛИНДРА» ТЕПЛОВОЗНОГО ДИЗЕЛЯ Д 100
Проведено математическое компьютерное моделирование базовой литниковой системы отливки «Гильза
цилиндра», проанализированы её достоинства и недостатки. Предложен новый вариант литниковой системы.
Ключевые слова: литниковая система; гильза цилиндра; отливка; литниковый ход; компьютерное моделирование.
Необходимость разработки новых
литниковых систем для отливки «Гильза цилиндра» вызвана дефектами, возникающими
в процессе её изготовления. Такими дефектами являются песчаные и газовые раковины.
На рис. 1 показаны места образования
дефектов. Согласно статистическим данным,
собранным за 2007 г., дефекты усадочного
происхождения составляют 33% от общего
объёма брака, а песчаные раковины – 23 %.
Математическое компьютерное моделирование проводилось в среде LVMFLOW.
Рис. 1.Внешний вид отливки «Гильза цилиндра» (компьютерная модель):
Программный пакет LVMFLOW - система
1 – место песчаной раковины;
компьютерного моделирования тепловых и
2 – места образования газовых раковин
гидродинамических процессов литья. Ядром
пакета базируется на уравнениях
тепломассопереноса.
На рис. 2 представлена
компьютерная модель куста отливки «Гильза цилиндра», собранного по базовой технологии
(вторая отливка куста условно не
показана).
Анализируя конструкцию
литниковой
системы,
можно
предположить, что ввиду отсутствия элементов литниковой системы, позволяющих стабилизировать по скорости течение металла,
может происходить размытие элеРис. 2. Внешний вид куста, собранного по базовой
ментов формы, образующих литтехнологии (компьютерная модель)
никовую систему, что, в свою
очередь, может являться причиной
образования песчаных раковин.
С целью стабилизации потока в процессе заливки формы принято решение о корректировке формы литникового хода. В результате преобразований получена форма литникового хода, представленного на рис. 3.
12
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2008. № 2(18)
а)
б)
Рис.3. Куст, собранный по предложенной технологии (компьютерная модель; вторая отливка куста условно
не показана): а – внешний вид куста; б – увеличенное изображение литникового хода
а)
б)
Рис. 4. Скорость течения металла: а – базовая технология; б – предлагаемая технология
Очевидно, что в процессе заливки с базовой литниковой системой (рис. 4а) происходит разрыв потоков металла из питателей, в результате чего наблюдаются всплески.
Также может происходить размыв формы, захват газов формы и замешивание в металл и
как следствие образование газовых раковин. Предлагаемая литниковая система (рис. 4б)
обеспечивает равномерное непрерывное заполнение формы металлом, что позволяет минимизировать указанные ранее литейные дефекты.
На рис. 5 показано движение расплава металла по литниковой системе с указанием
векторов.
Анализируя рис.5а, можно сделать вывод, что в месте перехода от линейного участка питателя к кольцевому при использовании литниковой системы, построенной по базовой технологии, наблюдается размыв формы и как следствие захват формовочной
(стержневой) смеси потоком металла. Предлагаемая литниковая система (рис. 5б) позволяет уменьшить удар потока металла о форму и тем самым минимизировать вероятность
образования засоров и песчаных раковин.
Базовая литниковая система не обеспечивает равномерного распределения температур в процессе заполнения формы (рис. 6а) и, следовательно, необходимого направления хода кристаллизации. Предлагаемая литниковая система позволяет создать все усло13
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2008. № 2(18)
вия для равномерного заполнения формы металлом, что обеспечивает равномерность распределения температур (рис. 6б). Данный параметр обеспечивает наиболее равномерную
и направленную кристаллизацию.
а)
б)
Рис. 5. Скорость течения металла по литниковой системе (векторное представление):
а – базовая технология; б – предлагаемая технология
а)
б)
Рис. 6. Распределение температур при заливке:
а – базовая технология; б – предлагаемая технология
Распределение усадочных дефектов отливки «Гильза цилиндра» при использовании базовой литниковой системы приведено на рис. 7. Предполагаемой причиной образования большого количества дефектов является неравномерное течение кристаллизации изза неравномерного распределения температур. В результате такого неравномерного распределения температур могут образовываться замкнутые или плохо питаемые тепловые
узлы отливки (при кристаллизации в этих местах появляется усадка).
При использовании доработанной литниковой системы наблюдается распределение
усадочных дефектов, показанное на рис. 8 (очевидно преимущество по сравнению с базовым вариантом).
14
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2008. № 2(18)
а)
б)
Рис. 7. Распределение усадочных дефектов отливки «Гильза цилиндра» (базовая технология):
а – объёмное представление; б – рентгеновское представление
а)
б)
Рис. 8. Распределение усадочных дефектов отливки «Гильза цилиндра» (предлагаемая технология):
а – объёмное представление; б – рентгеновское представление
щее:
Использование предлагаемой литниковой системы позволяет обеспечить следую-
− ламинарное течение металла в литниковой системе, минимизирующее размыв
формы;
− непрерывное, постоянное во времени течение металла из питателей и как следствие непрерывное равномерное заполнение металлом формы;
− направленную кристаллизацию отливки;
− уменьшение величины усадочных дефектов.
В результате применения разработанной литниковой системы предполагается снижение литейного брака по таким дефектам, как засоры, песчаные раковины, а также по
усадочным дефектам.
Материал поступил в редколлегию 15.04.08.
15
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
УДК 621.74
И.К. Кульбовский, С.В. Карелин, Д.А. Илюшкин
КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА КРИСТАЛЛИЗАЦИИ
МАССИВНЫХ ОТЛИВОК ВТУЛОК ЦИЛИНДРОВ СУДОВЫХ ДИЗЕЛЕЙ
Проведено компьютерное моделирование кристаллизации отливок втулок цилиндров судовых дизелей большой
мощности в соответствии с действующей технологией их получения, на основании которого сделаны рекомендации по совершенствованию техпроцесса.
Ключевые слова: кристаллизация; втулка цилиндра; массивная отливка; компьютерное моделирование.
В настоящее время отливки втулок гильз цилиндров судовых дизелей большой мощности в ЗАО «УК
«БМЗ» изготовляют из специального серого низколегированного чугуна марок PVA, «Таркаллой», «Таркаллой
С». Толщина стенок таких отливок достигает 151 мм,
длина – 3 м, масса составляет от 3000 до 7500 кг. Отливки втулок изготовляются в моноформах из двух половинок (по высоте отливок), получаемых шаблонной
заточкой из песчано-шамотной смеси (рис.1). Такие
формы не имеют равномерной плотности и имеют в
разных частях разную толщину смеси, поэтому обладают неравномерной теплопроводностью, что не обеспечивает равномерный отвод тепла по высоте и всей поверхности отливок.
Анализ данных о браке отливок втулок, изготовленных в ЗАО «УК «БМЗ» за ряд лет, показал, что по
рыхлоте и гидротечи брак достигал 20%. В связи с этим
появилась необходимость проведения анализа и оптимизации существующей литейной технологии.
Исследования показывают, что на формирование
микроструктуры и свойств чугуна массивных отливок
типа втулок влияет множество факторов [1], характер и
степень влияния которых можно адекватно оценить
Рис. 1. Эскиз технологии получения оттолько методами компьютерного моделирования.
ливки втулки гильзы цилиндра судового
дизеля ДБ72:
С целью установления влияния химического со1 – литниковый стержень; 2- прибыль;
става на структурное строение и свойства чугуна отли3 – кольцо для образцов; 4 - холодильнивок втулок провели регрессионный анализ свойств отки 60x20x400мм (50шт на 1ряд); 5 – холивок втулок, химический состав которых находится в
лодильники 60x20x170мм (28шт); 6 –
допустимых техническими условиями пределах. В рецентровой стержень; 7 – патрон; 8 – обработанная втулка; 9 – отливка втулки;
зультате получили математические зависимости. На их
10 – формовочная смесь; 11 – ребро опооснове определили, что при среднем химическом состаки; 12 – опока
ве втулочного чугуна не обеспечиваются требуемые
механические свойства и структура отливок втулок.
Варьирование только химического состава не решает данной проблемы, так как в условиях производства он может быть разным в каждой отливке. Поэтому возникла необходимость разработать и апробировать в условиях производства и другие способы управления
16
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
структурой и свойствами втулочного чугуна.
Существенное влияние на механические свойства втулочного чугуна, особенно на его
прочность, оказывает наличие в его структуре пористости, которая зависит в значительной
степени от жидкотекучести и усадки чугуна. Усадочная пористость зависит от многих факторов, однако применительно к втулочному чугуну, как показывают исследования, – в основном от химического состава и режима затвердевания металла в форме. Существующая технология приводит к малой скорости затвердевания при малом температурном градиенте отливки в форме.
Длительная кристаллизация жидкого чугуна отливки втулки и последующее её очень
медленное охлаждение до выбивки из формы (в течение 15-20ч) приводит к формированию в
ней крупнозернистой структуры, неблагоприятной формы включений графита (в виде крупных веток), образованию усадочных пор, снижающих прочность металла.
С учётом изложенного проведено компьютерное моделирование охлаждения и затвердевания отливки втулки ДБ72 в существующей форме по действующему техпроцессу с использованием программы Solid Cast. Данная отливка изготовляется в соответствии с ТУ из
специального низколегированного серого чугуна марки «Таркаллой C» (прочность металла ≥
250 МПа, толщина стенок – от 76 до 131 мм, масса – 3700 кг). Для повышения точности моделирования по специально разработанной нами методике определены основные теплофизические свойства втулочного чугуна и различных составов форм.
По результатам моделирования ярко выраженных концентрированных усадочных раковин, выходящих за пределы прибыли отливки, выявлено не было. Однако наблюдаются дефекты, предположительно в виде пористости, на границе перехода от массивного к более
тонкостенному сечению (рис.2). Для уточнения возможных причин брака рассмотрели дополнительные расчётные параметры.
Согласно рис.3, наиболее высокая
скорость охлаждения достигается в местах простановки холодильников, однако
между холодильниками скорость охлаждения значительно ниже, т.е. в этих местах образуются локальные тепловые узлы,
где кристаллизация происходит позднее.
Рис. 2. Возможные места дефектов усадочного
Можно предположить, что обнаруживаепроисхождения
мое при контроле образование мелких пор
и раковин, выходящих на внутреннюю
поверхность отливки втулки, связано с
возникновением таких зон.
Время затвердевания металла отливки позволяет проследить динамику процессов затвердевания в отливке и локализовать изолированные зоны расплавленного металла. Из рис.4 видно, что металл
Рис. 3. Интенсивность охлаждения по сечению отливки
в районе нижнего ряда холодильников
полностью кристаллизуется через 160 мин после начала заливки, а массивная часть, через которую происходит питание этого участка, – уже через 30 мин.
Это свидетельствует о наличии изолированных объёмов жидкого металла в процессе
кристаллизации (рис. 5). Можно предположить, что жидкая фаза в районе нижнего ряда холодильников способна привести к появлению небольших раковин или пористости в теле
отливки.
17
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Для выяснения эффективности работы холодильников и их влияния на
процесс кристаллизации проведено моделирование процесса кристаллизации отливки втулки без холодильников.
Такое моделирование показало, что
ярко выраженные дефекты, такие как
усадочные раковины и пористость, выходящие за пределы прибыли, отсутствуют.
Однако кристаллизация отливки в её
Рис.4. Время достижения полностью твёрдого состояния
отливки
подприбыльной части будет проходить в
этом случае в последнюю очередь. Так, из рис. 6 видно, что примерно через 500 мин после
начала заливки твёрдо-жидкая фаза сохраняется в подприбыльной части отливки. Это может
приводить к образованию в данной зоне дефектов в виде пористости и рыхлот.
Итак, большая масса отливок втулок и
разные теплофизические свойства формы по её
длине обусловливают разную скорость кристаллизации в разных частях отливки. Это приводит к формированию неравномерной структуры графита и металлической основы в разных
частях отливки втулки. В процессе кристаллизации наблюдаются изолированные объёмы
жидкого металла, что свидетельствует о неэффективной работе прибыли отливки. В резульРис. 5. Объёмы жидко- Рис. 6. Твёрдо-жидкая
тате в рабочей зоне втулки образуется усадочго металла через 12 фаза через 500 мин после
ная пористость и рыхлота, чему дополнительно
мин после окончания начала заливки в форме
способствует и простановка мощных холодильзаливки
(показаны без холодильников (поников в некоторых зонах формы, поэтому нетёмным цветом)
казана тёмным цветом)
обходимо изменять технологию получения отливок втулок в следующих направлениях:
1. Внедрение технологии регулируемого охлаждения за счёт стопочной формовки,
при которой форма состоит из отдельных частей с разными теплофизическими свойствами по
высоте отливки (теплоаккумулирующие, формирующие прибыль отливки; захолаживающие,
формирующие место отрезки кольца на механические испытания, и т.п.), это позволяет сократить время процесса охлаждения и затвердевания металла и обеспечить направленное затвердевание отливки благодаря набивке разных частей формы различными формовочными
смесями. Созданный температурный градиент по высоте отливки позволяет вытеснить усадочную рыхлоту из рабочей части отливки в прибыльную. Увеличение тепловой активности
стержня позволяет сместить тепловую ось, т.е. место образования пористости, из рабочей зоны (внутренняя поверхность) в центр отливки.
2. Внедрение технологии суспензионной заливки позволяет резко сократить стадию
снятия перегрева, повысить эффективность модифицирования и воздействовать на кристаллизацию отливки путем измельчения структуры. Важной особенностью суспензионной заливки является то, что она практически полностью подавляет процесс образования пористости и рыхлоты в отливке.
3. Совмещение стопочной формовки и суспензионной заливки позволяет использовать
преимущества обоих способов.
4. Внедрение технологии центробежной заливки и кристаллизации отливок во вра18
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
щающейся металлической форме способствует радикальному изменению условий кристаллизации отливок втулок и формированию в них микроструктуры, обеспечивающей высокие механические свойства чугуна.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Чугун: справочник / А.Д. Шерман, А.А. Жуков, Э.В. Абдуллаев, И.О. Пахнющий; под ред. А.Д. Шермана,
А.А. Жукова. – М.: Металлургия, 1991. – 574 с.
Материал поступил в редколлегию 14.04.08.
19
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2008. № 2(18)
УДК 621.74
Ю.М. Иващенков, В.Г. Солдатов
СВЯЗЬ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СТАЛЬНЫХ
ОТЛИВОК С ИХ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫМИ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ
Рассмотрен вопрос о возможности прогнозирования и управления качеством отливок железнодорожного
транспорта ответственного назначения из стали 20ГЛ путем выявления взаимосвязи технологических параметров их изготовления с механическими и эксплуатационными характеристиками.
Ключевые слова: отливка; сталь 20 ГЛ; химический состав; механические свойства; технологические параметры.
В настоящее время остро ставится вопрос о повышении безопасности эксплуатации
стальных отливок ответственного назначения, предназначенных для деталей, выход из
строя которых из-за низкого их качества вызывает крупные материальные потери, а также
представляет опасность для жизни и здоровья людей. К основным отливкам деталей железнодорожного транспорта относятся боковая рама и надрессорная балка.
Основным видом повреждения этих деталей при эксплуатации является развитие
трещин усталости. Главные факторы, способствующие изломам: несоответствие химического состава и механических свойств стали ГОСТу и ТУ; нарушения и недостатки технологии выплавки и раскисления стали, приводящие к повышенному её загрязнению неметаллическими включениями и газами; нарушения и несовершенство литейной технологии
и разливки стали, приводящие к образованию литейных дефектов.
Недостаточная усталостная долговечность боковых рам в эксплуатации объясняется
несоответствием уровня и количества циклов номинальных рабочих напряжений в наиболее опасных зонах данных деталей. Раннему появлению трещин часто способствует также
наличие литейных дефектов.
Процесс постепенного снижения прочности материала вследствие накопления и развития в нем трещин под действием циклических нагрузок называют усталостью, а разрушение в результате этого процесса – усталостным. Свойство материала противостоять усталости называют сопротивлением усталости, характеризуемым значением предела выносливости (σ -1 ), которое зависит от химического состава, структуры и свойств материала, условий и характеристик нагружения, свойств среды, размеров детали и длительности
эксплуатации.
Усталостная прочность металлов значительно резче, чем многие другие механические свойства, реагирует на изменение некоторых условий испытания или эксплуатации.
К этим условиям можно отнести такие внешние факторы, как температура и скорость
(частота) приложения нагрузки, характер напряженного состояния, свойства окружающей
среды. Чрезвычайно важную роль играют также характеристики самих деталей: их размеры, форма и состояние поверхности (наличие концентраторов напряжений). При прочих
равных условиях усталостная прочность определяется химическим составом и внутренней
структурой металла, которые зависят от технологии его производства.
К основным видам технологических параметров производства стали относятся параметры выплавки, дегазации, раскисления и разливки жидкого металла. В настоящее время
развиваются различные способы воздействия на расплав с целью получения стали с пониженным количеством неметаллических включений (НМВ) правильной формы и плотноупакованной мелкозернистой структурой. Только отливки из такой стали, при отсутствии в них литейных дефектов, могут обеспечить надёжность и долговечность работы деталей в условиях усталостного износа. Перспективными методами с этой точки зрения являются микролегирование и модифицирование стального расплава.
20
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2008. № 2(18)
В литературе [1] приведены зависимости (1-3) между пределом выносливости (σ -1 ) и
механическими свойствами, определенными при статических испытаниях.
σ −1 = 0,175(σ в + σ т − δ + 100) ;
σ −1 = 0,2(σ в + σ т +ψ ) ;
= 0,484σ в + 0,27σ т − 0,214δ − 1,78 .
(1)
(2)
(3)
σ −1
Данные зависимости нуждаются в корректировке для стали 20ГЛ с учетом особенностей ее производства и микростроения (наличие пор, мелких усадочных и газовых раковин, засоров, НМВ, микроликвационных зон). Необходимо также определить возможности использования в зависимостях других механических свойств, в частности ударной
вязкости при отрицательных температурах, так как отливки эксплуатируются в условиях
Севера. Желательно получить нелинейные зависимости для нахождения оптимальных
пределов варьирования механических свойств стали с целью получения максимальных
значений эксплуатационных характеристик.
На практике для реальных деталей более важным показателем, чем предел выносливости (σ -1 ) их материала, является количество циклов нагружения, которое способна выдержать деталь при эксплуатации без разрушения. Поэтому для характеристики эксплуатационной стойкости боковых рам будем пользоваться коэффициентом запаса сопротивления усталости (n), который учитывает количество циклов нагружения, форму, геометрию детали и все составляющие усталостного износа.
По результатам усталостных испытаний боковых рам, изготовленных в ООО «Промышленная компания «Бежицкий сталелитейный завод» (г. Брянск) в период с 1998 по
2007 г., при помощи статистического анализа и существующей методики [2] получены зависимости коэффициента n от комплекса механических свойств (4) стали 20ГЛ и от каждого свойства в отдельности.
n = 1,54 + σ т0,995 + σ в1, 003 + δ 1, 005 +ψ 1, 0 + KCU −1,6001 ;
(4)
n = −0,0012σ т4 + 0,1762σ т3 − 9,9635σ т2 + 249,68σ т − 2338,3 ;
(5)
n = −0,0003σ + 0,059σ − 4,9862σ + 186,67σ в − 2612,6 ;
(6)
n = −0,0004δ 4 + 0,0357δ 3 − 1,2488δ 2 + 19,253δ − 108,58 ;
n = 282,53KCU −460 − 2014,3KCU −360 + 5341,5 KCU −260 − 6238,9 KCU −60 + 2712,8.
(7)
(8)
4
в
3
в
2
в
Согласно техническим требованиям на отливку «Боковая рама» после нормализации,
сталь 20ГЛ должна обладать следующими механическими свойствами при статических
испытаниях: σ т = 290…370 МПа; σ в = 490…520 МПа; δ ≥ 18%; ψ ≥ 25%;
KCU -60 ≥ 0,25 кгс/мм2.
По формулам (5-8) построены графические зависимости, анализ которых проводили
с учетом ограничений на механические свойства. Были определены оптимальные пределы
варьирования для механических свойств стали, обеспечивающих получение максимальных значений коэффициента n: σ т = 330…360 МПа; σ в = 500…530 МПа; δ = 27…29 %;
ψ = 35…45 %; KCU -60 = 2,5 кгс/мм2 и более.
В проведенных ранее работах [3] определены оптимальные сочетания химического
состава (таблица) и механических свойств стали 20ГЛ. Выбраны направления повышения
и стабилизации этих свойств. Качество металла определяется в основном условиями его
финишной обработки. Применение легирования для данной стали нецелесообразно, так
как это нарушает баланс прочностных и пластических свойств в сторону увеличения
прочности, а данная сталь должна обладать достаточным уровнем пластичности во избежание хрупкого разрушения. Поэтому лучшим методом воздействия на жидкий металл, не
21
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2008. № 2(18)
изменяющим оптимальный химический состав, измельчающим зерно и улучшающим распределение неметаллических включений, является модифицирование активными элементами. В условиях реального производства основной проблемой является стабильность получения заданных химического состава, структуры и механических свойств. Модифицирование позволяет повысить эту стабильность. Проведены работы по использованию модификатора с редкоземельными металлами (РЗМ). Данная технология дает возможность
избавляться от сульфидных включений в виде пленок и цепочек по границам зерен и получать неметаллические включения глобулярной формы, рассредоточенные по всему объему металла. Это позволяет получать отливки с более высокими и стабильными механическими свойствами.
В настоящее время ведутся работы по исследованию влияния модификатора с барием на качество отливок.
Таблица
Оптимальный химический состав стали 20ГЛ
№ химического
состава
Содержание элементов, %
C
Mn
Si
1
0,19…0,20
1,20…1,40
0,35…0,60
2
3
0,21…0,23
0,24…0,25
1,10…1,40
1,00…1,20
0,30…0,60
0,30…0,60
Задачу повышения эксплуатационных свойств литых стальных деталей ответственного назначения для подвижного состава железных дорог можно решать путем: выбора
оптимального химического состава стали 20ГЛ с целью обеспечения стабильно высоких
её механических свойств; применения новых легирующих элементов в составе стали; совершенствования технологий выплавки, разливки и модифицирования жидкой стали,
уменьшающего уровень загрязненности стали газами и НМВ, улучшающего её микроструктуру; совершенствования литейной технологии, снижающего уровень образования
литейных дефектов отливок (усадочной и газовой рыхлоты и пористости, дефектов по вине неудовлетворительной жидкотекучести, земляных раковин, трещин).
Технология производства жидкой стали для отливок железнодорожного транспорта
обрабатывается с учетом взаимосвязи и оптимизации химического состава, структуры,
механических свойств и эксплуатационных характеристик.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Тылкин, М.А. Справочник термиста ремонтной службы / М.А. Тылкин. – М.: Металлургия, 1981 – С. 63.
2. Методика испытаний на усталость. Надрессорные балки и боковые рамы литые двухосных тележек грузовых вагонов колеи 1520 мм / ООО «ПК «БСЗ» – Брянск, 2000.
3. Кульбовский, И.К. Повышение механических свойств низколегированной стали для ответственных отливок железнодорожного транспорта / И.К. Кульбовский, В.Г. Солдатов, М.С. Мануев // Заготовительные
производства в машиностроении. – 2006. – № 4.– С. 3-6.
Материал поступил в редколлегию 14.04.08.
22
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
УДК 621.74
И.К. Кульбовский, С.В. Карелин, Е.В.Попов, Д.А. Туркин
КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ЗАТВЕРДЕВАНИЯ
И ОХЛАЖДЕНИЯ МАССИВНЫХ ОТЛИВОК ИЗ ЧУГУНА В ЛИТЕЙНОЙ ФОРМЕ
Приведены сведения о возможностях средств компьютерного моделирования литейных процессов. Рассмотрены вопросы применения компьютерного моделирования для прогнозирования усадочных дефектов в отливках из чугуна.
Ключевые слова: затвердевание: охлаждение; массивная отливка; чугун; литейная форма; компьютерное моделирование.
Было исследовано влияние химического состава чугуна на его жидкотекучесть и усадку
– концентрированную (W К , %) и рассосредоточенную (W П , %), - усадочные дефекты с помощью компьютерного моделирования процессов затвердевания и охлаждения массивных отливок из чугуна в форме.
В настоящее время САПР литейных процессов является альтернативой экспериментальным испытаниям. Компьютерное моделирование литейных технологий за последние годы получило настолько мощное развитие, что сегодня уже можно говорить о реальной экономии времени и материальных ресурсов при проектировании оснастки и геометрии отливки
с использованием виртуальных литейных имитаторов при компьютерном их моделировании.
Современные программы компьютерного моделирования, основанные на физических
теориях тепловых, диффузионных, гидродинамических и деформационных явлений, способны адекватно имитировать многие процессы, происходящие при заполнении расплавом формы, кристаллизации многокомпонентного сплава и дальнейшем охлаждении отливки. Они
различаются функциональными возможностями и типом генерируемой сетки (способом разбиения геометрической модели на элементарные объемы для дискретного решения дифференциальных уравнений теплопроводности и иных задач), вследствие чего имеют различную
стоимость.
К возможностям программ относятся гидродинамический расчет заполнения расплавом формы, анализ температурных полей при кристаллизации и образовании усадочных дефектов,
расчет напряжений и остаточной деформации в отливке, моделирование структуры (размер
зерен, распределение феррита и перлита, размер графитных включений и т.п.), оптимизация
литниковой системы исходя из геометрии отливки
Системы автоматизированного моделирования (САМ) обычно состоят из препроцессора для подготовки геометрической модели, процессора для расчетов и постпроцессора для
анализа и обработки результатов. Для литейной САМ следует также выделить блок информационного обеспечения моделирования, состоящий из базы данных (БД) свойств сплавов
(материалов) и средств для работы с БД.
Первым этапом анализа литейных процессов является построение геометрической модели отливки и формы. Большинство систем моделирования литейных процессов не имеют
собственных средств построения геометрических 3D-моделей, поэтому необходимо использовать специализированные CAD-системы. Из недорогих систем среднего уровня стоит особенно отметить SolidWorks, которая проста в освоении, предоставляет мощные средства ЗDмоделирования и имеет множество приложений. Сегодня в рамках этой программы разработано свыше 250 приложений, обеспечивающих сквозную автоматизацию всего цикла конструкторско-технологической подготовки производства. Также следует отметить ряд программ
из того же класса: Компас, Solid Hdge, IronCAD, Cad-Key, Mechanical Desktop, Vellum Solids,
PowerShape, Bravo. Цель данных программ – обеспечить пользователям решение комплекса
задач, связанных с проектированием, изготовлением и инженерным анализом изделий по
принципу «лучший в классе» путем интеграции программных продуктов, разработанных раз23
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
личными компаниями – лидерами в своих отраслях.
Описание геометрии в доступной форме до дискретизации является исходной геометрической моделью (ИГМ). Расчетной геометрической моделью (РГМ) является описание
дискретных элементов и связей между ними.
Следующим этапом является импорт созданной модели в САЕ-систему и представление
в виде, необходимом для расчетов. При моделировании литейных процессов наибольшее
распространение получили метод конечных разностей (МКР) и метод конечных элементов
(МКЭ).
Для моделирования объемной усадки массивных отливок шаров из чугуна диаметром
100 мм была выбрана программа SolidCast (предыдущая версия программы носила название
AFSolid). Программа является мировым лидером по количеству инсталляций – более 400.
Программа уверенно моделирует заполнение расплавленным металлом полости литейной формы. Цветная анимация позволяет визуально контролировать изменение температурных полей в текущем расплаве, выявлять образование холодных зон, расположение горячих
зон и усадочных дефектов. Программа позволяет контролировать изменение температуры,
плотности и ряда других расчетных параметров в любом сечении отливки и формы при охлаждении и кристаллизации. Хороший прогноз удается получить при анализе тепловых узлов, усадочных раковин и пор в отливках.
Помимо базового модуля разработчики предлагают еще 2 дополнительные программы:
OptiCast – модуль оптимизации литниково-питающей системы, заданной в параметрическом
виде (критерием оптимизации может служить плотность металла или любой другой расчетный параметр, отражающий качество отливки), и Fluid – модуль точного гидродинамического
анализа. Нами принята данная модель.
В геометрические модели импортируются файлы из любой внешней CAD-системы в
формате STL; построение примитивов, контуров и образование объемных объектов из контуров вытягиванием или вращением возможно средствами SolidCast.
Конечноразностная сетка генерируется программой автоматически в течение нескольких секунд или минут, в зависимости от мощности компьютера. Количество расчетных узлов
лимитируется объемом оперативной памяти.
Данная программа была выбрана, так как она имеет простой в понимании интерфейс,
позволяет свободно импортировать геометрические модели из любой CAD-системы в формате STL, обеспечивает простую генерацию сетки, выявление дефектов отливки и оптимизацию
литниково-питающей системы.
Для построения геометрической модели отливки шара (рис.1) и формы для неё была
применена программа SolidWorks. На рис.2 представлены разрезы шаров с фактическими и смоделированными усадочными раковинами.
Были отлиты шары Ø100мм из чугуна разного химического состава и разрезаны пополам. Их половинки
были отшлифованы и протравлены 4%-м раствором
HNO 3 , что позволило выявить в них усадочные дефекты (рис. 2). По описанной методике выполнено компьютерное моделирование образования концентрированной усадочной раковины в шарах.Результаты вычислеРис. 1. Геометрическая модель отливки
ний приведены в таблице.
24
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 2. Разрезы шаров с усадочными раковинами:
– фактическими;
– смоделированными
Таблица
Объем концентрированных усадочных раковин по данным эксперимента и моделирования
Объем концентрической усадочной раковины, см3
№ опыта
Экспериментальные данные
Данные моделирования
1
12
38,5
2
19
61,2
3
12
39,5
4
8
22,3
5
22
76,7
6
12
51,6
7
5
17,8
8
6
20,6
9
28
95,6
10
21
71,5
11
15
47,6
12
10
35,2
13
13
45,7
14
26
84,9
15
13
42,2
16
14
45,3
Был рассчитан коэффициент корреляции между экспериментальными данными и данными
моделирования, который оказался равным 0,94.
Данные, необходимые для моделирования, взяты из справочной литературы.
25
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Свойства сплава и технологические параметры формы:
Тип сплава
Серый чугун
Теплопроводность, Вт/(м·К)
42
Удельная теплоемкость, кДж/(кг·К)
520
Плотность, кг/м3
7100
Температура расплава, °С
1350
Теплота плавления, Дж/кг
320000
Время заполнения формы расплавом, с
12
Температура окружающей среды, °С
20
На основании данных корреляции можно сделать вывод о том, что при моделировании изменяемые входные параметры дают одинаковое изменение размеров усадочных раковин. В связи с
этим для прогнозирования образования возможных усадочных дефектов в тепловых узлах
отливок можно использовать предложенную нами методику компьютерного их моделирования с помощью программы SolidWorks при разработке техпроцессов отливок.
Материал поступил в редколлегию 14.04.08.
26
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2008. № 2(18)
УДК 621.74
И.К. Кульбовский, С.В. Карелин, Д.А. Туркин
РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ИЗГОТОВЛЕНИЯ ОТЛИВКИ
ВТУЛКИ СУДОВОГО ДИЗЕЛЯ ДБ14 ЦЕНТРОБЕЖНЫМ ЛИТЬЕМ
Рассмотрены особенности и возможности внедрения технологии получения отливок втулок судовых дизелей центробежным способом.
Ключевые слова: центробежное литье; отливка; втулка; чугун PVA; разработка техпроцесса.
Одним из новых технологических процессов, направленных на повышение качества
втулок, является их центробежное литье. По техническим условиям к отливке предъявляются следующие требования: отсутствие каких-либо несплошностей в теле отливки; обеспечение заданных структуры (серый чугун), химического состава и механических свойств.
Деталь имеет следующие габариты: высота – 2425 мм, максимальный диаметр – 985 мм.
Толщина стенки отливки варьируется от 110 до 150 мм. Масса готовой детали – 2680 кг.
Масса отливки без прибыли при обычной технологии – 5617 кг. Все поверхности отливки
подвергаются механической обработке.
Для отливки применяется специальный чугун PVA, имеющий следующий состав: С
– 3…3,3 %; Si – 0,8…1,4 %; Mn – 0,6…0,8 %; Р – не более 0,4 %, не менее 0,15 %; S – не
более 0,15 %; Ti – не более 0,05 %; V – не менее 0,22 %, не более 0,28 %. Механические
свойства металла по ТУ: σ в – не менее 170 МПа; НВ = 180…240. Микроструктура отливки: перлитная основа с равномерно распределенными включениями графита; количество
цементита в структуре не должно превышать 8-9 %, феррита – 5 %.
Поскольку деталь имеет цилиндрическую форму и несложную конфигурацию, то в
качестве метода получения отливки выбрали центробежное литье в металлическую форму. Наиболее распространенный способ литья пустотелых цилиндрических отливок в металлические формы – с горизонтальной осью вращения изложницы. По этому способу отливка формируется в поле центробежных сил со свободной внутренней цилиндрической
поверхностью, а внешней формообразующей поверхностью служит внутренняя поверхность вращающейся изложницы. Расплав из ковша заливают во вращающуюся форму через заливочный желоб. Расплав растекается по внутренней поверхности формы, образуя
под действием поля центробежных сил пустотелый цилиндр.
Преимуществом центробежного литья является отсутствие литниковой системы и
прибыли, что существенно повышает выход годного литья по сравнению с традиционным
литьем в песчано-глинистые формы. Чертеж отливки втулки, полученной в существующей форме, приведен на рис. 1, а полученной центробежным литьем – на рис. 2. Еще одним преимуществом данного способа литья является отсутствие стержня, формирующего
полость отливки, что приводит к экономии на стержневой смеси и затратах, связанных с
его изготовлением.
Изготовление отливок центробежным способом позволяет получать плотный металл
(без рыхлот и пористостей) с необходимыми по техническим требованиям механическими
свойствами и микроструктурой. При этом уменьшается также объем припусков на механическую обработку втулки.
Основной оснасткой при центробежном литье является металлическая изложница
(рис. 3). Размеры изложницы зависят от размеров отливки с учетом припусков на механическую обработку, а также от толщины слоя огнеупорного материала, засыпаемого в изложницу перед заливкой металла.
Внутренняя поверхность изложницы повторяет конфигурацию внешней поверхности
отливки (рис. 2). Расстояние между торцевыми крышками определяется как длина детали
(рис. 2) в сумме с припусками на механическую обработку. Торцевые поверхности отлив27
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2008. № 2(18)
Рис. 1. Чертеж отливки
втулки ДБ14, изготовленной в песчаноглинистой форме
Рис. 2. Чертеж отливки втулки ДБ14,
изготовленной способом центробежного литья
ки могут подвергаться отбелу. Для устранения отбела применяются футерованные крышки (рис.3). Таким образом, получается отливка с минимальными припусками на торцевых
поверхностях.
Внутренний диаметр изложницы равен
D1 = d дет.1 + 2 P + 2h = 920 + 2 ⋅ 6 + 2 ⋅ 10 = 952 мм,
где d дет.1 – диаметр детали; P – припуск на механическую обработку; h – толщина огнеупорного слоя.
Диаметр изложницы у буртовой части детали равен
D2 = d дет.2 + 2 P + 2h = 985 + 2 ⋅ 6 + 2 ⋅ 10 = 1017мм,
где d дет.2 – диаметр буртовой части детали.
Толщину стенки изложницы определяли в соответствии с литературными рекомендациями. В результате получили внешний диаметр изложницы:
Dвн = D2 + 2 H = 1017 + 2 ⋅ 62 ≈ 1141мм,
где H – толщина стенки изложницы.
Рис. 3. Размеры рабочей поверхности изложницы для втулки ДБ14
28
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2008. № 2(18)
Разработан технологический процесс отливки центробежным способом опытных заготовок втулок с толщиной стенки от 110 до 150 мм из втулочного чугуна с модифицированием и микролегированием металла флюсом во вращающейся форме. Процесс обеспечивает рафинирование металла и воздействует на его кристаллизацию.
В соответствии с разработанным технологическим процессом сконструирована,
изготовлена и установлена в чугунолитейном цехе ЗАО «УК «БМЗ» опытная центробежная машина, позволяющая использовать разные изложницы для получения разных
втулок.
Для отработки технологического процесса отливки заготовок центробежным способом с применением модифицирующих флюсов использовали разработанную на заводе
опытную центробежную машину. Была отлита опытная партия из шести заготовок втулок
судового дизеля из чугуна PVA.
Три заготовки отлиты с максимальной толщиной стенки 110 мм, три заготовки – с
толщиной 150 мм. Все заготовки отливались на одной и той же центробежной машине.
Температура заливки чугуна – 1320…1340 0С.
В качестве огнеупорного покрытия рабочей поверхности изложницы применялся
кварцевый песок. Кристаллизация и охлаждение заготовки проходили во вращающейся со
скоростью 700 об/мин изложнице в течение 1,5 ч.
Опытные заготовки отливались с использованием модифицирующего флюса, подаваемого на струю металла на заливочном желобе.
В табл. 1 приведен химический состав отлитых заготовок втулок.
Таблица 1
Химический состав чугуна опытных заготовок втулок, полученных центробежным литьем
Толщина
№
№
заготовок,
п/п плавки
мм
1
90
110
2
96
150
3
PVA по ТУ
Химический состав, %
C
3,0
3,0
3,0…
3,3
Mn
Si
0,75
2,02
0,89
1,69
0,6… 0,8…
0,9
1,4
P
0,75
0,068
до
0,20
S
Cr
0,041 0,40
0,034 0,20
до
0,15
Ni
V
Ti
0,40
0,08
0,16
0,14
0,20…
0,30
0,02
0,02
-
Cu
0,66
0,48
0,3…
0,05
0,7
При центробежном литье массивных толстостенных цилиндрических заготовок типа
втулок возможна ликвация элементов и неравномерный химический состав по сечению
отливки. Направленная ускоренная кристаллизация от наружной к внутренней поверхности отливки может приводить к формированию разной структуры и механических свойств
по сечению отливки.
Для исследования качества металла опытных заготовок от каждой отливки после
удаления 50 мм торцевого эффекта отрезали по одному кольцу толщиной 30 мм со стороны буртовой части втулки.
На рис. 4 приведена схема вырезки образцов из сектора кольца: для механических
испытаний, определения химсостава металла по толщине отливки, снятия серного отпечатка по Бауману и исследования структуры чугуна.
Для определения механических свойств чугуна из каждого темплета вырезали 3 образца в тангенциальном направлении. Результаты испытания образцов на прочность приведены в табл. 2.
Твердость образцов №1-3 замеряли от наружной поверхности к внутренней. Для
плавки №90 НВ = 229, 229, 217, 217, 217, 212, 212, 207; для плавки №96 НВ = 207, 207,
207, 201, 201, 192, 192, 192.
Микроструктуру металла заготовок определяли от наружной поверхности к внутренней на образцах № 7-10 согласно ГОСТ 3443-87.
29
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2008. № 2(18)
Матрица чугуна в отливке плавки №90 показана на рис. 5, а распределение графита –
на рис.6.
Таблица 2
Прочность чугуна опытных заготовок втулок, полученных центробежным литьем
№ п/п
№ плавки
1
2
3
90
96
ТУ
Наружная
поверхность
заготовки
270
200
Рис. 4. Схема вырезки образцов из центробежной
заготовки втулки плавки №96:
1 – 3 – образцы для определения прочности;
4, 5 – образцы для определения послойного химсостава; 6 – образец для снятия серного отпечатка и определения послойного содержания С, S, Р;
7 - 10 – образцы для определения микроструктуры
Предел прочности, МПа
Середина
заготовки
240
225
Не менее 170
Внутренняя поверхность заготовки
290
246
Рис. 5. Матрица чугунной заготовки плавки № 90
Из шести отлитых опытных заготовок наиболее полно удовлетворяют требованиям
ТУ две заготовки:
1) плавка №90, максимальная толщина стенки по бурту – 110 мм, отлита под модифицирующим флюсом состава: флюс АНФ-29 – 30 %, медная окалина – 15 %, ферросилиций ФС75 – 55 %;
2) плавка №96, максимальная толщина стенки по бурту – 150 мм; флюс состава: АНФ-29
– 75%, медная окалина – 25%.
Анализ химсостава проводился от наружной поверхности к внутренней.
На образцах обеих заготовок был проведен послойный химанализ (табл.3), чтобы
проследить ликвацию элементов по сечению заготовки.
Таблица 3
Послойный химсостав отливок втулок судовых дизелей, полученных центробежным литьем
Содержание элементов, %
Проба
C
Si
Mn
S
P
Cr
Ni
V
Cu
90-1
2,70
2,24
0,74
0,036 0,069
0,45
0,52
0,21 0,71
90-2
2,75
2,24
0,73
0,037 0,074
0,43
0,59
0,18 0,67
90-3
2,99
1,95
0,78
0,037 0,066
0,43
0,52
0,17 0,59
90-4
2,92
2,29
0,72
0,052 0,066
0,42
0,51
0,20 0,62
96-1
2,83
1,97
0,94
0,035 0,060
0,19
0,50
0,22 0,54
96-2
2,76
1,88
0,85
0,033 0,054
0,17
0,39
0,19 0,51
96-3
2,75
1,82
0,91
0,034 0,088
0,16
0,36
0,17 0,50
96-4
2,89
1,90
0,89
0,043 0,074
0,17
0,32
0,16 0,47
96-5
3,03
1,74
0,91
0,054 0,078
0,17
0,36
0,15 0,50
96-6
3,36
1,70
0,91
0,030 0,074
0,20
0,35
0,16 0,47
30
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2008. № 2(18)
Из табл. 3 видно, что
легкие элементы (С, S, Р)
незначительно ликвируют к
внутренней поверхности, а
содержание тяжелых элементов (Cr, Ni, V, Ti, Cu) по
сечению практически остаа)
б)
ется постоянным.
В микроструктуре заготовки плавки № 90 наблюдается
значительное
содержание феррита (до 20
%). Можно предположить,
что причиной этому является
в)
г)
повышенное
содержание
Рис. 6. Микроструктура графита в чугуне опытной заготовки плавки
кремния в заготовке, кото№90: а – на наружной поверхности заготовки; б – на расстоянии 25 мм
рый был дополнительно ввеот наружной поверхности; в – в середине заготовки; г – на внутренней
поверхности заготовки
ден в составе модифицирующего флюса.
Анализ результатов исследований позволяет сделать следующие выводы:
1. Массивные толстостенные заготовки из чугуна перлитного класса типа отливок
втулок судовых дизелей можно получать с заданными ТУ свойствами и структурой центробежным способом с применением модифицирующего флюса. При этом расход жидкого металла для получения отливки втулки может быть сокращен почти в 2 раза по сравнению с существующим способом.
2. В качестве модифицирующего флюса необходимо применять смесь, состоящую из
шлакообразующего флюса АНФ-29 и медной окалины в соотношении 3:1 (вес. част.), подаваемую на жидкую поверхность. Расход такой смеси – около 0,3 кг на тонну жидкого
металла.
3. Для увеличения скорости кристаллизации и охлаждения заготовки во вращающейся форме изложницу необходимо охлаждать водой.
4. Для уточнения влияния технологических режимов на качество отливок необходимо продолжить опытно-промышленные испытания новой технологии.
5. Экономический эффект от внедрения центробежной отливки втулок может составить только за счет экономии металла (без учета других факторов) около 8 тыс. руб. на 1т
отливок втулок.
Материал поступил в редколлегию 14.04.08.
31
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2008. № 2(18)
УДК 621.8
В.П. Матлахов
ПОВЫШЕНИЕ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ
ТРЕНИЯ НА ОСНОВЕ СОЧЕТАНИЯ МЕТОДОВ НАНЕСЕНИЯ НИТРИДТИТАНОВЫХ ПОКРЫТИЙ И ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ
Рассмотрена технология обеспечения износостойкости цилиндрических поверхностей трения на основе
сочетания методов нанесения нитрид-титановых покрытий и последующей электромеханической обработки.
Найдены коэффициенты в кинетической модели изнашивания и проведены сравнительные испытания с
различными технологическими методами обработки.
Ключевые слова: износостойкость; электромеханическая обработка; нитрид-титановые покрытия; цилиндрические поверхности; трение.
Многие рабочие параметры изделия в основном определяются состоянием поверхностного слоя материала, из которого оно изготовлено. Экономически оправдывает себя
применение при изготовлении машин и аппаратов материалов с различными покрытиями,
обеспечивающими нужный комплекс свойств. Одной из технологий нанесения покрытий
являются методы физического осаждения покрытия (ФОП), получившие в мировой практике название РVD (phisical vapor deposition). Среди методов ФОП наибольшее распространение получил метод конденсации покрытия из плазменной фазы в вакууме с ионной
бомбардировкой поверхности (метод КИБ), разработанный Харьковским ФТИ совместно
с Мосстанкином и Всесоюзным научно – исследовательским институтом инструмента
(ВНИИ) [1]. В лаборатории УНТИ БГТУ работы по нанесению покрытий в вакууме ведутся на стационарной установке «Пуск-83», с торцовым дуговым испарителем и номинально
холодным катодом (рис.1).
Перспективы использования
метода обусловлены его уникальными особенностями: универсальностью, т.е. применимостью для
любых материалов; высокой производительностью, малой энергоемкостью, экономичностью, отсутствием инструментального контакта с обрабатываемым материалом; широким диапазоном удельных мощностей воздействия на деталь (от 0,1 до 1011 Вт/см), возможностью ускорения ионов металла с
помощью отрицательного заряда
на детали (относительно корпуса),
высокой управляемостью различными параметрами процесса с целью получения требуемых характеристик покрытия; малой инерциРис.1. Установка «Пуск-83»
онностью технологического процесса; быстротой перестройки; высокой воспроизводимостью параметров; возможностью
совмещения различных операций; экологической чистотой технологии; возможностью
локального и селективного воздействия на деталь[2].
38
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2008. № 2(18)
Материал с износостойким покрытием является новым материалом композиционного типа, в котором могут оптимально сочетаться свойства поверхностного слоя (высокие
значения твердости, теплостойкости, высокая сопротивляемость микро- и макроразрушению, пассивность по отношению к контртелу, способность к уменьшению контактных нагрузок, снижению мощности тепловых источников и благоприятному перераспределению
тепловых потоков, следовательно, к уменьшению термомеханической напряженности и
т.д.) и свойства, проявляющиеся в объеме детали (прочность, ударная вязкость, трещиностойкость и т.д.).
Методы ФОП получили распространение в связи с технологическими задачами микроэлектроники и лишь сравнительно недавно начали использоваться как эффективный
метод поверхностного упрочнения тяжелонагруженных деталей, эксплуатирующихся, как
правило, при высоких температурах в условиях контактных взаимодействий. Такие условия эксплуатации характерны для металлообрабатывающего инструмента, рабочих элементов штампов, пресс-форм, приспособлений, деталей машин, работающих при высоких
температурах в условиях адгезионного и диффузионного изнашивания[1,2]. Многочисленные исследования свидетельствуют о повышении стойкости режущего инструмента не
менее чем в два раза [1-3]. Однако для данных покрытий характерны такие недостатки,
как относительно низкая прочность сцепления с основой из-за сильной разности свойств
покрытия и основы, невысокая трещиностойкость и наличие дефектов покрытия (капельная фаза α-Ti, открытые поры, отслоения, наплывы, структурные неоднородности), способных вызвать процесс микрорезания поверхности контртела. Следовательно, в парах
трения, где износом контробразца пренебречь нельзя, например в подшипниках скольжения с втулкой из мягкого антифрикционного материала, подвергающейся сильному износу за счет процесса микрорезания о сверхтвердые неровности и дефекты TiN, необходим
переход к более твердым материалам втулки и дополнительная обработка вала с целью
устранения процесса микрорезания[4].
Одним из эффективных способов повышения износостойкости и антифрикционных
свойств покрытий, при минимальных энергетических затратах, может стать ЭМО (электромеханическая обработка). Основными причинами улучшения механических свойств
покрытий и основы при ЭМО являются стуктурно-фазовые изменения поверхностного
слоя, стимулированные высокоскоростным нагревом с одновременным силовым воздействием и последующим высокоскоростным охлаждением.
Технология ЭМО реализуется на специальной установке, представляющей собой
технологический комплекс, состоящий: из станка (применяемого для механической
обработки заготовок) с соответствующими инструментами и приспособлениями для
закрепления обрабатываемой детали и подвода электрического тока большой силы и
малого напряжения; силового блока для преобразования промышленного электрического
тока; блока управления режимами обработки; средств коммутации и подвода СОТС.
Источник питания конструктивно выполнен в виде отдельных, сопряженных между собой
блоков. Имеется панель ручного управления режимами обработки с индикацией их
значений, а также гнезда для подключения ПЭВМ, РПЗУ и соответствующих датчиков.
Панель содержит органы управления (и индикации) формой тока, напряжением, силой
тока, частотой тока, длительностью импульсов и пауз тока. Данная установка может
использоваться на базе любого токарного или фрезерного станка. В УНТИ БГТУ
электромеханическая обработка цилиндрических поверхностей ведется на токарновинторезном станке мод. 1К62 (рис. 2).
При электромеханической обработке использовалась сдвоенная инструментальная
головка с вертикальным расположением роликов из псевдосплава карбида вольфрама с
медью (рис. 3). Для отвода тепла оси роликов сделаны полыми. В эти полости и зону
упрочнения с помощью системы охлаждения станка подводится смазывающе38
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2008. № 2(18)
охлаждающая жидкость, представляющая собой раствор электролита (NaCO 3 -0,7%;NaNO 2 -2%;NaNO 3 -5%;H 2 O-92,3%).
Рис. 2. Общий вид модернизированной установки для проведения ЭМО
Рис. 3. Инструментальная оснастка при электромеханической обработке
Испытания на износостойкость проводились по схеме «вал - неподвижная колодка»
в условиях граничной смазки с применением АСНИ для проведения испытаний на трение
и изнашивание, созданной на кафедре «Триботехнология» УНТИ БГТУ на базе серийной
машины трения МИ-1М с нагружающим устройством оригинальной конструкции (рис.
4)[5].
Условия проведения испытаний принимались исходя из анализа работы деталей с
цилиндрическими поверхностями трения в типовых узлах трения: испытания проводятся в
условиях граничной смазки; смазывание – погружением части образца в смазочный мате38
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2008. № 2(18)
риал; смазочный материал – масло индустриальное И – 20А (ГОСТ 20799 – 75), скорость
скольжения υ = 1 м/с, нагрузка на индентор – 500 Н. В качестве материала индентора использовалась сталь 20Х2Н2М после цементации и закалки до твердости 61-63 HRC э .
Рис. 4. Нагружающее устройство модернизированной машины трения МИ-1М: 1 – датчик
нагрузки; 2 – контр-тело; 3 – образец; 4 – датчик температуры; 5 – датчик износа
Система позволяет контролировать и обрабатывать в реальном времени следующие
параметры испытания: нагрузку на образцы, момент трения, температуру, суммарный линейный износ. Для этой цели используются соответствующие датчики, усилители, плата
сбора данных, программное обеспечение. Информация, полученная с датчиков, обрабатывается с помощью ЭВМ в процессе испытаний и отображается на мониторе. После завершения испытаний программа автоматически генерирует отчёт в формате HTML.
Детали типа тел вращения (валы, оси, втулки) в основном изготовляют из конструкционных и легированных сталей, к которым предъявляются следующие требования: высокая прочность, хорошая обрабатываемость, малая чувствительность к концентрации напряжений, а также способность подвергаться термической обработке. Одной из наиболее
часто применяемых для таких деталей является сталь 45 (ГОСТ 1050-88). Поэтому для
проведения экспериментальных исследований на образцах использовалась эта сталь.
В результате проведения ряда предварительных исследований и на основе
рекомендаций литературных источников [1-4] были выбраны оптимальные режимы
нанесения нитрид-титановых покрытий.
Для выявления возможностей ЭМО было проведено исследование распределения
микротвердости по глубине и значений параметров шероховатости для двух видов тока:
переменного и постоянного (рис. 5, 6).
38
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2008. № 2(18)
Микротвердость поверхности при упрочнении ЭМО с постоянным током достигает
величины HV1000. Применение переменного тока обеспечивает аналогичную
микротвердость поверхности и более плавный переход значений микротвердости от
поверхности к сердцевине, но более высокие параметры шероховатости. Таким образом,
применение ЭМО с постоянным током можно порекомендовать для деталей с высокими
требованиями к шероховатости обработанной поверхности. Для деталей с низкими
требованиями к шероховатости и высокими требованиями к глубине микротвердости
целесообразно рекомендовать применение ЭМО с переменным током.
1000
Микротвердость, HV 0,1/10
900
800
700
600
500
400
300
200
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
Глубина, мм
Рис. 5. Зависимость микротвердости образца с ЭМО от глубины:
- постоянный ток;
- переменный ток.
Значения параметров шероховатости, мкм
30,000
25,000
20,000
15,000
10,000
5,000
0,000
Ra
Rq
Rz
Rmax
Rp
Параметры шероховатости
Рис. 6. Параметры шероховатости цилиндрических образцов с различными видами обработки:
- точение;
- переменный ток ЭМО;
38
- постоянный ток ЭМО.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2008. № 2(18)
В результате проведения испытаний на машине трения МИ-1М при
электромеханической обработке с постоянным током нитрид-титановых покрытий
методами линейного регрессионного анализа установлены значения коэффициентов К J , m
и n в модели изнашивания [6, 7], которая с учетом этих значений принимает вид
I h = 4,43 ⋅ 10-7 C 2Х,99 C 0F,36 . Методами регрессионного анализа установлена тесная
корреляционная зависимость между интенсивностью изнашивания и параметрами С Х и С F
(множественный коэффициент корреляции R = 0,81).
При электромеханической обработке с переменным током нитрид-титановых
покрытий методами линейного регрессионного анализа установлены значения
коэффициентов К J , m и n в модели изнашивания, которая с учетом этих значений
принимает вид I h = 1,29 ⋅ 10-8 C1Х,39 C 0F, 68 . Множественный коэффициент корреляции
R = 0,83.
Сравнение значений интенсивности изнашивания, рассчитанных и полученных
экспериментальным путем, позволяет считать рассматриваемый подход к определению
интенсивности изнашивания как функции от параметров C X и С F вполне обоснованным.
Для сравнения антифрикционных свойств нитрид-титановых покрытий,
обработанных ЭМО, были проведены исследования износостойкости и коэффициента
трения для различных технологических методов обработки поверхностей: точение
нетермообработанных образцов и образцов с объемной закалкой; шлифование после
объемной закалки; алмазное выглаживание, обкатывание роликом, ЭМО переменным
током после точения; нанесение нитрид-титановых покрытий без последующей обработки
и с их обработкой ППД и латунированием.
Результаты измерений коэффициентов трения в процессе изнашивания образцов
представлены на рис. 7а. Графики суммарного износа образцов и колодок приведены на
рис. 7б.
30
0,25
25
20
Суммарный износ, мкм
Коэффициент трения f
0,2
0,15
0,1
0,05
15
10
5
0
0
0
2
4
6
8
0
Время t,ч
2
4
Время t,ч
6
а)
б)
Рис. 7. Зависимость коэффициента трения скольжения (а) и суммарного износа (б) от времени
испытаний при различных методах обработки:
покрытие TiN+постоянный ток ЭМО;
нанесение покрытия TiN на сталь 45;
покрытие TiN+переменный ток ЭМО;
латунирование покрытия TiN;
точение (нетермообработанный образец);
шлифование после объемной закалки;
алмазное выглаживание стали 45.
38
ППД покрытия TiN;
ЭМО переменным током стали 45;
точение после объемной закалки стали 45;
обкатывание роликом стали 45;
8
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2008. № 2(18)
Обработка результатов позволила определить интенсивность изнашивания образцов
в период нормального изнашивания и коэффициенты в модели изнашивания для данных
методов обработки. Анализ полученных результатов сравнительных испытаний
показывает, что предложенные технологии улучшения антифрикционных свойств
покрытий ЭМО с постоянным и переменным токами позволяют обеспечить высокую
износостойкость цилиндрических поверхностей трения, но более предпочтительной
является ЭМО с постоянным током.
Такое повышение износостойкости объясняется улучшением антифрикционных
свойств покрытий и повышением твердости основного металла при ЭМО. В результате
ЭМО происходит существенное увеличение микротвердости подложки и диффузионного
слоя. Микротвердость подложки достигает HV 800…1200 до глубины 1 мм, т.е. исчезает
резкий перепад механических свойств в переходной зоне «покрытие-основа».
Оптимальные режимы ЭМО позволяют добиться параметров шероховатости Ra=0,3…1,6
мкм вследствие оплавления и сглаживания наиболее крупных дефектов покрытий. При
этом существенное значение имеет увеличение радиусов закругления микровыступов и
впадин, а также увеличение опорной поверхности, что приводит к повышению несущей
способности поверхности профиля и уменьшению контактных давлений сопрягаемых
деталей. Кроме того, этот способ позволяет получить данный результат и с применением
обыкновенной углеродистой или низколегированной стали, что недоступно для других
методов обработки, требующих использования высоколегированной стали основы.
CПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Обеспечение качества и улучшение характеристик режущих инструментов/ В.А. Бондаренко, С.И. Богодухов.- М.: Машиностроение, 2000.- 144 с.
2. Нанесение износостойких покрытий на быстрорежущий инструмент/Ю. Н. Внуков, А.А. Марков,
Л.В.Лаврова, Н.Ю.Бердышев.-Киев: Тэхника, 1992. -143 с.
3. Справочник оператора установок по нанесению покрытий в вакууме/ А.И. Костржицкий, В.Ф. Карпов,
М.П. Кабанченко, О.Н. Соловьева. – М.: Машиностроение, 1991. – 176 с.
4. Матлахов, В.П. Зависимость физико-механических свойств нитрид-титановых покрытий от давления
азота/ В.П. Матлахов // Вестн. БГТУ. - 2006.- №2.- C. 93-96 .
5. Горленко, А.О. Метод и автоматизированная установка для испытаний износостойкости цилиндрических
поверхностей трения после различных технологических методов обработки/ А.О. Горленко, В.П. Матлахов, М.И. Прудников// Гидродинамическая теория смазки – 120 лет: тр. междунар. науч. симпозиума: 2
т.– М.: Машиностроение – 1; Орел: ОрелГТУ, 2006. - Т.2. - С. 240-247.
6. Горленко, А.О. Моделирование контактного взаимодействия и изнашивания цилиндрических поверхностей трения / А.О. Горленко, В.П. Матлахов // Трение и смазка в машинах и механизмах. – М.: Машиностроение, 2007. – Вып.8. - С. 3-8.
7. Горленко, А.О. Обеспечение износостойкости поверхностей трения путем управляемого технологического воздействия / А.О. Горленко, В.П. Матлахов // Вестн.БГТУ. – 2007. - №2. - С. 10-15.
Материал поступил в редколлегию 20.12.07.
38
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2008. № 2(18)
УДК 621.891
С.Г. Бишутин, Г.А. Бишутин, А.И. Карпенков
СИЛА ТРЕНИЯ ПРИ КОНТАКТИРОВАНИИ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ СТАЛЬНЫХ
И ПОЛИУРЕТАНОВЫХ ДЕТАЛЕЙ
Представлены результаты экспериментальных исследований по оценке влияния геометрических размеров,
силы прижатия и методов механической обработки деталей сопряжения «грузонесущая цилиндрическая
штанга – ведущий полиуретановый ролик» фрикционных подъемников на силу трения в рассматриваемом
сопряжении.
Ключевые слова: контакт; цилиндрические детали; сталь-полиуретан; сила трения; параметры трибосопряжения.
В настоящее время довольно широкое распространение (особенно в технических
устройствах реабилитации инвалидов) получают фрикционные подъемники, работающие
за счет создания необходимой силы трения в сопряжении «грузонесущая цилиндрическая
штанга – ведущий ролик». Необходимую силу трения создают путем формирования в
контакте деталей данного сопряжения значительных давлений и/или искусственного увеличения высоты микронеровностей рабочей поверхности грузонесущей штанги. Такие
решения приводят к увеличению стоимости фрикционных подъемников и повышенному
износу ведущих роликов, облицованных полиуретаном. В связи с этим возникает необходимость определения рациональных условий контактирования указанных деталей.
В рассматриваемой паре трения ведущий ролик (рис.1), облицованный полиуретаном, контактирует со стальной цилиндрической поверхностью грузонесущей штанги. Полиуретаны представляют собой полимерные материалы, получаемые в результате полимеризации двухатомных спиртов (гликолей) и полиэфиров разного химического состава.
Полиуретан характеризуется высокими физико-химическими и эксплуатационными свойствами, что позволяет применять его во многих отраслях промышленности с высокими
требованиями к свойствам материала [1-3].
Для изготовления грузонесущей цилиндрической штанги используют прокат в виде труб различного
диаметра, выполненных, как правило,
из коррозионно-стойких сталей. Рабочую поверхность штанги в основном не подвергают дополнительной
обработке, реже применяют механическую обработку. Известны случаи,
когда грузонесущую штангу облицовывали наждачной бумагой для увеличения силы трения в контакте с ведущими роликами.
Рис. 1. Внешний вид ведущих роликов, облицованных
полиуретаном
Для имитации работы сопряжения «грузонесущая стальная штанга – полиуретановый ведущий ролик» фрикционного подъемника был изготовлен стенд
(рис.2). Стенд представляет собой рамную конструкцию, состоящую из магнитной стойки 1
с индикатором часового типа, испытуемого полиуретанового ролика 2, динамометра 3 типа ДОР-0.3 (ГОСТ 9500-60), стального цилиндрического образца 4, подставки 5, груза 6
на подвесе. Такая конструкция стенда позволяет измерять силу трения при контактировании цилиндрических стальных и полиуретановых деталей с заданной точностью.
39
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2008. № 2(18)
1
2
3
4
5
6
Рис. 2. Внешний вид стенда
Сила трения определялась на
этом стенде следующим образом.
Полиуретановый ролик 3 заключается в рамку 4 и опирается на её
ось (рис. 3). К рамке через шарнирные стержни крепится поперечина 10 с подвесом 11. На подвес
11 устанавливаются
грузы 12.
Меняя число грузов, можно создать требуемую силу прижатия
полиуретанового ролика к стальному образцу. К рамке 4, в месте
присоединения к ней поперечины,
прикреплены тяги 5, которые
имеют шарнирное соединение с
планкой 6. К планке 6 присоединен динамометр 7, шарнирно соединенный с тяговым винтом 8.
Винт 8 имеет рукоять 9 для его
вращения. При повороте рукояти 9
полиуретановый
ролик 3 начинает смещаться относительно
стального образца, и динамометр 7
фиксирует возникающую силу
трения.
Индикатор 2 для фиксирования величины смятия ролика устанавливается на магнитной стойке 1. Измерительный наконечник индикатора контактирует с роликом 3. Перед приложением нагрузки индикатор устанавливается на «ноль», после приложения нагрузки он показывает величину смятия полиуретанового ролика.
Рис. 3. Определение силы трения и величины смятия ролика
40
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2008. № 2(18)
При проведении экспериментов использовались трубы различных диаметров
(D ст =80…160 мм) из стали 45 и ролики диаметром 60…80 мм, облицованные полиуретаном и отличающиеся своими механическими свойствами.
Наружную цилиндрическую поверхность стальных образцов подвергали точению.
Точение выполнялось проходным резцом с твердосплавной пластиной с глубиной резания
0,4…0,6 мм, подачей 0,2 мм/об при частоте вращения шпинделя токарного станка 400
мин-1. В результате такой обработки на цилиндрической поверхности стальных образцов
были сформированы микронеровности, высота которых по параметру Ra составила
2,5…3,7 мкм.
В ходе экспериментов варьировался угол α поворота оси ролика относительно оси
стального образца (рис. 3). Значение угла α определяли с помощью двух подвесов, которые крепились на стержне ролика. Подвесы образовывали визирную плоскость для определения точного значения катета треугольника, острый угол которого численно равен величине α.
Каждый эксперимент повторялся по три раза. Затем определялись средние значения контролируемых величин. Результаты экспериментов сведены в таблицу.
Анализ полученных результатов показывает, что максимальное значение силы трения наблюдается при α = 4…8°. Практически во всех случаях большая сила трения достигалась при использовании полиуретана с твердостью 70…80 ед. по Шору (исключение составляет ряд экспериментов при α=0°). С увеличением диаметра стального образца от 80
до 120 мм сила трения увеличивается в среднем на 15…20%. При дальнейшем увеличении
диаметра стального образца до 160 мм сила трения меняется незначительно. Следует также отметить наличие тесной корреляционной связи между силой трения и величиной смятия полиуретанового ролика (коэффициент парной корреляции - более 0,9). Сила трения
увеличивается при росте нагрузки на ролик по зависимости, близкой к линейной.
Влияние методов механической обработки на силу трения в рассматриваемом контакте оценивалось на основе серии экспериментов. В первой серии экспериментов полиуретановый ролик контактировал со стальным цилиндрическим образцом, который был
подвергнут точению, при этом сила трения определялась при различных нагрузках. Диапазон нагрузок на полиуретановый ролик составлял от 300 до 600 Н. Вторая и третья серии экспериментов были проведены в аналогичных условиях на стальных образцах, подвергнутых абразивной и отделочно-упрочняющей обработке. Режимы подбирались таким
образом, чтобы высота шероховатости поверхности была такой же, как и в случае токарной обработки образцов.
Затем были составлены отношения ∆F сил трения в контакте ролика с образцами,
обработанными различными методами, к соответствующим величинам этих сил, полученным в опытах с образцом, подвергнутым токарной обработке. Для абразивной обработки
∆F=1,15…1,22, для отделочно-упрочняющей обработки ∆F=0,85…0,92.
Полученные данные показывают, что большая сила трения, при прочих равных условиях, наблюдается в контакте полиуретанового ролика со шлифованной цилиндрической поверхностью стального образца. Это может объясняться более развитым микрорельефом шлифованной поверхности по сравнению с микрорельефами, сформированными
при других исследованных методах обработки.
41
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2008. № 2(18)
Таблица
Результаты экспериментальных исследований трения полиуретановых роликов о сталь
Твердость полиуретана по Шору
70…80
88…93
Параметр
D ст ,
мм
80
80
80
80
80
80
80
80
80
80
80
80
120
120
120
120
120
120
120
120
120
120
120
120
160
160
160
160
160
160
160
160
160
160
160
160
P, Н
α, град
Δ, мм
А тр ,дел
F тр , Н
α, град
Δ, мм
А тр ,дел
F тр , Н
95
304
657
95
304
657
95
304
657
95
304
657
95
304
657
95
304
657
95
304
657
95
304
657
95
304
657
95
304
65 7
95
304
657
95
304
657
0
0
0
4,3
4,3
4,3
7,6
7,6
7,6
14,4
14,4
14,4
0
0
0
3,8
3,8
3,8
8,1
8,1
8,1
14,4
14,4
14,4
0
0
0
4
4
4
7,9
7,9
7,9
12,7
12,7
12,7
0,14
0,26
0,28
0,11
0,26
0,30
0,14
0,30
0,34
0,14
0,31
0,33
0,16
0,27
0,30
0,06
0,18
0,28
0,08
0,17
0,30
0,20
0,26
0,30
0,03
0,13
0,21
0,07
0,17
0,23
0,08
0,15
0,3
0,09
0,17
0,3
10
23
50
12
27
67
20
33
70
21
40
74
13
30
48
20
34
69
20
49
68
25
55
78
11
30
55
11
40
66
20
45
76
22
52
80
6,0
13,8
30,0
7,2
16,2
40,2
12,0
19,8
40,2
12,6
24,0
44,4
7,8
18,0
28,8
12,0
24,4
41,4
12,0
29,4
40,8
15,0
31,8
46,8
6,6
18,0
33,0
6,6
24,0
39,6
12,0
27,0
45,6
13,2
31,2
48,0
0
0
0
4,3
4,3
4,3
6,8
6,8
6,8
14,4
14,4
14,4
0
0
0
3,4
3,4
3,4
7,6
7,6
7,6
14,4
14,4
14,4
0
0
0
4,3
4,3
4,3
8,5
8,5
8,5
14,4
14,4
14,4
0,10
0,22
0,35
0,12
0,22
0,30
0,18
0,25
0,43
0,18
0,30
0,40
0,08
0,18
0,23
0,08
0,24
0,35
0,20
0,27
0,48
0,24
0,33
0,54
0,04
0,12
0,25
0,08
0,17
0,35
0,12
0,25
0,38
0,1
0,18
0,28
20
29
45
11
31
52
10
33
50
10
33
48
19
33
45
11
31
50
8,5
38
51
9
35
49
6
16
36
9
29
59
10
28
57
10
28
56
12,0
17,4
27,0
6,6
18,6
31,2
6,0
19,8
30,0
6,0
19,8
28,2
11,4
19,8
27,0
6,6
18,6
33,0
5,1
22,8
30,6
5,4
21,0
29,4
3,6
9,6
21,6
5,4
17,4
35,4
6,0
16,8
34,2
6,0
16,8
33,6
Пр и м еча н и е. D ст – диаметр стального образца; P – сила прижатия ролика к стальному образцу; Δ – смятие
ролика; α – угол поворота оси ролика относительно оси стального образца; А тр – число делений шкалы динамометра; F тр – сила трения; механическая обработка стального образца – точение.
42
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2008. № 2(18)
Анализ результатов исследований позволяет сделать следующие выводы и рекомендации по обеспечению силы трения в рассматриваемом сопряжении:
1. Для надежной работы пары трения «грузонесущая цилиндрическая штанга – ведущий ролик» целесообразно использовать штангу диаметром 100…120 мм; диаметр ведущего ролика должен быть не менее 80 мм, угол его наклона относительно оси штанги –
4…8°.
2. В качестве финишного этапа обработки грузонесущей штанги можно рекомендовать абразивную обработку, поскольку в этом случае в рассмотренном сопряжении будет
большее значение силы трения.
3. Контролировать силу трения в реальном сопряжении можно по величине смятия
полиуретанового ролика, так как между этими величинами существует тесная корреляционная взаимосвязь.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1.
2.
3.
Белый, В.А. Трение и износ материалов на основе полимеров / В.А. Белый, А.Н. Свириденко, М.И. Петроковец, В.Г. Савкин. – Минск: Наука и техника, 1976. – 432 с.
Булатов, Г.А. Полиуретаны в современной технике / Г.А. Булатов. – М.: Машиностроение, 1983. – 272 с.
Полимеры в узлах трения машин и приборов: справочник / под ред. А.В. Чичинадзе. – М.: Машиностроение, 1988. – 328 с.
Материал поступил в редколлегию 25.01.08.
43
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2008. № 2(18)
УДК 621.9.06; 621.7.07
В.В. Ерохин, В.В. Моисеев
ВИБРОУСТОЙЧИВОСТЬ ПОВОДКОВЫХ ЦЕНТРОВ
Представлены методика расчета поводковых центров на виброустойчивость и анализ факторов, влияющих
на виброустойчивость.
Ключевые слова: поводковый центр; виброустойчивость; поводковое устройство; методика расчета.
Одним из важных эксплуатационных свойств станочных приспособлений является
виброустойчивость, которая влияет на качество формообразования обрабатываемой
заготовки.
Виброустойчивость поводковой технологической оснастки определяется через
параметр внутреннего трения материала – коэффициент внутреннего (вязкого) трения β
(коэффициент диссипации колебательной системы, кг/с). Этот коэффициент входит в
дифференциальное уравнение затухающих колебаний, что позволяет более точно
анализировать не только затухающий колебательный процесс, но и резонансный режим
эксплуатации станочного приспособления.
Коэффициент внутреннего трения поводковой оснастки в виде стержневой
конструкции определяется по формуле [1, 2]
0,005 ρ д Dкр 
4
ωτ
ωτ
Mω 
T
,
0,02
+
+
β=
2 2
2 2


1 + ω τ 3(1 + µ )
24
π 
Tпл 1 + ω τ

2
где М – масса части поводкового устройства или его элемента, выступающей из заделки
(конуса Морзе шпинделя), кг; ω – частота вынужденных колебаний, с–1; Т – температура
детали поводковой оснастки, К; Т пл – температура плавления материала детали, К; ρ д –
плотность дислокационных петель (ρ д = 106 см–2 – для отожженной стали, ρ д = 1011 см–2 –
для закаленной стали), см–2; D кр – диаметр зерна, см.
τ=
d пр2
π 2D
=
d пр2 cρ
π 2 χt
,
где d пр – приведенный диаметр части поводкового устройства, выступающей из заделки,
м; D – коэффициент тепловой диффузии, м2/с; с – удельная теплоемкость тела, Дж
;
кг ⋅ К
χ t – коэффициент теплопроводности, Вт
.
м⋅К
Коэффициент затухания колебаний поводкового устройства или его элементов
определяем по формуле
δ = 0,5β/М, с–1.
Передаточная функция по параметру виброустойчивости детали технологической
оснастки определяется по формуле
47
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2008. № 2(18)
2δπ
ω 02i −δ 2
.
W =e
Собственные частоты стержня определяются по следующим формулам:
ω01 =
61,701 EJ x
3,515 EJ x
22,034 EJ x
; ω 02 =
; ω03 =
;
2
2
ρF
ρF
l2
l
l
ρF
ω0i =
π 2 (2i − 1)2
4l
2
( )
EJ x
, i∈ 4, R .
ρF
На рис. 1 представлено обобщенное поводковое устройство, которое содержит
следующие конструктивные элементы: основание; установочную часть; базирующую
часть; поводковую часть, жестко связанную с основанием (поводковая часть №1);
поводковую часть, жестко связанную с установочной частью (поводковая часть №2).
Рис. 1. Обобщенное поводковое устройство
Обобщенное поводковое устройство (рис. 1) имеет передаточную схему затухания
колебаний, представленную на рис. 2.
Wб.ч
Wуст.ч
Wосн
Wп.ч.2
Wп.ч.1
Рис. 2. Передаточная схема затухающих колебаний поводкового устройства:
W б.ч – передаточная функция базирующей части; W п.ч.2 – передаточная функция
поводковой части, жестко связанной с установочной частью;
W уст.ч – передаточная функция установочной части;
W п.ч.1 – передаточная функция поводковой части, жестко связанной
с основанием; W осн – передаточная функция основания.
47
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2008. № 2(18)
Общая передаточная функция поводкового устройства W п.уст рассчитывается по
формуле
W п.уст = [(Wб.ч + Wп.ч.2 )W уст.ч + W п.ч.2 Wп.ч.1 ]Wосн .
(1)
По формуле (1) можно определить передаточную функцию затухающих колебаний
поводкового устройства, представленного на рис. 1, при этом если в устройстве нет
какого-либо элемента или этот элемент плавающий, то его передаточная функция
равняется нулю (для плавающих элементов – только в направлении, где элемент не
лишается степени свободы). Также следует учитывать, что элементы поводкового
устройства могут состоять из различных деталей или сборочных единиц.
На рис. 3 представлен самоврезающийся поводковый центр, который содержит
следующие конструктивные элементы: основание; установочную часть; базирующую
часть; поводковую часть, жестко связанную с установочной частью (поводковая часть
№1); поводковую часть, жестко связанную с поводковой частью №1 (поводковая часть
№2).
Основание
Установочная
часть
Базирующая
часть
Поводковая
часть №1
Поводковая
часть №2
Рис. 3. Поводковый центр и его конструктивные элементы
Поводковый центр (рис. 3) имеет передаточную схему затухания колебаний,
представленную на рис. 4.
47
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2008. № 2(18)
Wб.ч
Wп.ч.2
Wуст.ч
Wосн
Wп.ч.1
Рис. 4. Передаточная схема затухающих колебаний поводкового центра
Общая передаточная функция поводкового центра Wп.уст рассчитывается по формуле
Wп. уст = (Wб .ч + Wп.ч.2Wп.ч.1 )Wуст.чWосн .
Технологическим показателем виброустойчивости технического объекта является
коэффициент резонансного режима (B р ) его эксплуатации, который показывает, работает
ли технический объект в области резонанса. Этот показатель определяется по формуле
B =
p
2Mω
01 .
β
При этом минимальная частота свободных колебаний ωmin обусловливает
динамический нерезонансный режим колебания поводкового устройства, при котором
коэффициент резонансного режима эксплуатации поводкового устройства должен быть не
более допустимого ([B p ] = 0,75).
Анализ виброустойчивости технологических центров (ГОСТ 1435-99, ГОСТ 1825772, ГОСТ 18259-79, ГОСТ 13214-79) и самоврезающихся поводковых центров показал,
что наибольшее влияние на виброустойчивость оказывает структура материала. Так, для
обеспечения безрезонансного режима эксплуатации поводковых центров необходимо,
чтобы диаметр зерна материала был не более 0,022 мм.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1.
2.
Ерохин, В.В. Виброустойчивость станочных приспособлений / В.В. Ерохин // Справочник. Инженерный
журнал. – 2005. – №3. – С. 34-39.
Финкельштейн, Б.Н. Внутреннее трение металлов: сб. ст. / Б.Н. Финкельштейн; пер. с англ.
Ю.Х. Векилова. – М.: ГНТИЛ по черной и цветной металлургии, 1963. – 128 с.
Материал поступил в редколлегию 19.12.07.
47
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2008. № 2(18)
УДК 621.001.4
М. И. Прудников
МЕТОД ТРИБОТЕХНИЧЕСКИХ ИСПЫТАНИЙ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ
ПОВЕРХНОСТЕЙ ТРЕНИЯ
Рассмотрены вопросы стандартизации и автоматизации триботехнических испытаний для одноступенчатого
решения задачи технологического обеспечения износостойкости. Предложен и обоснован метод испытаний
цилиндрических поверхностей трения, а также его реализация в виде автоматизированной системы научных
исследований.
Ключевые слова: автоматизированная система; триботехнические испытания; трибохарактеристики; цилиндрическая поверхность; индентор.
На сегодняшний день трибометрия является основным источником получения данных по триботехническим показателям. В последнее время все больше возрастает значение лабораторных испытаний, которые, в отличие от триботехнических испытаний в условиях эксплуатации и на стендах, не требуют больших затрат времени и в большей мере
позволяют изменять условия на поверхности трения и выделять основные параметры, оказывающие влияние на триботехнические характеристики. В условиях постоянно увеличивающегося количества триботехнических материалов и технологических методов обработки поверхностей трения возникает необходимость систематизации данных, полученных средствами трибометрии, организации автоматизированных баз данных, информационно-поисковых и экспертных систем. При создании баз данных всегда встает вопрос о
сопоставимости результатов различных экспериментальных исследований. В трибологии
отсутствуют инвариантные, т.е. не зависящие от методов и режимов их определения показатели. В связи с этим необходима разработка единых научно обоснованных и совершенных с технической точки зрения методов триботехнических испытаний.
Для триботехнических испытаний применяются различные испытательные установки, номенклатура которых достаточно велика и уже с трудом поддается учету. Часто используются установки, выполненные в единственном экземпляре. Сравнивать полученные
на различном испытательном оборудовании результаты экспериментальных исследований
затруднительно, так как на процессы трения и изнашивания влияет большое количество
факторов, в том числе жесткостные и вибрационные характеристики систем измерения
[2]. Следовательно, методика испытаний, применяемое автоматизированное оборудование
и управляющие программы должны быть составными частями единой системы как единого метода испытаний.
Существующие стандартные методы испытаний ориентированы на конкретные области использования, перечень которых весьма ограничен, классифицированы по объектам испытаний. Анализ результатов исследований, проведенных в рамках международного трибологического проекта VAMAS (Versailles Project on Advanced Materials and
Standarts) [8], посвященного сопоставлению и унификации используемых в мировой практике методов испытаний на трение и изнашивание, показал следующее. Количество существующих международных стандартов мало. Практически очень мало существующих в
разных странах стандартных методов имеют одинаковую область применения, и они зачастую дополняют друг друга. Многие методы совпадают по сути, но имеют отличия в
отдельных элементах методики.
Следует отметить, что фактически существующие стандартизованные и распространенные нестандартизованные методы лабораторных испытаний, за редким исключением,
предназначены для оценки триботехнических характеристик материалов. Поэтому в методике, как правило, заранее оговаривается или вовсе не учитывается способ подготовки ис48
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2008. № 2(18)
пытуемой поверхности образца. По мнению автора, в настоящий момент актуально рассмотрение триботехнических свойств поверхности трения, получившей определенное
технологическое воздействие, ведь поверхностные слои трибоэлементов, характеризующиеся совокупностью геометрических и физико-механических параметров качества, оказывают основное влияние на процессы трения и изнашивания.
Реализация перспективного одноступенчатого решения задачи технологического
обеспечения износостойкости сдерживается из-за отсутствия базы данных по зависимости
триботехнических показателей от условий обработки трибоэлементов [12].
Отсутствие единого нормализованного метода испытаний, применимого для данной
области, привело к многообразиям экспериментальных исследований и получению несопоставимых данных по износостойкости [13].
Будем рассматривать триботехнические испытания цилиндрических поверхностей
трения при трении скольжения в условиях граничной смазки. Обзор исследований показал, что большинство из них проводились применительно к наружным цилиндрическим
поверхностям при испытаниях по схеме «вал – колодка», имитирующей наиболее распространенное сопряжение «вал – втулка». При этом не было единого подхода к выбору материала контртела, его обработки, назначению нагрузочно-скоростных параметров испытания, выбору оборудования и схем измерения, что и привело к получению несопоставимых данных [13]. Сама схема «вал – колодка» обладает рядом недостатков, которые существенно ухудшают повторяемость опытов. В частности, при испытании по такой схеме
изнашивается как образец, так и контртело, что усложняет интерпретацию результатов.
Изготовление колодок для испытаний наружных и внутренних цилиндрических поверхностей достаточно трудоемко и материалоемко. При испытании практически невозможно
обеспечить одинаковое прилегание цилиндрических образцов и колодок, что значительно
увеличивает период приработки на макроскопическом уровне [7] и может привести к срабатыванию сформированного технологическими методами обработки поверхностного
слоя. К тому же, как известно, история приработки в значительной степени влияет на процесс установившегося изнашивания. Результаты испытаний по данной схеме в большинстве случаев нельзя использовать применительно к реальным узлам трения, а только лишь
для качественной сравнительной оценки [1].
Представляется более целесообразным для триботехнических испытаний цилиндрических поверхностей трения использовать схему с сосредоточенным (герцевским) контактом, при реализации которой можно избежать перечисленных недостатков. Для такой
схемы можно использовать малогабаритные, относительно простые, но в то же время высокоточные системы нагружения, а также инденторы простой геометрической формы в
качестве сменных трущихся элементов, применяемые для производства стандартных изделий, которые дешевы и недефицитны, в высокой степени идентичны по форме, размерам, объемным и поверхностным свойствам. Все это хорошо отразится на воспроизводимости экспериментов. В практике триботехнических испытаний, как показывает анализ,
уже применялись подобные схемы [6], однако они были реализованы таким образом, что
номинальная (или контурная) площадь контакта изменялась в процессе испытания по мере изнашивания образца и/или контртела. Единого подхода к интерпретации результатов
триботехнических испытаний, проведенных при постоянно изменяющихся условиях трения, пока нет [6].
В предлагаемом методе в качестве индентора используется твердосплавный ролик
диаметром 15,2 мм и шириной 4,6 мм, представляющий собой серийно выпускаемую
сменную неперетачиваемую пластину, применяемую для металлорежущего инструмента.
Одинаковые инденторы используются для испытания как наружных, так и внутренних
цилиндрических поверхностей (рис. 1) при трении скольжения в режиме граничной смаз-
49
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2008. № 2(18)
ки. Возможно аналогично проводить испытания плоских поверхностей при трении индентора по торцу цилиндрического образца.
Индентор принимается абсолютно жестким,
гладким и неизнашиваемым за один цикл испытаний,
что подтверждено предварительной серией экспериментов. Схемы с трением по радиальной цилиндрической поверхности вращающегося образца реализуются в большинстве серийно выпускаемых машин
трения. За базовую установку была взята машина
трения мод. МИ-1М. Для закрепления испытуеа)
б)
мых образцов были изготовлены сменные дерРис. 1. Схемы испытаний цилиндрических
жатели образца и индентора, обеспечивающие
поверхностей: а – наружных; б – внутренних
самоустановку последнего относительно поверхности трения образца на промежуточной сферической опоре (рис. 2).
Применение описанной схемы позволяет улучшить равномерность приложения нагрузки, износа образца и исключить период приработки на макроскопическом уровне,
длительность которого существенно выше, чем на микроуровне [7], что значительно сокращает общую продолжительность испытаний. Испытания проводятся практически при
постоянных условиях трения и смазки, постоянной геометрии контакта. Из рассмотрения
исключается фактор контртела, параметры которого не изменяются в течение одного цикла испытаний, что значительно облегчает интерпретацию результатов и позволяет оценивать износостойкость поверхности трения образца применительно к практически неизменному, фиксированному качеству поверхностного слоя индентора.
Метод испытаний разрабатывался на основе общего подхода, изложенного в литературе [16], с учетом ГОСТ 30480-97 и ГОСТ
30858-2003. Для получения достоверных и воспроизводимых результатов необходимо максимально строгое и точное воспроизведение и
поддержание в процессе испытаний всех контролируемых условий и режимов трения. Размеры образцов назначались в соответствии
а)
б)
Рис. 2. Держатели индентора и способы
с требуемой скоростью скольжения и
установки образцов для испытаний цилиндриГОСТ 30480-97, согласно которому диаческих поверхностей: а – наружных; б - внутренних
метр образца, испытываемого на машине
трения, должен быть не менее чем в 2,3 раза больше диаметра шпинделя машины. Скорость скольжения, принятая равной 1м/с, назначалась по результатам анализа условий работы типовых узлов трения с цилиндрическими поверхностями и исходя из требования
обеспечения граничного режима смазки, о чем подробнее будет сказано ниже. Испытания
по предлагаемому методу проводятся при комнатной температуре (без использования
внешних нагревателей или охлаждающих устройств). Продолжительность испытаний,
принятая равной 5 ч, установлена по результатам предварительных экспериментов. За это
время полностью завершается процесс приработки и износ образца достигает измеримой
современными средствами величины. Достаточно надежным критерием окончания приработки является стабилизация значений коэффициента трения, интенсивности изнашивания
и температуры. Поверхности трения образца и индентора непосредственно перед опытом
тщательно очищаются промывочными жидкостями и просушиваются. В качестве смазочного материала при испытаниях используется масло И-20А, как наиболее распространенное и недифицитное, характеристики которого хорошо изучены. Смазывание осуществля50
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2008. № 2(18)
ется окунанием образца на фиксированную глубину в ванночку со смазочным материалом
постоянного объема и конфигурации.
Нагрузки на индентор выбираются исходя из недопустимости достижения предельной величины относительного сближения и требования обеспечения условий граничной
смазки.
Предельная величина относительного сближения определена значением ε=0,38 [7],
после достижения которого дальнейшее увеличение нормальных напряжений будет приводить к макроскопическим деформациям контактирующих тел, на которые деформации в
зонах фактического контакта микронеровностей не будут влиять. Начиная с указанной величины относительного сближения будет сказываться взаимное влияние микронеровностей на процессы деформирования поверхностного слоя.
Величина контактного сближения далее рассчитывается в предположении преобладания его пластической составляющей при начальном приложении нагрузки. Справедливость данного допущения будет показана ниже. При коэффициенте трения f≤0,4 увеличением сближения вследствие наличия относительного скольжения контактирующих поверхностей можно пренебречь [7].
Предложена формула для расчета пластических деформаций поверхностного слоя
одной из контактирующих деталей с учетом шероховатости, волнистости и физикомеханических свойств [11], полученная на основе следующих соотношений:
ν
νw
y 
y 
N
N
,
(1)
≈
A r = A c tm пл  ; A c = A a tm w  пл  ; A r =
Ckσ т Hµ 0
 Wp 
 Rp 
где A r , A c , A a , – соответственно фактическая, контурная и номинальная площади контакта; tm, tm w – относительная опорная длина соответственно профиля шероховатости и волнистости на уровне средней линии; Rp, Wp – высота сглаживания соответственно профиля
шероховатости и волнистости; yпл – величина пластических деформаций; N – приложенная нагрузка; С – коэффициент стеснения; k – коэффициент упрочнения поверхностного
слоя; σ т – предел текучести материала; Hμ 0 – микротвердость поверхности.
Так как в предложенной схеме испытаний исключается влияние макроотклонения на
величину контактных деформаций, то величину пластических деформаций можно определить как [11]
y пл
 NRp ν Wp ν w
= 
 A a tmtm w Ckσ т
1
 ν +ν w

.

Учитывая тесную корреляционную связь параметров Rp=3Ra, Wp=0,6Wz и принимая
tm=0,5, tm w =0,5, ν=2, ν w =2 и Hµ 0 = Ckσ т [11], получим
1
 12,96Pa Ra 2 Wz 2  4
 ,
y пл = 
(2)
H
µ
0


где P a =N/A a – номинальное контактное давление.
Величина относительного сближения, обусловленная пластическими деформациями,
с учетом формулы (2):
1
 Wz  2
y пл
y пл
 .
(3)
ε=
=
= 0,316P 
 Ra Hµ 
R max 6Ra
0 

Величину номинального контактного давления P a для рассматриваемого случая контакта определяют по формулам теории Герца [7].
1
4
a
51
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2008. № 2(18)
Из формулы (3) очевидно, что нагрузки, соответствующие определенной величине
Ra Hµ 0
контактного сближения, в значительной мере определяются отношением
.
Wz
Используя формулы (1), найдем отношение A c /A a :
νw
y 
Ac
(4)
= tm w  пл  .
Aa
 Wp 
Очевидно, что A c /A a <1. Тогда с учетом формулы (3) после несложных преобразований получим
Wz
.
ε < 0,141
Ra
Для величины относительного сближения ε=0,33 получим Wz>2,33Ra. Можно показать, что при ε=0,33 и Wz=2,33Ra при расчете по формуле (4) контурная площадь A c будет
равна номинальной, A a . Таким образом, при Wz<2,33Ra величиной Wz в расчетах можно
пренебречь, а в формулу (3) подставить Wz=2,33Ra, что соответствует случаю A c =A a .
В рассматриваемой схеме контакта в общем случае реализуется граничный режим
смазки с элементами эластогидродинамики [4]. Для оценки режима смазки в парах трения
с неконформными поверхностями в ряде работ [14] рекомендуется использовать критерий
λ, представляющий собой отношение теоретической толщины эластогидродинамической
пленки смазочного материала h для гладких поверхностей к эквивалентной шероховатости:
h
.
(5)
λ=
2
Ra 1 + Ra 22
При λ<0,4 устанавливается режим граничной смазки.
Величина h для рассматриваемого контакта определяется из соотношения [15]
−0 ,18
h
 ηαv   P0 
,
(6)
= 1,65
  
R
 R   E′ 
где R – приведенный радиус контактирующих цилиндров; η, α – динамическая вязкость и
пьезокоэффициент вязкости смазочного материала; P 0 – максимальное давление в контакте по Герцу; E` - приведенный модуль упругости; v – скорость скольжения.
Условия граничной смазки предложено определять с учетом пластических деформаций поверхностного слоя [11] неравенством, которое для рассматриваемого случая можно
записать в виде
0 , 73
1
(
)
 1,7 P0  ν + 4
 ∏ 2 1 + f 2 − 1
Rp − 
0 , 73
σ
 ηαv 
 т 
(7)
>  0, 25  ,
1,65R 0, 27 E′ 0,18
 P0 
где П – комплексный параметр свойств поверхностного слоя, определяющий несущую
способность контактирующих деталей машин [11]; f – коэффициент трения скольжения.
По результатам расчета по программе на ЭВМ с использованием приведенных зависимостей (3, 5 - 7) получены значения нагрузок на индентор для проведения испытаний:
Ra Hµ 0
15…20 20…25 25…30
, Н0,5/мм
Wz
Нагрузка N, Н
60
180
445
При расчете нагрузок по результатам анализа [10, 11, 12] принимались диапазоны
варьирования: Ra=0,1…3,2 мкм; Wz=0,3…10 мкм; Hμ 0 =2000…5500 МПа. Так как поверхность индентора условно принимается абсолютно гладкой, то она должна быть доведена
52
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2008. № 2(18)
до Ra≤0,1/10=0,01 мкм [7]. Аналогично получены данные для внутренних цилиндрических и плоских поверхностей.
При выборе нагрузок в указанных диапазонах расчетное относительное сближение
составит ε=0,3…0,33 при реализации режима граничной смазки. Дополнительно проведенный расчет [7] показал, что во всем диапазоне предложенных нагрузок реализуется
пластический насыщенный контакт, что подтверждает правомерность принятых допущений. Пластический насыщенный контакт достигается в тяжелонагруженных узлах трения,
подшипниках скольжения, соединениях деталей, имеющих контакт в ограниченной области [7].
Для реализации метода испытаний на базе серийной машины трения МИ-1М создана
автоматизированная система научных исследований (АСНИ) с учетом современных требований к измерительным системам, изложенных в соответствующих нормативных документах [3]. АСНИ включает модернизированную машину трения, спроектированную оригинальную систему нагружения (рис. 3), измерительные датчики, систему сбора данных,
ЭВМ и разработанное программное обеспечение. На этапе разработки системы нагружения формировалась расчетная динамическая модель [2], а также конечноэлементная модель в среде программно-вычислительного комплекса SCAD для определения прочностных и жесткостных характеристик системы. Измерительная система включает датчики
прикладываемой нагрузки, момента трения, температуры смазочного материала и линейного сближения образца и индентора. Датчик нагрузки представляет собой упругий чувствительный элемент в виде восьмигранника [17] с наклеенными фольговыми тензорезисторами на пленочной основе КФ5П1-10-400 производства НПО «Веда», соединенными
по мостовой схеме.
Рис. 3. Система нагружения АСНИ с измерительными датчиками:
1 – датчик нагрузки; 2 – индентор; 3 - образец; 4 – датчик температуры
В качестве датчика момента трения используется маятниковый моментомер машины
трения. Действие маятниковых датчиков основано на компенсации момента трения реактивным моментом отклоненного маятника. Основным недостатком такого датчика является его инерционность, однако для данного метода испытаний это не слишком существенно ввиду значительной их продолжительности по времени. Чувствительность маятникового датчика регулируется с помощью набора сменных грузов. Для измерения угла отклонения маятника вместо примененного в базовом варианте машины трения самописца установлен тензометрический датчик перемещения. Температура смазочного материала измеряется серийно выпускаемой погружной термопарой ТХК. Измерение температуры сма53
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2008. № 2(18)
зочного материала в процессе испытания не позволяет количественно оценить температуру в зоне трения. Однако, отслеживая динамику ее изменения, можно установить момент
стабилизации температуры, что является одним из критериев завершения приработки.
Методы измерения износа регламентируются ГОСТ 27860-88. Их условно можно
разделить на методы, которыми можно измерять износ в процессе испытания без останова
машины трения, и методы, применимые только после снятия образцов. Применение методов второй группы не позволяет полностью автоматизировать процесс испытаний. К тому
же всякий повторный перерыв в испытаниях, разобщение и снятие образцов приводят при
продолжении испытаний к повторной приработке и износам, которые могут на порядок
превышать износ в стационарном процессе. К методам первой группы можно отнести
спектроскопические, радиометрические и методы измерения сближения при испытании.
Спектроскопические методы обладают недостаточной чувствительностью, а радиометрические сложны и требуют дорогостоящего оборудования. Анализ исследований показал,
что существует три зарекомендовавшие себя схемы измерения сближения в процессе испытания (рис. 4). В первой схеме [9] в качестве измерительной базы используется станина
установки (рис. 4 а). Такая схема пригодна для измерения сравнительно больших величин
износов, так как при этом в измеряемую величину сближения входят, кроме непосредственно износа, величина тепловых деформаций образца 1, индентора 2 и плиты 3 и величина радиальных биений образца 1. Этих недостатков лишена вторая схема [10] (рис. 4 б),
где в качестве измерительной базы используется поверхность образца 1. Однако здесь
щуп датчика 4, скользящий по поверхности образца 1, подвержен износу. Поэтому его
приходится периодически выводить из контакта, что приводит к дополнительным погрешностям.
а)
б)
в)
Рис. 4. Схемы измерения износа в процессе испытаний
Применение второй схемы требует от исследователя выполнения дополнительных
операций при испытании. К тому же расположение датчика непосредственно вблизи поверхностей трения неизбежно приводит к влиянию на него температурного фактора. В
описываемой АСНИ измерение износа реализовано по третьей схеме [5] (рис. 4 в) – с
адаптирующейся базой отсчета, – которая лишена недостатков, присущих двум другим
схемам. Реализуя ее, можно добиться погрешности измерения износа ±0,1 мкм [5]. Принцип действия устройства состоит в том, что база, относительно которой измеряется контактное сближение образца 1 и индентора 2, получает дополнительное перемещение, совпадающее по направлению и равное по абсолютной величине перемещению образца, вызванному его радиальными биениями и тепловым расширением. При включении привода
вращения образца 1 индентор 2 вместе с плитой 3 и датчиком линейных перемещений 4
совершает периодические перемещения в вертикальной плоскости с амплитудой, равной
величине радиальных биений. Компенсатор 5 вместе с индентором 2 беспрепятственно
перемещается в верхнее положение, а не доходя до нижнего положения, встречает на своем пути упор 7. В результате их взаимодействия компенсатор 5 сместится относительно
54
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2008. № 2(18)
индентора на величину, равную амплитуде колебаний, вызванных радиальным биением
образца. Пружина 6 зафиксирует новое положение компенсатора относительно индентора.
В этот момент фиксируется нуль датчика линейных перемещений 4. Аналогичным образом компенсируется тепловое расширение образца. Так как корпус датчика линейных перемещений, связанный с индентором, и щуп, связанный с компенсатором, имеют равные
по величине и направлению перемещения, то на регистрирующий прибор не поступает
сигнал, вызванный радиальными биениями и тепловым расширением образца. При изнашивании образца компенсатор, увлекаемый индентором, взаимодействует с упором и
смещается на величину износа образца. Тогда щуп сместится относительно корпуса датчика линейных перемещений, а регистрирующее устройство запишет процесс изнашивания во времени. В качестве датчика линейных перемещений применен индуктивный датчик Н-30 с Ш-образной системой завода «Калибр» точностью до 0,1 мкм. На этапе отладки системы износ измерялся как с помощью рассмотренной схемы, так и методом естественных баз со снятием профилограмм с поверхности образца после испытаний.
Основной функцией системы сбора данных в АСНИ является регистрация поступающих с датчиков сигналов. Она включает мобильный измерительный комплекс, систему согласования SC-2345 и плату сбора данных M-серии PCI 6220 производства компании
National Instruments.
Программное обеспечение АСНИ разработано в среде программирования NI
LabVIEW 7. Программа содержит модули ввода исходных данных, тарировки датчиков и
установки нуля, обработки и визуализации данных и обеспечивает отображение на мониторе измеряемых параметров (нагрузки, коэффициента трения, линейного износа образца,
температуры смазочного материала, пути трения) в виде графиков в реальном времени.
После испытаний автоматически генерируется отчет в формате HTML и создается ячейка
в единой базе данных, которая включает набор данных, сформированных с учетом ГОСТ
30858-2003: исходные параметры эксперимента, максимальные и средние значения интен0
0
сивности изнашивания ( I 0h max , I 0h ), коэффициента трения ( f max
, f 0 ) и температуры ( Tmax
, T0 )
в период приработки, средние значения интенсивности изнашивания ( I h ), коэффициента
трения ( f ) и температуры ( T ) в период нормального изнашивания, общий путь трения (L)
I f T L0
и путь приработки ( L0 ), а также симплексы 0h , 0 , 0 , . Интерфейс главного модуля
Ih f T L
программы с типичными результатами испытаний представлен на рис. 5.
Рис. 5. Интерфейс главного модуля программы АСНИ
55
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2008. № 2(18)
Следует отметить потенциальную возможность базирования разработанной АСНИ
на любой установке, имеющей привод, при устройстве соответствующего датчика момента или силы трения и проведении уточненных расчетов.
Предлагаемый метод испытаний позволит оперативно создать базу данных по технологическому обеспечению износостойкости и пополнять ее достоверными данными.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
13.
14.
15.
16.
17.
Браун, Э.Д. Моделирование трения и изнашивания в машинах / Э.Д. Браун, Ю.А. Евдокимов, А.В. Чичинадзе. – М.: Машиностроение, 1982. – 191 с.
Голего, Н.Л. Схемы и динамические модели машин для триботехнических испытаний / Н.Л. Голего,
В.А. Козаков // Трение и износ. – 1980. – Т. 1. - №2. – С. 334-340.
Гуртовцев, А.Л. Метрология цифровых измерений / А.Л. Гуртовцев // Современные технологии автоматизации. – 2008. - №1. – С. 66-74.
Дроздов, Ю.Н. Метод выбора керамических материалов для пары трения «кулачок-толкатель» / Ю.Н.
Дроздов, А.Г. Хуршудов, В.И. Панин // Трение и износ. – 1993. – Т. 14. - №3. – С. 479-485.
Кирпиченко, Ю.Е. Устройство для прецизионного измерения износа полимерных материалов / Ю.Е.
Кирпиченко, В.В. Невзоров, В.Л. Котов, Л.А. Пинчук // Трение и износ. – 1987. – Т. 8. - №5. – С. 921923.
Козырев, Ю.П. Применение сферических контртел в роликовых машинах трения // Ю.П. Козырев, Д.Г.
Точильников, Б.М. Гинзбург // Трение и износ. – 1992. – Т. 13. - №5. – С. 892-899.
Крагельский, И.В. Узлы трения машин: справочник / И.В. Крагельский, Н.М. Михин. – М.: Машиностроение, 1984. – 280 с.
Пекошевски, В. Системный анализ методологии трибологических испытаний конструкционных материалов / В. Пекошевски, В. Потеха, М. Щерек, М. Вишневски // Трение и износ. – 1996. – Т. 17. - №2. –
С. 178-186.
Прокопенко, А.К. Избирательный перенос в узлах трения машин бытового назначения / А.К. Прокопенко. – М.: Легпромиздат, 1987. – 101 с.
Рыжов, Э.В. Технологические методы повышения износостойкости деталей машин / Э.В. Рыжов. – Киев: Наукова думка, 1984. – 272 с.
Суслов, А.Г. Качество поверхностного слоя деталей машин / А.Г. Суслов. – М.: Машиностроение, 2000.
– 320 с.
Суслов, А.Г. Технологическое обеспечение и повышение эксплуатационных свойств деталей и их соединений / А.Г. Суслов [и др.]; под общ. ред. А.Г. Суслова. – М.: Машиностроение, 2006. – 448 с.
Суслов, А.Г. К вопросу о нормализации испытаний на трение и изнашивание / А.Г. Суслов, А.О. Горленко, М.И. Прудников // Стандартизация и менеджмент качества: сб. науч. тр. / под ред. О.А. Горленко,
Ю.П. Симоненкова. – Брянск: БГТУ, 2006. – С. 33-39.
Тихомиров, В.П. Методы моделирования процессов в триботехнических системах: учеб. пособие / В.П.
Тихомиров, О.А. Горленко, В.В. Порошин. – М.: МГИУ, 2004. – 292 с.
Трение, изнашивание и смазка: справочник / под ред. И.В. Крагельского, В.В. Алисина. – М.: Машиностроение, 1979. – Кн. 2. – 358 с.
Чихос, Х. Системный анализ в трибонике / Х. Чихос. – М.: Мир, 1982. – 352 с.
Saglam, H. Three-component, strain gage based milling dynamometer design and manufacturing / H. Saglam,
A. Unuvar // Transactions of the SDPS. – 2001. – Vol. 5. - №2. – P. 95-109.
Материал поступил в редколлегию 23.01.08.
56
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2008. № 2(18)
ТРАНСПОРТНОЕ МАШИНОСТРОЕНИЕ
УДК 621.86
А.В.Лагерев, И.А.Лагерев
ОПТИМАЛЬНОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ ВАЛОВ БАРАБАНОВ
ГРУЗОПОДЪЕМНЫХ КРАНОВ МОСТОВОГО ТИПА НА ОСНОВЕ
МОДЕЛИРОВАНИЯ УСТАЛОСТНОГО ОТКАЗА
Рассмотрено решение оптимизационной задачи определения размеров вала барабана грузоподъемного крана
мостового типа общего назначения, обеспечивающих минимальный вес при заданной долговечности в условиях развития усталостной трещины. Приведены размеры оптимальных вариантов валов барабанов кранов
различной грузоподъемности, режимов и условий работы.
Ключевые слова: оптимальное проектирование; мостовой кран; вал барабана; усталостный отказ; моделирование.
Целью оптимального проектирования валов барабанов грузоподъемных кранов является максимальное выявление и использование резервов несущей способности их конструкции и материала. Достижение этой цели возможно при создании валов, обладающих
наименьшим весом при удовлетворении заданных проектировщиком критериев жесткости
и статической прочности, а также заданных показателей долговечности и безотказности в
условиях возможного развития усталостного отказа. Опыт экспертного диагностирования
валов барабанов грузоподъемных кранов показывает, что подобный отказ в данной конструкции реализуется путем зарождения и дальнейшего развития эллипсообразной поперечной трещины, возникающей в ступени вала меньшего диаметра вблизи наиболее нагруженного галтельного перехода между соседними ступенчатыми участками.
Традиционно при проектировании конструкций подъемно-транспортной техники,
работающих под действием переменных во времени напряжений, возможность усталостного отказа учитывается расчетом в характерных сечениях величин запасов усталостной
прочности и сравнением с их допустимыми значениями. При таком подходе усталостный
отказ оказывается принципиально исключенным. Вследствие недопустимости присутствия в детали в процессе эксплуатации усталостной трещины и, таким образом, неучета резервов ее живучести спроектированные конструкции имеют неограниченный ресурс и избыточные массогабаритные характеристики. Тем не менее и при указанном подходе применение методов оптимального проектирования позволяет существенно снижать материалоемкость и габаритные размеры элементов конструкций грузоподъемных кранов, в частности валов барабанов механизмов подъема [1].
В данной статье предложен метод оптимального проектирования валов барабанов
грузоподъемных кранов мостового типа общего назначения номинальной грузоподъемности до 50 т включительно и режимов работы 2К-8К на основе моделирования развития
безопасных усталостных трещин в течение нормативного срока службы. Метод реализован в среде Borland Delphi 6.0 в виде комплекса SHAFT_OPTIM_CRACK.
В качестве наиболее перспективной конструкции вала, которая была использована
для оптимизации в условиях протекания усталостного отказа, был принят вал конструктивного исполнения 3 [1]. Наиболее вероятным сечением возникновения усталостной
трещины является наиболее нагруженное для данной конфигурации вала сечение 8,
имеющее минимальный запас усталостной прочности (рис. 1). Трещина возникает в наименьшей ступени диаметра d 3 вблизи галтельного перехода к ступени диаметра d 4 .
57
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2008. № 2(18)
Конструкция вала определяется набором числовых величин – размерами его отдельных конструктивных элементов (диаметрами и длинами ступенчатых участков вала). Некоторые из этих размеров не подлежат варьированию в процессе поиска оптимального
решения, т.е. при оптимизации являются неуправляемыми параметрами. К ним относятся
те, которые либо однозначно определяются другими размерами вала, либо уже были выбраны на предыдущих стадиях расчета. Остальные размеры вала могут включаться в
список управляемых параметров, варьируемых с целью нахождения оптимального решения. Из управляемых параметров формируется вектор неизвестных размеров {x} . Найденный в процессе оптимизации вектор {x} и вектор неуправляемых параметров {z} полностью определяют размеры оптимальной конструкции вала. Чем большее число размеров
вала принимается в качестве управляемых параметров, тем большего снижения материалоемкости оптимизируемой конструкции можно ожидать.
Сечение возникновения
усталостной трещины
Рис. 1. Конструктивный вариант оптимизируемого вала барабана механизма
подъема грузоподъемного крана
Задачу нелинейного условного оптимального проектирования валов барабанов грузоподъемных кранов мостового типа общего назначения в общем виде сформулируем
следующим образом: для конкретного варианта исполнения вала требуется найти такое
сочетание его варьируемых размеров, при котором достигается минимум веса с учетом
конструктивных, жесткостных и ресурсного ограничений
Ц ({x}, {z}) → min ;
(1)
d k ({x}, {z}) ≥ 0, k = 1, ..., K ;
(2)
r ({x}, {z}) ≥ 0;
(3)
qu ({x}, {z}) ≥ 0, u = 1, ..., U ,
(4)
где Ц - кубическая целевая функция (вес вала); d k , r , qu - системы линейных и нелинейных конструктивных, ресурсного и жесткостных ограничений на варьируемые размеры
вала соответственно.
Целевая функция (1) - вес вала, выраженный через векторы управляемых и неуправляемых параметров. Для вала на рис. 1
Ц ({x}, {z}) = πρ z1 x52 + 2 x7 x62 + 2 x8 x12 + 2 x4 x22 + z 2 x32 / 4 ,
где ρ - плотность материала вала.
Конструктивные ограничения d k (2) представляют собой геометрические соотношения,
накладываемые на отдельные размеры вала. К ним относятся ограничения на взаимные размеры соседних ступеней вала, вытекающие из условий его изготовления и сборки крано-
(
)
58
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2008. № 2(18)
вого барабана в целом; минимально допустимый размер узла соединения корпуса барабана с валом l2 min (длина ступени вала под ступицей), обеспечивающий контактную прочность поверхности вала и прочность соединительного элемента; минимально допустимый
диаметр ступени вала под подшипники d1 min , обеспечивающий создание подшипниковой
опоры требуемого ресурса. Необходимость обеспечения соответствия диаметра вала посадочному диаметру стандартного подшипника усложняет алгоритм решения оптимизационной задачи (1-4), так как для этого требуется целочисленное варьирование одного из
элементов вектора {x} при непрерывном варьировании остальных его элементов.
Жесткостные ограничения qu (4) представляют собой условия непревышения характерными деформациями упругой линии вала (прогибами и углами поворота поперечных
сечений) во всех расчетных сечениях U вала соответствующих допустимых величин. К
ним относятся ограничения на величину прогиба и угла поворота торцевого сечения приводного хвостовика вала, обеспечивающего нормальную эксплуатацию соединительной
муфты выбранного типоразмера; величину угла поворота ступеней вала, на которых устанавливаются подшипники качения; величину угла поворота ступеней вала, на которых
располагаются ступицы кранового барабана. Расчет прогибов и углов поворота сечений
вала барабана выполняется в форме проверочного расчета, при котором исходный вал
ступенчатого сечения заменяется на условный вал постоянного сечения с эквивалентной
исходному жесткостью.
Конструктивные ( d k ) и жесткостные ( qu ) ограничения при постановке задачи нелинейного условного оптимального проектирования валов барабанов грузоподъемных кранов на основе моделирования усталостного отказа в полной мере совпадают с ограничениями, рассмотренными при постановке задачи оптимизации валов без учета возникновения в них усталостных трещин [1].
Ресурсное ограничение r (3) представляет собой условие непревышения длиной усталостной трещины в наиболее опасном сечении вала, развивающейся за нормативное
число циклов работы крана N ц в течение срока его службы по ГОСТ 25546-82, предельно
допустимой с учетом заданной вероятности безотказной работы вала Pβ длины трещины
[a] . По смыслу вероятность безотказной работы Pβ связана с вероятностью появления
усталостной трещины Pγ в наиболее нагруженном сечении вала соотношением
Pγ = 1 − Pβ .
При этом вероятность появления усталостной трещины Pγ следует рассматривать как вероятность превышения переменным напряжением σ , действующим в расчетном поперечном сечении вала, локального значения конструктивного предела выносливости:
σ R (Pγ ) = σ R (1 + z Pγ vσR ) ,
где σ R , vσR - медианное значение предела выносливости и коэффициент вариации предела выносливости вала, определяемые согласно ГОСТ 25.504-82; z Pγ - квантиль нормального распределения, соответствующий заданной вероятности появления трещины в наиболее нагруженном сечении вала Pγ .
Для каждой группы режима работы крана 2К-8К число циклов N ц определяется по
классу использования крана C0…C9 при наибольшем классе нагружения Q4 (весьма тяжелый режим работы, т.е. постоянная работа с грузом, вес которого приближается к номинальному значению). Такой подход приводит к несколько искусственно завышенной
скорости роста усталостной трещины вследствие максимально жестких условий нагружения вала, не реализующихся в реальных условиях работы крана с грузами разного веса.
59
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2008. № 2(18)
При этом соответствующее числу циклов работы крана N ц максимально возможное число циклов изменения напряжений в вале барабана определяется зависимостью
H
[n ]N ,
π Dб N ц
где H - номинальная высота подъема груза; Dб - диаметр обечайки кранового барабана;
[n N ] - коэффициент запаса по числу циклов изменения напряжений в вале барабана до исчерпания ресурса.
При использовании для выражения зависимости скорости роста трещины уравнения
Париса [2] ресурсное ограничение (3) может быть представлено в виде
nцσ = 2
W (a = 0 )σ R (Pγ )
1
N0 
 +
Mи
C


m
[ a ]=amax /[ na ]
∫
K Ic − f I
Mи
πa
W (a = 0)
da − nцσ ≥ 0,
Mи
aпор
2 fI
π a − K I th
W (a = 0)
где W , M и - момент сопротивления и изгибающий момент в расчетном сечении вала;
m , N 0 - показатель наклона левой ветви кривой усталости в двойных логарифмических
координатах и абсцисса точки перелома кривой усталости, определяемые согласно
ГОСТ 25.504-82; С , n - эмпирические коэффициенты в уравнении Париса [2];
K Ic , K I th - критический и пороговый коэффициенты интенсивности напряжений материала вала; a - длина (глубина) полуэллиптической усталостной трещины; f I - функция
формы полуэллиптической поверхностной трещины [3]; [na ] - коэффициент запаса на
длину трещины.
Первое слагаемое в данной формуле определяет число оборотов вала до появления
усталостной трещины пороговой длины aпор , второе – число оборотов вала до достижения
трещиной допустимой длины [a] , третье – суммарное число оборотов вала за срок эксплуатации крана с учетом группы режимов его работы.
Пороговая длина усталостной трещины aпор , минимально необходимая для ее дальнейшего роста вплоть до наступления отказа, определяется решением нелинейного уравнения
Mи
f I (aпор )
π aпор = K I th .
W (a = 0)
Максимально возможная длина трещины amax , при достижении которой происходит
мгновенный долом вала, определяется минимальным из двух значений длины:
- критической ac по условию достижения коэффициентом интенсивности напряжений в вершине трещины критического значения K Ic , определяемой решением нелинейного уравнения
Mи
f I (ac )
π ac − K Ic = 0 ;
W (a = 0)
- статического излома aст по условию достижения в дефектном поперечном сечении
вала напряжениями изгиба величины предела текучести материала σ Т , определяемой решением нелинейного уравнения
πd4
αг
Mи
σТ
−
64
+
π d2 

4 
ост
yцт
(
2
d
ост
тр
−  − J тр (a = aст ) − Fтр (a = aст ) yцт
− yцт
2
(
ост
yцт
−
2
aст
60
2
− ω 2 xтр
)+
2
2
xтр
)
2
= 0,
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2008. № 2(18)
где α г - коэффициент концентрации напряжений в сечении (галтельный переход); d тр
ост
, yцт
диаметр сечения вала; Fтр (a ), J тр (a ) - площадь и момент инерции трещины; yцт
координаты центра тяжести трещины и остаточной (неразрушенной) части сечения вала;
ω - отношение осей поверхностной полуэллиптической трещины ( ω = a / b ∈ [0; 1] );
xтр - полуширина трещины.
Расчетная схема поперечного сечения вала с усталостной трещиной приведена на
рис. 2. Основные геометрические характеристики трещины и остаточного сечения вала
определяются соотношениями:
y
Остаточное
сечение
Центр тяжести
остаточного
сечения
d
x1
0
yтр
цт
a
ост
Фронт
трещины
Трещина
Центр тяжести
трещины
0
x
xтр
b
Рис. 2. Расчетная схема поперечного сечения вала с усталостной трещиной
- полуширина трещины xтр :
2
2
a 2 − ω 2 x тр
+ d 2 / 4 − x тр
−d /2 = 0;
- площадь трещины Fтр

 Q

a2
2
1
 +
Fтр =  x тр a 2 − ω 2 x тр
arctg 
+
 1 − Q 2 
ω

1 


2
2

 Q

d 
d 
2
2
 − x d ;

+ x тр   − x тр +   arctg 
тр
2 

2
2

 
 
 1 − Q2  

- функция формы в вершине поверхностной полуэллиптической трещины f I [3]
(
)
f I = 1,122 − 0,23ω − 0,901ω 2 + 0,949ω 3 − 0,28ω 4 ×
2
3
4

a
a 
a
a
× 1,0 + 0,157  − 0,634  + 4,59  − 6,626   ×
d 
 d  
d 
d 

2
3
4
5
a
a
a
a
a
1,121 − 1,199  + 4,775  − 1,628  − 7,035  + 13,27 
d 
d 
d 
d  ;
d 
×
2
3
4
a
a
a
a
1,12 − 0,231  + 10,55  − 21,72  + 30,39 
d 
d 
d 
d 
61
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2008. № 2(18)
тр
- положение центра тяжести сечения вала, занимаемого трещиной, yцт
:
2
2
d 
d   2
d 
d 
2
2 2
2
2
2 2

dx ;
x
x
x
a
x
a
−
+
−
−
−
−
−
+
=
ω
ω




∫
2
2
2 

4
0 


- момент инерции J тр сечения вала, занимаемого трещиной, относительно оси x :
тр
yцт
−1
Fтр
xтр 
2
2
2


 a 2 − ω 2 x 2 +  d  − x 2 − d   a 2 − ω 2 x 2 −  d  − x 2 + d − y тр  dx ;
J тр
цт 
∫
2 
2
2
4
0 


- площадь остаточного сечения вала Fост :
1
=
2
xтр 
Fост = π d 2 − Fтр ;
ост
- положение центра тяжести остаточного сечения вала yцт
:
ост
yцт
=

−1  π
Fост
d3
−
 8

2
2
 

 a 2 − ω 2 x 2 +  d  − x 2 − d   a 2 − ω 2 x 2 −  d  − x 2 + d  dx  ;

2 
2 
2
4
 


xтр 
∫
0
- момент инерции остаточного сечения вала J ост относительно оси x1 :
π d 2 d 2
2
 ост d  
ост
тр
J ост =
 +  yцт −   − J тр − Fтр yцт − yцт
4  16 
2  
- момент сопротивления остаточного сечения вала W (a ) :
πd4
W (a ) =
64
+
π d2 

4 
ост
yцт
(
(
2
)
2
;
d
ост
тр
−  − J тр (a = aст ) − Fтр (a = aст ) yцт
− yцт
2
(
ост
yцт
−
2
aст
2
− ω 2 xтр
)+
2
)
2
,
2
xтр
где Q1 = xтрω / a ; Q2 = 2 xтр / d .
Как видно из приведенных зависимостей, основные геометрические характеристики
усталостной трещины и остаточного сечения вала зависят от параметра ω , определяемого
соотношением полуосей a и b , т.е. от конфигурации фронта трещины. Однако расчеты
показывают, что изменение параметра ω в широких пределах (0,1…1,0) незначительно
(не более чем на 6…7 %) изменяет величину веса оптимального вала.
С помощью вычислительного комплекса SHAFT_OPTIM_CRACK был построен типажный ряд валов барабанов механизмов подъема кранов мостового типа общего назначения для
ряда стандартизованных значений номинальной грузоподъемности, режимов работы и рекомендуемой кратности грузового полиспаста. Их характерные геометрические размеры, типоразмеры призматических шпонок по ГОСТ 23360-78 узла соединения с обечайкой барабана и
роликоподшипников по ГОСТ 5721-75 сведены в табл. 1 и 2. При построении типажного ряда
валов была сделана ориентация на наиболее распространенные по условиям эксплуатации мостовые краны, установленные в типовых одноэтажных зданиях машиностроительных и механосборочных производств (высота подъема груза 15 м) в некоррозионноопасной среде, имеющие
средние режимы работы механизма подъема (4М) по ГОСТ 25835-83 и крана (4К, 5К) по ГОСТ
25546-82, изготовленные из Ст. 5 и 40Х. Коэффициент запаса по числу циклов изменения напряжений в вале до исчерпания ресурса [n N ] принимался равным 10, вероятность появления
усталостной трещины Pγ – 0,001, а параметр ω - 0,5. Размеры и вес крюковой подвески соответствовали ОСТ 24.191.08-81.
62
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2008. № 2(18)
Таблица 1
Оптимальные конструктивные размеры валов из стали Ст. 5 барабанов механизмов подъема кранов грузоподъемностью 5…50 т
ГрузоКратНаличие
подъемность
трещины
ность, т полиспаста
нет
5
2
да
нет
2
да
8
нет
3
да
нет
2
да
10
нет
3
да
нет
2
да
12,5
нет
3
да
нет
2
да
16
нет
3
да
нет
3
да
20
нет
4
да
нет
3
да
32
нет
4
да
нет
4
да
50
нет
5
да
Оптимальные конструктивные размеры вала, мм
d2
d3
d4
l1
l2
l4
d0
d1
95
100
150
118
120
200
95
100
160
132
140
215
110
110
180
148
120
168
135
150
132
190
168
160
150
130
120
180
170
140
160
150
140
130
200
190
180
170
245
200
255
230
235
215
290
255
210
220
330
188
200
190
310
65
52
82
62
68
55
90
68
78
60
95
70
85
68
105
80
95
75
108
82
95
72
120
105
118
95
150
115
132
105
72
58
98
68
80
60
110
75
90
65
118
82
100
75
138
92
115
80
130
88
115
80
155
110
145
100
172
120
158
110
85
150
130
110
195
185
155
150
230
220
190
180
260
248
210
200
325
320
230
225
90
170
120
130
100
145
135
145
110
165
155
135
125
148
138
180
120
185
175
208
155
232
192
182
172
63
270
225
220
370
322
430
420
342
335
15
12
130
15
75
12
190
35
145
15
245
160
195
15
290
160
205
15
168
18
230
62
320
22
285
20
40
24
160
22
Lp
Lв
1465
2015
1435
1880
1465
1815
1500
1980
1610
1850
1880
2230
2325
2630
2680
2935
2155
2100
2430
2420
2330
2230
2500
2435
2425
2400
2775
2690
2680
2655
2680
2660
2785
2765
3120
2990
3590
3565
3790
3680
4100
4010
4115
4085
Вес
Типоразвала, Н мер подшипника
869
3620
770
1891
3624
1499
1168
3620
947
2684
3628
2067
1738
3622
1319
3559
3632
2954
3630
2355
3626
1772
3624
4953
3636
4106
3634
3139
3628
2467
3857
3632
3131
3630
3243
3628
2391
3626
7867
3640
6539
3638
6117
3636
4646
3634
10516
3644
9104
8475
3640
6979
3638
Шпонка
25х14х220
32х18х250
28х16х200
36х20х280
32х18х220
36х20х360
32х18х280
40х22х400
36х20х320
40х22х320
36х20х280
45х25х500
40х22х400
50х28х500
45х25х450
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2008. № 2(18)
Таблица 2
Оптимальные конструктивные размеры валов из стали 40Х барабанов механизмов подъема кранов грузоподъемностью 5…50 т
ГрузоКратНаличие
подъемность
трещины
ность, т полиспаста
нет
5
2
да
нет
2
да
8
нет
3
да
нет
2
да
10
нет
3
да
нет
2
да
12,5
нет
3
да
нет
2
да
16
нет
3
да
нет
3
да
20
нет
4
да
нет
3
да
32
нет
4
да
нет
4
да
50
нет
5
да
Оптимальные конструктивные размеры вала, мм
d2
d3
d4
l1
l2
l4
d0
d1
95
100
150
118
120
190
95
100
155
132
140
215
110
110
175
148
150
240
120
120
200
168
170
280
135
140
200
150
150
260
132
140
215
190
190
325
168
170
280
210
220
355
188
190
305
52
42
65
50
52
45
72
55
62
48
80
62
68
55
92
70
75
60
85
65
75
60
105
80
98
72
116
90
105
82
60
45
75
55
60
48
85
60
70
52
92
65
78
58
108
72
88
62
95
70
88
62
120
85
112
78
138
92
120
85
64
85
90
110
110
90
90
120
130
125
100
105
135
145
110
110
160
155
175
170
125
135
140
148
142
120
125
175
190
152
170
205
192
172
172
225
215
190
190
10
30
10
75
10
55
12
82
10
20
12
15
10
85
15
125
15
35
15
16
12
24
18
22
15
90
18
24
18
Lp
Lв
1465
1880
1435
1940
1880
2285
1465
2020
2015
1815
2280
1500
2130
1980
2485
1610
2370
2360
1850
2430
1880
2530
2520
2230
2780
2325
3170
3165
2630
3380
2680
2935
3660
3630
3770
3770
Вес
Типоразвала, Н мер подшипника
601
3620
532
1096
3624
970
749
3620
631
1590
3628
1365
1054
3622
870
2068
3630
1876
1340
3624
1159
3250
3634
2840
1773
3628
1477
2494
3630
2180
1834
3628
1553
5051
3638
4558
3791
3634
3221
7160
3644
6082
5038
3638
4448
Шпонка
25х14х140
32х18х160
28х16х125
36х20х160
32х18х140
36х20х200
32х18х160
40х22х250
36х20х180
40х22х200
36х20х160
45х25х280
40х22х250
50х28х320
45х25х280
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2008. № 2(18)
Ц, кН а)
10
б)
- G=10 т
- G=16 т
- G=20 т
- G=32 т
- G=10 т
- G=16 т
- G=20 т
- G=32 т
8
6
4
2
0
Ц, Н
1000
3К
в)
4К, 5К
6К
7К
3М
- G=10 т
- G=16 т
- G=20 т
- G=32 т
г)
4М
5М
6М
G=32 т
800
600
20
400
16
200
10
0
С1 С2 С3 С4 С5 С6 С7 С8
10
20
30
40
H, м
Рис. 3. Зависимость веса оптимального вала при различной грузоподъемности крана от
технических характеристик: а - режима работы крана; б - режима работы механизма
подъема; в - класса использования крана; г - высоты подъема груза H
При отклонении технических характеристик кранов от принятых при построении типажных рядов необходимо проведение индивидуальных оптимизационных расчетов валов
с помощью вычислительного комплекса SHAFT_OPTIM_CRACK. Наибольшее влияние
на изменение весовых характеристик оптимальных валов оказывают отклонения таких параметров, как режим работы механизма подъема и крана в целом, номинальная грузоподъемность и высота подъема груза. Такие параметры, как класс использования крана и
вероятность появления усталостной трещины в наиболее нагруженном сечении вала, оказывают незначительное влияние. Количественное представление об этом дает анализ данных, представленных на рис. 3. При расчетах варьировался только исследуемый параметр,
а остальные параметры, определяющие конструкцию вала и условия эксплуатации крана,
оставались неизменными и соответствующими указанным выше значениям при построении типажного ряда валов из стали Ст.5.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Лагерев, А.В. Оптимальное проектирование валов барабанов грузоподъемных кранов мостового типа
общего назначения / А.В.Лагерев, И.А.Лагерев // Вестн. БГТУ.- 2006.- № 4.- С. 14-21.
2. Трощенко, В.Т. Сопротивление усталости металлов и сплавов. Ч. 1. / В.Т.Трощенко, Л.А. Сосновский. –
Киев: Наукова думка, 1987. – 505 с.
3. Справочник по коэффициентам интенсивности напряжений. Т. 2 / под ред. Ю.Мураками. – М.: Мир,
1990. – 1016 с.
Материал поступил в редколлегию 01.04.08.
65
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2008. № 2(18)
УДК 541.124/128
В.П. Горшунова, Т.Н. Цветкова
КИНЕТИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ОКИСЛЕНИЯ МОЛИБДЕНА И ВОЛЬФРАМА
В АТМОСФЕРЕ ВОЗДУХА НА НАЧАЛЬНЫХ СТАДИЯХ ПРОЦЕССА
Методом интерференционной индикации исследовано поведение молибдена и вольфрама на ранних стадиях
их окисления в атмосфере воздуха. Определены кажущиеся энергии активации процессов.
Ключевые слова: кинетика окисления; молибден; вольфрам; метод интерференционной индексации.
Молибден и вольфрам относятся к очень жаропрочным металлам (молибден плавится при 2620о С, а вольфрам – при 3340о С), но жаростойкость их невелика. Они начинают
окисляться при температуре около 500о С. Известно, что из чистых молибдена и вольфрама изготовляют детали электронных ламп, нити накаливания для электроламп, а вольфрамовую проволоку и стержни применяют в качестве нагревательных элементов высокотемпературных печей. Долговечность эксплуатации этих приборов и оборудования существенно зависит от химической устойчивости данных металлов. Поэтому представляет
интерес изучение поведения молибдена и вольфрама в атмосфере воздуха на начальных
стадиях процесса окисления. Поставленная задача решалась методом интерференционной
индикации (МИИ).
Метод позволяет по времени изменения интерференционной окрашенности пленок
судить о скорости физико-химических процессов, протекающих на поверхности твердых
тел. При небольшом изменении толщины (в пределах 20…40 нм) среднюю скорость процесса роста или утонения пленок ϑñð можно представить как экспоненциальную функцию
температуры:
−E
dy ∆y
ϑñð = ≅
= Ae RT ,
dτ ∆τ
где y – толщина пленки; τ - время; А – предэкспоненциальный множитель; Е – кажущаяся
энергия активации; R – универсальная газовая постоянная; Т – абсолютная температура.
При изменении толщины пленки в пределах двух цветов, принятых за эталон, ∆y =
=const. Если время измерять от 0, то ∆τ = τ. Тогда
E
lgτ =
+C,
2,3RT
т.е. главными кинетическими характеристиками процесса становятся τ и Е.
Толщина пленок, принятых за эталоны интерференционной окрашенности, была определена эллипсометрическим методом (табл.1).
Установлено, что толщина пленки
Таблица 1
определенного эталонного цвета не заТолщина интерференционно окрашенных
висит от температуры ее формирования
оксидных пленок на молибдене и вольфраме
(в исследованном интервале температур). Это предопределило возможность
Эталонный цвет
Толщина пленки, нм
изучения кинетики процессов с участиоксидной пленки Молибден Вольфрам
ем окрашенных пленок без измерения
их толщины.
Светло-желтый
35
Все опыты с интерференционно
Желтый
35-40
38
окрашенными оксидными пленками
Коричневый
46
47
проводили в обогреваемой прозрачной
Фиолетовый
57-58
57
кварцевой трубке, что обеспечивало
Синий
77-78
82
возможность непрерывного визуальноГолубой
95
110
66
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2008. № 2(18)
го контроля за изменением цвета пленок на исследуемых металлах. Температура в трубке
измерялась хромель-алюмелевой термопарой с точностью ±5 °С и поддерживалась постоянной с помощью терморегулятора ПСР-1-01.
В работе использовались образцы поликристаллических молибдена и вольфрама с
содержанием основного металла 99,9% в виде пластинок размером 1 × 10 × 20 мм.
Экспериментальные данные о времени τ изменения интерференционной окрашенности оксидных пленок обрабатывались в координатах lg τ 1/Т.
Электронографическое
исследование интерференционно окрашенных оксидных
пленок на молибдене и вольфраме, выращенных термическим оксидированием соответствующих металлов в атмосфере воздуха при температурах 400…650 °С, показало, что
основными
составляющими
верхних слоев оксидных пленок, независимо от температуры образования и толщины,
являются
высшие
оксиды
МоО 3 и WO 3 .
Выявлены определенные
кинетические
особенности
процессов оксидирования молибдена и вольфрама.
Рис. 1.Зависимости τ = ϕ(t) и lg τ = ϕ(1/Т) при оксидировании
Как следует из рис.1 и
молибдена, τ - время изменения интерференционной окрашеннотабл. 2, кажущаяся энергия аксти: 1- от светло-желтой до коричневой; 2 –от коричневой до
тивации окисления молибдена
фиолетовой; 3 –от фиолетовой до синей; 4 – от синей до голубой
при образовании на нем цветов
побежалости зависит как от температуры, так и от толщины оксидных пленок.
Существенное изменение энергии активации (в 2-3 раза) в относительно небольшом
температурном интервале (≈200° С) обусловлено большой летучестью МоО 3 . Возгонка оксида в процессе роста окрашенной пленки увеличивает время достижения эталонного цвета,
и поэтому на графике lg τ Таблица 2
1/Т при температуре 525° С
Энергия активации окисления молибдена в зависимости
появляется отклонение от
от температуры и толщины оксидной пленки, кДж/моль
линейности. В данном случае определенное из графиТемпература, °С
ка значение энергии актиИнтервал окрашенности
вации
для
температур
425…525 525…600
525…600° С соответствует
Светло-желтый - коричневый
140,8
50,3
сложному
соотношению
Коричневый - фиолетовый
149,2
59,1
процессов окисления меФиолетовый - синий
195,7
60,8
талла и возгонки его высСиний - голубой
207,0
75,8
шего оксида.
67
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2008. № 2(18)
Объяснение полученных результатов подтверждено измерением скорости возгонки
оксидных пленок в атмосфере аргона. Эти измерения показали, что ниже температуры
525° С при изучении процессов роста оксидных пленок на молибдене скоростью возгонки
оксида в первом приближении
можно пренебречь.
На рис.2 представлены кинетические данные окисления
вольфрама в интервале 400…650
°С. Опытные результаты достаточно хорошо легли на прямую
линию, что дало возможность
определить кажущуюся энергию
активации. Из графика следует,
что переход к более толстым
пленкам практически не сказывается на величине энергии активации, среднее значение которой оказалось равным 133,8
0
кДж/моль. Возгонка оксидной
Рис.2. Зависимость времени окисления в пределах
пленки на вольфраме в пределах
эталонных цветов от температуры: 1 – от желтого
изученных температур не надо коричневого; 2 – от коричневого до фиолетового;
блюдалась.
3 – от фиолетового до синего
Материал поступил в редколлегию 24.05.07.
68
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2008. № 2(18)
УДК 621.762.
В.В. Кондратович, В.П. Тихомиров, А.Г. Стриженок
ВЛИЯНИЕ СОСТАВА МЕТАЛЛОКЕРАМИЧЕСКОГО СПЛАВА
НА ТРИБОТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ФРИКЦИОННОЙ
МУФТЫ ЭЛЕКТРОПРИВОДА СТРЕЛОЧНОГО ПЕРЕВОДА
Рассмотрено влияние состава металлокерамического сплава на износостойкость и триботехнические характеристики фрикционной муфты электропривода стрелочного перевода.
Ключевые слова: металлокерамический сплав; фрикционная муфта; триботехнические характеристики; износостойкость.
Электропривод для стрелочного перевода (рис. 1) относится к средствам управления
положением железнодорожного пути на стрелочном переводе.
Рис. 1. Электропривод стрелочного перевода
Электропривод, обеспечивающий возвратно-поступательное перемещение шибера,
взаимодействующего со стрелкой железнодорожного пути, содержит электродвигатель 1,
муфту 2, редуктор 3, открытую зубчатую передачу 5, главный вал 6 с шестерней 7, автопереключатель 9, которые приводят в движение шибер 8. В редукторе 3 размещена предохранительная фрикционная муфта 4, включающая в себя ряд поочерёдно установленных
неподвижных (10) и подвижных (11) дисков (рис.1, 2).
Серийно выпускаемый ЗАО «Термотрон-завод» электропривод СП - 6М снабжён
фрикционной муфтой с подвижными и неподвижными дисками, выполненными из конструкционной стали. Недостатком указанной муфты является низкая износостойкость и стабильность её работы в режиме теплоимпульсного трения. Задачи повышения долговечности, обеспечения надёжной работы предохранительной фрикционной муфты и безопасно69
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2008. № 2(18)
сти железнодорожного движения решались путём применения композиционных материалов на железной основе в качестве поверхностей трения подвижных дисков.
Исследования показали, что небольшие изменения в химсоставе сплава существенно влияют на износостойкость и триботехнические характеристики.
Железо является основным связующим компонентом и обеспечивает общую прочность порошкового сплава.
Олово, благодаря низкой температуре плавления, образует в процессе теплоимпульсного трения рабочий слой, обеспечивающий положительный градиент механических
свойств по глубине и предохраняющий поверхности трения от интенсивного изнашивания. Содержание олова в порошковом фрикционном сплаве менее 9 % приводит к снижению износостойкости при некотором увеличении коэффициента трения.
Дисульфид молибдена служит в процессе трения твердым смазочным материалом,
препятствующим молекулярному схватыванию поверхностей. Этот компонент способствует укреплению каркаса сплава, обеспечивая повышение общей прочности спеченного
порошкового материала. Содержание в сплаве дисульфида молибдена менее 1,5 % значительно уменьшает износостойкость, а при его содержании более 3 % не наблюдается существенных изменений триботехнических характеристик порошкового фрикционного
сплава в процессе теплоимпульсного трения.
Диоксид кремния, являясь абразивным материалом, увеличивает коэффициент трения и уменьшает локальный объем материала, подвергшийся схватыванию.
Графит имеет слоистую (ламеллярную) структуру и в процессе теплоимпульсного
трения служит твердым смазочным материалом, препятствуя молекулярному схватыванию трущихся поверхностей. При увеличении содержания графита свыше 5 % растет стабильность коэффициента трения и существенно уменьшается износостойкость.
Введение в состав порошкового фрикционного сплава свинца увеличивает общую
прочность сплава и повышает его износостойкость. Содержание его в составе сплава менее 1,7 % приводит к уменьшению износостойкости и стабильности коэффициента трения, а при введении свинца более 2,5 % вместе с некоторым увеличением стабильности
уменьшается величина коэффициента трения покоя.
Методом нейрокомпьютерного моделирования были рассмотрены 9 виртуальных
составов композиционных материалов. Исследование фрикционных характеристик проводилось в условиях теплоимпульсного трения на стенде, моделирующем работу предохранительной фрикционной муфты (Т ном = 4,94 Н ּ◌м; Т max = 12,36 Н ּ◌м; коэффициент запаса
сцепления β = 1,5; начальная скорость на среднем диаметре диска v 0 = 1,73 м/с).
По результатам испытаний оценивались максимальный коэффициент трения покоя
и коэффициент трения скольжения, а также объёмный износ, соответствующий 105 включениям фрикционной муфты.
В итоге из девяти составов был выбран фрикционный сплав на основе железа (условный номер 07К), содержащий олово, дисульфид молибдена, диоксид кремния, графит
и свинец, обладающий высокой износостойкостью и стабильными триботехническими
характеристиками в условиях теплоимпульсного трения.
Методом порошковой металлургии было изготовлено несколько малых партий
подвижных дисков (с последующей шлифовкой и пропиткой маслом АМГ-10). После этого диски прошли всесторонние испытания в составе электропривода СП-6М в испытательной лаборатории ИЦ АТСЖТ ЗАО «Термотрон-завод» в соответствии с
ТУ32ЦШ2104-2002.
Кроме того, были проведены ресурсные испытания металлокерамических фрикционных дисков в составе электропривода СП-6М в течение 1,2·106 переводов рабочего шибера (при рабочей нагрузке на шибере 3500 Н).
R
R
R
R
R
R
P
P
70
P
P
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2008. № 2(18)
Результаты ресурсных испытаний показали достаточно высокие триботехнические
характеристики: коэффициенты трения покоя и скольжения соответственно равны f пок ≈
0,34…0,41, f ск = 0,25…0,29; износ составил 0,03 мм за период 105 включений муфты.
Фрикционные свойства применяемого композиционного материала позволили сократить число подвижных дисков с четырех до двух (рис. 2) и значительно увеличить стабильность работы муфты в диапазоне температур от -60 до +45 0С.
Рис. 2. Фрикционная муфта с двумя подвижными дисками
Таким образом, как показали испытания, компоненты, входящие в металлокерамический сплав в оптимальном соотношении, обеспечивают повышенную износостойкость и
надежную работу фрикционной муфты электропривода стрелочного перевода.
Совокупность требуемых конструктивных, фрикционных и эксплуатационных
свойств предохранительной фрикционной муфты позволяет значительно повысить долговечность и надежность работы привода, снизить затраты на его изготовление, обслуживание и ремонт и безопасность железнодорожного движения.
Материал поступил в редколлегию 26.12.07.
71
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2008. № 2(18)
ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ МАШИНОСТРОЕНИЕ
УДК 62.135
А.И.Кириллов, Д.К.Зайцев, Е.М.Смирнов, С.А.Галаев
ОПЫТ ТЕСТОВЫХ И ПАРАМЕТРИЧЕСКИХ РАСЧЕТОВ ТУРБУЛЕНТНОГО
ТЕЧЕНИЯ ЧЕРЕЗ ТРАНСЗВУКОВЫЕ ТУРБИННЫЕ РЕШЕТКИ1
Представлены результаты методических, тестовых и параметрических расчетов, демонстрирующих реальную возможность корректного численного моделирования турбулентного течения газа в решетках турбомашин на основе осредненных по Рейнольдсу уравнений Навье-Стокса. Выполнен расчет трансзвукового обтекания плоских решеток в стационарной двумерной постановке при натурных скоростях потока с помощью
гидродинамического пакета общего назначения. По полученным полям течения определены коэффициенты
потерь, углы выхода потока, силовые и моментные характеристики профилей.
Ключевые слова: турбулентное течение; турбинные решетки; трансзвуковое обтекание; тестовый расчет; параметрический расчет.
Перспективы успешного развития отечественной энергетики, а также авиационного
транспорта, газовой промышленности и многих других отраслей в значительной мере связаны с повышением эффективности и надежности тепловых турбомашин, что требует совершенствования их проточных частей, в первую очередь – лопаточных аппаратов.
Разработка аэродинамических профилей для решеток турбомашин – процесс трудоемкий, требующий высокой квалификации разработчика. Чаще всего профиль строится на
основе реального прототипа и/или обобщенных опытных данных для подходящего класса
решеток, в соответствии с результатами газодинамического расчета проточной части турбомашины (число Маха, углы входа и выхода потока), с учетом прочностных и технологических ограничений. При этом профиль должен обладать возможно меньшим коэффициентом профильных потерь в некотором диапазоне режимных параметров (расход, угол
натекания, перепад давления и др.).
Аэродинамические качества профиля обычно оценивают, решая сравнительно простую задачу плоского потенциального обтекания решетки. По полученной эпюре распределения давления вдоль обвода профиля судят о наличии нежелательных участков с
встречным градиентом давления и, выполнив расчет пограничного слоя или полагаясь на
интуицию, корректируют профиль. Поскольку такой способ не дает полной уверенности в
высоких аэродинамических качествах решетки (особенно при трансзвуковом обтекании),
спроектированную решетку подвергают, как правило, дорогостоящему и трудоемкому
экспериментальному исследованию.
Успехи вычислительной гидродинамики и накопленный опыт ее применения для
моделирования течения в решетках турбомашин позволяют существенно сократить долю
экспериментальных работ при доводке лопаточных аппаратов для турбомашин, новых или
модернизируемых, поскольку грамотно выполненный расчет позволяет обеспечить точность определения газодинамических характеристик решетки не ниже, чем в эксперименте. Внедрению современных методов численного моделирования в практику проектирования проточных частей турбомашин способствует оснащение конструкторских бюро и проектных организаций достаточно мощными современными компьютерами, а также наличие
специализированных и универсальных коммерческих гидродинамических программных
продуктов.
Работа выполнена при частичной поддержке гранта 08-08-00400 Российского фонда фундаментальных исследований и гранта НШ-5917.2008.8 Российской программы поддержки ведущих научных школ.
1
72
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2008. № 2(18)
Тем не менее в практике проектных и конструкторских бюро численное моделирование гидродинамических процессов в турбомашинах используется достаточно редко. Отчасти это связано с относительно большим (по сравнению с используемыми инженерными методиками) временем расчета. Немалую проблему представляет недостаток опыта
в решении подобных задач: ведь проведение физически корректного расчета турбулентного течения в решетке требует не только обоснованного выбора приемлемой физической
модели (стационарность, сжимаемость, теплопроводность, радиация, конденсация и т.п.) и
модели турбулентности с учетом особенностей рассматриваемой задачи и режимных параметров течения, но и построения достаточно хорошей расчетной сетки, грамотного задания граничных условий, выбора параметров численного метода, контроля качества получаемого решения и т.д. Причем многие из перечисленных элементов зависят друг от
друга, а иногда и от особенностей и возможностей применяемого программного пакета.
Наконец, нельзя сбрасывать со счетов сохраняющееся недоверие практиков к результатам
численного моделирования, которые нередко воспринимаются как чисто качественные,
требующие последующей экспериментальной проверки и корректировки.
Не отрицая безусловной ценности для конструктора физически корректного (пусть
даже лишь качественного) понимания процессов в проектируемом агрегате, будем все же
считать конечной целью численного моделирования получение удовлетворяющих инженерным требованиям точности данных по интегральным и локальным параметрам турбулентного течения и теплообмена в проточных частях турбомашин. Настоящая статья призвана показать, как достигается поставленная цель при использовании современных универсальных гидродинамических программных продуктов применительно к расчету трансзвуковых течений в решетках осевых турбин.
Постановка задачи и численный метод. Представляемые расчеты обтекания плоских решеток выполнены в стационарной двумерной постановке при натурных сверхзвуковых скоростях и числах Рейнольдса. Течение описывалось осредненными по Рейнольдсу уравнениями Навье-Стокса [1]; газ считался совершенным. Эффекты турбулентного перемешивания учитывались с помощью однопараметрической дифференциальной модели
турбулентности Спаларта-Аллмараса [2]. Дискретизация пространственных операторов
выполнена по методу конечного объема со вторым порядком точности на основе H-CUSPсхемы Джемесона [3], обеспечивающей хорошее разрешение скачков уплотнения.
На входе в расчетную область задавались параметры торможения (давление и температура) и направление потока. На выходе поддерживался заданный уровень статического
давления; остальные параметры экстраполировались с соблюдением условия сохранения
инвариантов Римана [1], что обеспечивало прозрачность выходной границы для волн сжатия и разрежения. Поверхность лопаток считалась гладкой; теплообмен со стенками не
учитывался.
Все расчеты выполнены с помощью академического программного комплекса (ПК)
SINF (Supersonic to INcompressible Flows), разрабатываемого на кафедре гидроаэродинамики Санкт-Петербургского государственного политехнического университета начиная с
1992 г. Этот гидродинамический ПК широкого профиля позволяет проводить расчеты
стационарных и нестационарных потоков (от несжимаемых до сверхзвуковых) в условиях
сопряженного тепло- и массообмена, в абсолютной и вращающейся системе отсчета, в областях сложной геометрии на основе трехмерных уравнений Навье-Стокса. Для расчета
турбулентных течений в ПК SINF реализован широкий спектр RANS-моделей, включая
высоко- и низкорейнольдсовые версии k, k-ε, k-ω, ν t и других популярных моделей турбулентности. В особо сложных случаях, когда RANS-подходы не обеспечивают необходимой точности моделирования турбулентности, могут использоваться нестационарные
формулировки (DNS-, LES-, комбинированные RANS/LES-подходы).
73
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2008. № 2(18)
Реализованный в ПК SINF численный метод основан на использовании блочноструктурированных сеток, согласованных с границами области течения. Значения искомых величин определяются в центрах ячеек сетки. Уравнения движения записаны для декартовых компонент скорости. Дискретизация пространственных операторов уравнений
сохранения выполнена по методу конечного объема со вторым порядком точности. Для
вычисления конвективных потоков можно использовать различные верхнепоточные схемы; при расчете трансзвуковых течений газа со скачками применяется H-CUSP-схема [3].
Для стыковки смежных блоков используется концепция вспомогательного виртуального блока. В ПК SINF такой виртуальный блок формируется из двух слоев приграничных
ячеек каждого из стыкуемых физических блоков с копированием всех данных, необходимых для расчета конвективных и диффузионных потоков через интерфейс стыковки. Вычисления в виртуальном блоке проводятся по тому же алгоритму, что и внутри стыкуемых
блоков, что обеспечивает прозрачность стыковки и сохранение консервативных свойств
разностной схемы. Кроме того, применение виртуального блока облегчает разрешение ряда проблем, возникающих при использовании скользящих сеток или сеток с обрывом сеточных линий на межблочном интерфейсе, при распараллеливании алгоритма, решении
задач сопряженного теплообмена и др.
Для решения нестационарных задач в ПК SINF реализована неявная трехслойная
схема второго порядка точности по физическому времени. На каждом временном слое, как
и при отыскании стационарного решения, итерации в рамках метода установления (продвижение по фиктивному времени) осуществляются по методу искусственной сжимаемости или по методу типа SIMPLEC.
ПК SINF всесторонне апробирован при решении широкого круга задач промышленной аэродинамики и теплотехники. В частности, комплекс использовался для анализа течений в парогенерирующих установках, во входных устройствах компрессоров и камер
сгорания газотурбинных установок, в регулирующих клапанах, диффузорах и выхлопных
патрубках паровых турбин. Более полные данные о возможностях и апробации программного комплекса SINF, а также о реализованных в нем алгоритмах можно найти в литературе [4, 5].
Методические и тестовые расчеты. Одним из главных элементов методической
проработки любого гидродинамического расчета является анализ влияния параметров
расчетной сетки на результаты расчета. При этом параметры сетки, обеспечивающие сеточную независимость получаемого решения, зависят не только от решаемой задачи и параметров потока (число Рейнольдса, число Маха и др.), но и от типа сетки (треугольные
или четырехугольные ячейки), модели турбулентности (высоко- или низкорейнольдсовая),
численной схемы (первый или второй порядок точности) и др.
Как показывает опыт расчетов, использование высокорейнольдсовых моделей турбулентности не обеспечивает приемлемой точности определения коэффициента сопротивления лопаточных решеток; довольно типичным является значительное (иногда в 2-3
раза) завышение профильных потерь из-за переоценки толщины пограничных слоев. Поэтому предпочтение следует отдавать низкорейнольдсовым моделям, которые, однако,
требуют существенного сгущения сетки у поверхности лопатки для детального разрешения пограничного слоя, включая вязкий подслой (необходимый поперечный размер пристенных ячеек обычно на 5-6 порядков меньше хорды профиля). Это, в свою очередь,
препятствует использованию неструктурированных сеток с треугольными ячейками ввиду
ограничений на скошенность ячеек (как правило, с учетом погрешностей аппроксимации
минимальный угол треугольника должен быть не менее 10°) и на общий размер сетки.
Указанные соображения предопределили выбор низкорейнольдсовой модели турбулентности Спаларта-Аллмараса и использование блочно-структурированной сетки для
74
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2008. № 2(18)
расчета обтекания лопаточных решеток. При этом, согласно рекомендациям [6] и опыту
предшествующих расчетов, вблизи поверхности лопатки сетка была ортогональной (с
«почти прямоугольными» ячейками), степень неравномерности сетки (отношение размеров соседних ячеек) не превышала 1,2, сетка была сгущена около передней и задней кромок профиля, расстояние от профиля до входной и выходной границ расчетной области
составляло 2-3 хорды. Использовалась трехблочная сетка Н-О-Н-типа; при этом О-сетка
кольцом окружала лопатку, а Н-сетки покрывали входной и выходной участки расчетной
области.
В качестве примера методических исследований по выбору сетки, обеспечивающей
приемлемые степень сеточной независимости решения и время вычислений, рассмотрим
расчет дозвукового течения сквозь решетку направляющих лопаток, показанную на рис.1.
Расчеты выполнялись при Re = 106 для режима безударного входа (при этом обтекание
происходит без больших градиентов гидродинамических параметров).
Хорда профиля , мм
62,8
Относительный шаг
0,507
Расчетный угол входа, град
78,4
Эффективный угол выхода, град 14,5
Число Маха на выходе
0,293
Рис. 1.Схема лопаточной решетки №1, ее геометрические и режимные параметры
На рис.2 представлены результаты расчетов обтекания решетки №1 на различных
сетках; указанное количество ячеек относится к О-сетке, окружающей профиль. Видно,
что на более подробных сетках получаются близкие один к другому результаты; при огрублении сетки коэффициент потерь оказывается завышенным. При поперечном дроблении сетки (сеточное направление J) для достижения сеточной независимости решения
требуется около 50 ячеек (100 ячеек поперек межлопаточного канала), что в данном случае соответствует среднему значению нормированной координаты y+≡V τ d/ν≈2 (здесь
Vτ = τ w ρ – динамическая скорость, d – расстояние от первого пристенного узла до
стенки). При продольном дроблении сетки (сеточное направление I) кривая также явно
стремится к горизонтальной асимптоте; переход от сетки, содержащей 199 ячеек по обводу профиля, к сетке с 331 ячейкой меняет коэффициент потерь на 3% (относительных);
дробление сетки еще в 1,6 раза (переход к 529 ячейкам) снижает потери всего на 1%.
Рис. 2. Влияние дробления сетки на коэффициент потерь решетки №1
Итак, для аккуратного предсказания уровня потерь в рассматриваемой решетке необходимо использовать сетки со значением y+ ≤ 2, содержащие не менее 250 ячеек по об75
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2008. № 2(18)
воду профиля. Эти выводы можно распространить на расчеты течений в сопловых решетках сходной формы при дозвуковых скоростях. Однако при переходе к решеткам другого
типа, рассмотрении течений с трансзвуковыми скоростями, выборе другой модели турбулентности или других параметров численной схемы необходимо вновь исследовать сеточное влияние. Отметим также, что при увеличении числа Рейнольдса пропорционально
уменьшается толщина вязкого подслоя, а значит, и величина пристенного шага сетки,
обеспечивающая требуемое значение нормированной координаты y+.
Для оценки влияния числа Маха на результаты численного моделирования пакетом
SINF, а также для проверки правильности получаемых результатов рассмотрим течение
газа сквозь решетку направляющих лопаток №2 (рис.3), для которой имеются подробные
экспериментальные данные в широком диапазоне режимов (вплоть до умеренных трансзвуковых скоростей) [7, с.42].
Хорда профиля, мм
67,5
Относительный шаг
0,690
Расчетный угол входа, град
90
Эффективный угол выхода, град 19,9
Число Маха на выходе
0,30
Рис.3. Схема лопаточной решетки №2, ее геометрические и режимные параметры
Расчетные и экспериментальные данные о распределении давления (выраженного
через адиабатический коэффициент скорости) по обводу профиля № 2 представлены на
рис. 4. Наблюдается вполне удовлетворительное согласие результатов расчета с данными
измерений во всем диапазоне чисел Маха. Заметим, однако, что согласие между расчетом
и опытом по распределению давления нельзя считать достаточным признаком правильного описания течения вязкого газа: ведь при безотрывном обтекании распределение давления неплохо воспроизводится даже расчетом по теории плоского потенциального течения.
Рис. 4. Распределение давления
по обводу профиля № 2
Рис. 5. Зависимость коэффициента потерь от
коэффициента скорости на выходе из решетки № 2
Изменение коэффициента потерь решетки №2 в зависимости от скорости потока на
выходе из решетки показано на рис.5. В области дозвуковых скоростей коэффициент потерь меняется слабо, причем с ростом числа Маха в интервале от 0,3 до 0,8 потери энергии
несколько снижаются. Такая тенденция характерна и для результатов продувок в аэродинамических трубах напорного типа, где противодавление всегда равно атмосферному и
переход от одного режима к другому осуществляется изменением входного давления; в
этих условиях с ростом числа Маха возрастает и число Рейнольдса, вследствие чего тол76
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2008. № 2(18)
щина пограничного слоя на поверхности лопатки уменьшается. При возрастании числа
Маха в области М > 0,9 наблюдается повышение потерь, связанное с появлением в потоке
зон сверхзвукового течения и возникновением волновых явлений.
Как показывает анализ рассчитанных картин обтекания, по мере уменьшения противодавления локальные сверхзвуковые зоны, появившиеся при M≈0,9, постепенно растут и
смыкаются, перекрывая все сечение межлопаточного канала (происходит «запирание»
канала). При этом вблизи выходной кромки
профиля формируется система косых скачков уплотнения, отчетливо видимая на
рис.6. Скачок уплотнения, образовавшийся
вследствие конечной толщины выходной
кромки профиля, пересекает межлопаточный канал, взаимодействует с пограничным
слоем на спинке лопатки и отражается от
него. Отраженный скачок попадает в область кромочного следа и пересекает его.
При увеличении числа Маха линия перехоРис. 6. Поле числа Маха в решетке профилей № 2
да к сверхзвуковому течению (выделена на
(коэффициент скорости на выходе λ1 = 1,089)
рис.6 белым цветом) постепенно смещается
против потока на спинке лопатки и деформируется, а косые скачки уплотнения, пересекающие межлопаточный канал, разворачиваются вниз по потоку.
В целом согласие результатов расчета и эксперимента для решетки № 2 во всем диапазоне чисел Маха можно считать удовлетворительным. Не следует думать, однако, что
подобное согласие наблюдается при любых параметрах потока. Дело в том, что ни одна из
существующих в настоящее время RANS-моделей турбулентности не обеспечивает адекватного моделирования перехода от ламинарного режима течения в пограничном слое к
турбулентному. Применительно к типичным условиям обтекания турбинных решеток область перехода отвечает числам Рейнольдса примерно от 5⋅104 до 5⋅105; в этом диапазоне
режимов точность результатов численного моделирования может непредсказуемо зависеть от уровня турбулентности потока, формы лопатки, модели турбулентности и др.
Расчет трансзвукового обтекания решетки рабочих лопаток ЦНД. Убедившись в
возможности определения характеристик турбинной решетки на основе численного моделирования,
перейдем
к
расчету
трансзвукового
обтекания
периферийного сечения лопаток рабочего колеса последней ступени ЦНД паровой турбины конструкции ЛМЗ. Геометрия решетки представлена на рис. 7. Номинальные режимные параметры (по данным газодинамического расчета проточной части турбины)
Хорда профиля, мм
117,6
Относительный шаг
0,343
Угол установки, град
20,25
Угол входа, β1геом, град 147,17
Угол выхода, β2геом, град 16,07
Таблица 1
Номинальные режимные
параметры обтекания решетки № 3
Параметр
p2ном, Па
p2/p1*
β 1ном, град
β 2ном, град
M2ном
Рис. 7. Схема решетки № 3, ее геометрические
параметры и положение выходных сечений
77
Вариант 3А
7610
0,3018
155,2
20,5
1,38
Вариант 3Б
5116
0,1190
158,9
29,1
1,96
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2008. № 2(18)
приведены в табл.1; вариант 3А соответствует
расчетной
нагрузке
турбины,
вариант 3Б – перегрузочному режиму работы (расход увеличен примерно в 1,5 раза).
Расчетная сетка для решетки №3 показана на рис.8. Как и в предыдущих расчетах,
сетка имеет Н-О-Н-топологию и содержит около 15 тысяч ячеек. Поскольку течение через
решетку трансзвуковое и, следовательно, в потоке возникает система скачков уплотнения,
при методических расчетах особое внимание уделено описанию скачков уплотнения в
возможно более тонком слое. Для этого сетка после получения первых результатов была
дополнительно измельчена в зоне дислокации скачков.
Рис. 8. Сетка, использованная для расчета трансзвукового обтекания решетки № 3
Результаты расчета течения в решетке №3Б представлены на рис.9. На выходе из
решетки отчетливо виден мощный кромочный скачок уплотнения, доходящий до выходной границы расчетной области. Число Маха на выходе из решетки всюду больше единицы. Более того, режим истечения соответствует случаю, когда осевая (расходная) составляющая скорости тоже сверхзвуковая.
Число Маха
Давление p/p1*
Рис. 9. Распределение числа Маха и относительного давления в решетке № 3Б
78
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2008. № 2(18)
В сводной табл. 2 приведены данные о параметрах потока и потерях в решетке. Коэффициент потерь рассчитывался как ζ = 1 – ϕ 2, где ϕ – отношение средней скорости потока за решеткой к адиабатической скорости. Скорость и давление за решеткой осреднялись по потоку массы. Выходные параметры определялись в трех сечениях за решеткой
(рис. 7): на расстоянии половины хорды от задней кромки лопаток, где обычно измеряют
потери при продувках плоских решеток (сечение 2 1 ), а также на расстоянии одной и двух
хорд (сечения 2 2 и 2 3 соответственно). Наряду с номинальным значением угла входа потока, β 1 = 158,95°, расчеты выполнены при двух меньших значениях: β 1 = 151,0° и
β 1 = 143,06°; естественно, поскольку решетка заперта по расходу, изменение угла входа
сопровождается изменением числа Маха.
Таблица 2
Осредненные по шагу параметры потока и коэффициенты потерь в решетке № 3Б
Угол входа Число Маха
Выходное
потока, град
на входе
сечение (рис.7)
21
158,95
0,549
22
23
21
151,0
0,370
22
23
21
143,06
0,286
22
23
Число Маха
на выходе
2,026
1,966
1,956
2,030
1,975
1,965
2,043
1,989
1,978
Угол выхода
потока, град
38,65
37,97
37,83
38,63
37,96
37,83
38,54
37,90
37,78
Коэффициент
потерь ζ, %
4,494
6,282
8,080
4,309
5,973
7,803
4,170
5,825
7,645
Представленные в табл. 2 данные показывают, что из-за потерь энергии в мощном
кромочном скачке (рис. 9) коэффициент потерь заметно увеличивается вниз по потоку: его
значение в сечении 2 1 почти вдвое меньше, чем в сечении 2 3 , и составляет 4…4,5 %.
Сравнительно низкие значения коэффициента потерь указывают на аэродинамическое совершенство решетки; они качественно коррелируют с данными М.Е. Дейча [8] для решеток похожего типа, правда, полученными при несколько меньших числах Маха (М 2 < 1,6).
Заметим также, что при уменьшении угла входа (увеличении угла атаки) потери несколько
снижаются из-за уменьшения отрывного пузыря на вогнутой стороне профиля, о существовании которого косвенно свидетельствует распределение давления по обводу профиля.
Параметрические расчеты обтекания решетки №3А были проведены при различных
углах атаки (отсчитываемых от геометрического угла входа: α = β 1геом - β 1 ) и противодавлениях (наряду с номинальным значением, p 2 =7610 Па, рассматривались два дополнительных, 8608 и 6393 Па). Обсудим некоторые характерные особенности течения, которые отражаются на полученных при численном моделировании результатах.
Распределение давлений по профилю решетки (рис.10) указывает на безотрывное течение вдоль вогнутой стороны профиля при углах атаки α> -5°. При α< -5° на вогнутой
стороне профиля непосредственно за кромкой лопатки возникает отрывной пузырь; при
α= -15° отрывной пузырь простирается почти до выходной кромки лопатки. Почти при
всех углах атаки на выпуклой стороне профиля вблизи входной кромки лопатки также
имеется небольшой отрывной пузырь, вызванный обтеканием довольно толстой входной
кромки. Как и следовало ожидать, в условиях запертого межлопаточного канала изменение противодавления сказывается на эпюре давлений лишь на участке спинки профиля
ниже горла решетки, где выходное давление управляет протяженностью зоны ускорения
79
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2008. № 2(18)
сверхзвукового потока в косом срезе решетки; напротив, влияние угла атаки сказывается
лишь в зоне дозвукового течения.
а)
б)
Рис. 10. Распределение давления по поверхности профиля решетки № 3А для различных значений:
а - угла атаки (при p 2 = 7611 Па); б - противодавления (при α = 0)
Интенсивный скачок уплотнения, сходящий с задней кромки профиля, является
причиной значительной шаговой неравномерности потока, покидающего решетку. На рис.
11 (для режима безударного входа при расчетном противодавлении) показаны распределения скоростей и углов выхода потока в сечениях 2 1 , 2 2 , 2 3 , расположенных на разных
расстояниях от заднего фронта решетки (рис. 7). В данном случае шаговая неравномерность скорости составляет приблизительно 120 м/с при среднем уровне скорости 430 м/с;
еще больше впечатляет неравномерность угла выхода потока: ∆β 2 ≈ 13° при β 2 ср ≈ 20°.
а)
б)
Рис. 11. Распределение скорости (а) и угла выхода потока (б) по шагу решетки
в различных сечениях (рис. 7) (решетка № 3А, α=0)
80
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2008. № 2(18)
Изменение окружной (q u ) и осевой (q z ) составляющих погонной нагрузки, а также
погонного момента М в зависимости от угла атаки при трех значениях противодавления
представлено на рис. 12. Заметим, что производные ∂q u /∂α, ∂q я /∂α и ∂M/∂α практически
не меняются с изменением противодавления. Помимо своего прямого назначения – определения нагрузки на лопатку, - представленные данные могут быть использованы при
приближенном (квазистационарном) анализе возможности возникновения автоколебаний
лопаточной решетки.
qu,
Н/м
M,
Н
q z,
Н/м
а)
б)
в)
Рис.12. Погонные нагрузки (а,б) и погонный момент относительно
центра масс профиля (в) (решетка №3А, α=0)
Представленные методические, тестовые и параметрические расчеты демонстрируют
реальную возможность корректного численного моделирования параметров турбулентного потока в решетках турбомашин на основе осредненных по Рейнольдсу уравнений Навье-Стокса. Такое моделирование обеспечивает достаточные для инженерных расчетов
скорость вычислений и точность прогноза параметров решетки при до- и трансзвуковом
обтекании. Показана применимость универсального газодинамического пакета для решения поставленных задач.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Лойцянский, Л.Г. Механика жидкости и газа / Л.Г. Лойцянский. – М.: Наука, 1978. – 736 с.
2. Spalart, P.R. A one-equation turbulence model for aerodynamic flows / P.R. Spalart, S.R. Allmaras // La Recherche Aerospatiale. – 1994. – № 1. – P. 5–21.
3. Jameson, A. Positive schemes and shock modeling for compressible flows / A. Jameson // Int. J. Num. Meth. Fluids. –1995. – V. 20. – P. 743–776.
4. Смирнов, Е.М. Метод конечных объемов в приложении к задачам гидрогазодинамики и теплообмена в
областях сложной геометрии / Е.М. Смирнов, Д.К. Зайцев // Научно-технические ведомости СПбГТУ. –
2004. - № 2. - С.70-81.
5. Зайцев, Д.К. Применение метода деформируемых сеток для моделирования автоколебаний цилиндра в
однородном потоке / Д.К. Зайцев, Н.А. Щур // Научно-технические ведомости СПбГТУ. – 2006. - №5. С.15-22.
6. Флетчер, К. Вычислительные методы в динамике жидкости: [пер. с англ.]: в 2 т. / К. Флетчер – М.: Мир,
1991. – Т. 1,2.
7. Атлас экспериментальных характеристик плоских решеток охлаждаемых газовых турбин /
В.Д. Венедиктов, А.В. Грановский, А.М. Карелин, А.Н. Колесов [и др.]. – ЦИАМ, 1990. – 393 с.
8. Дейч, М.Е. Газодинамика решеток турбомашин / М.Е. Дейч. – М.: Энергоатомиздат, 1996. – 528 с.
Материал поступил в редколлегию 12.05.08.
81
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ISBN 5-89838-336-3
Вестник Брянского государственного технического университета. 2008. № 2(18)
УДК 621. 156:621.35.004.69
В.Т. Буглаев, А.Л. Карташов, В.Т. Перевезенцев
ОБОСНОВАНИЕ ЦЕЛЕСООБРАЗНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ СОТОВЫХ
КОНЦЕВЫХ УПЛОТНЕНИЙ ДЛЯ ВАЛОВ РОТОРОВ МОЩНЫХ
ТУРБИН АТОМНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СТАНЦИЙ (АЭС)
Приведены аналитический и экспериментальные результаты исследований работы сотового кольца в составе концевого уплотнения вала цилиндра низкого давления (ЦНД) турбины АЭС.
Ключевые слова: сотовое кольцо; концевое уплотнение; вал ротора; цилиндр низкого давления.
В конструкциях паровых турбин для АЭС используются три вида уплотнений: концевые, диафрагменные и уплотнения рабочей решётки (надбандажные и осевые).
Уплотнения предназначены, прежде всего, для обеспечения минимума утечек пара.
Поэтому зазоры в уплотнениях должны быть минимально допустимыми с учётом соображений надежности при касании подвижных и неподвижных частей турбоагрегата.
При задеваниях зазоры увеличиваются из-за срабатывания гребней, а также возможно появление теплового остаточного прогиба ротора. Это происходит в основном в
начальный период эксплуатации, поэтому турбина практически весь межремонтный период работает с пониженной экономичностью.
Кроме того, уплотнения должны быть ремонтопригодными и легко заменяться в
условиях электростанции.
Широко применяемые уплотнения с гребнями не в полной мере соответствуют перечисленным требованиям. Во-первых, они легко истираются при задеваниях, недостаточно надежны и требуют больших затрат при ремонте. Кроме того, при движении влажного пара отмечается явление эрозийного износа поверхности вала в местах расположения
гребней, а также образование отложений на сегментах диафрагм и гребнях, которые нивелируют остроту кромок гребней, способствуя увеличению утечки пара.
Отметим также, что концевые уплотнения ЦНД служат для предотвращения подсоса атмосферного воздуха в выходные патрубки и затем в конденсатор.
Статистика изменения величины зазоров в ремонтных формулярах, полученная замерами при выходе агрегатов в ремонт, показывает значительное увеличение зазоров
(иногда в два и более раза).
Распространенная схема подачи пара на запирание концевых уплотнений [1,3]
(рис.1) предусматривает подачу пара в среднюю камеру с последующим разделением на
два потока: один проходит в конденсатор, другой – в наружную камеру, где смешивается с
воздухом из крайнего уплотнительного кольца и отбирается в эжектор.
Конструктивно уплотнения на валу создаются тонкими кольцевыми гребнями, устанавливаемыми с малым зазором δ , и камерами, расположенными между гребнями.
Поверхность вала может быть как гладкой, так и ступенчатой - тогда гребни имеют
разную высоту.
Величина утечки пара через ступенчатое уплотнение определяется по известной
зависимости [2,3]
µ у ⋅ Fу
G=
у
Р0 1 − ε 2
,
V0
Z
где µ у - коэффициент расхода пара щели уплотнения; Fу = Πd уδ у - площадь зазора в уплотнении; PV
=
ε p1 / p0 − отно0 0 − давление и удельный объем пара перед уплотнением;
шение давлений (за уплотнением и перед ним); Z- число гребней.
82
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2008. № 2(18)
Рис. 1. Схема утечек в концевых уплотнениях ЦНД
В прямоточном уплотнении в расчет утечки вводится поправочный коэффициент
K у = f (δ / S и Z ) [2], где S- шаг гребней.
Если форма гребней в процессе эксплуатации изменяется (острая кромка превращается в полукруглую), то изменяется и коэффициент расхода пара µ у .
Рассмотрим пример определения расхода чистого запирающего пара, поступающего через концевое прямоточное уплотнение ЦНД в конденсатор турбины К-500-65/3000.
Данные для расчета:
- исходная форма – гребни с острыми кромками ( ∆ =0,3·10 −3 м);
- средний диаметр уплотнения D у =0,66м;
- зазор =
δ 0, 7 ⋅10−3 м;
- число гребней Z=9;
- давление и удельный объем пара перед уплотнением: Р0 =1,1 кг/см2,
V 0 =1,76м3/кг;
- давление пара после уплотнения Р1 = 0,0497 кг/см2.
83
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2008. № 2(18)
Так как р1 / р0 =0,0497/1,1=0,045<К, где К=0,85/ z + 1,5 =0,262, то расход утечки
находится по формуле
G у 3600 K у ⋅ µ у ⋅ Fу ⋅10−2
=
P
g
⋅ 0 .
z + 1,5 V0
Fу =π ⋅ Dу ⋅ δ =3,14∙66·0,7∙10-1=14,51 см2.
По отношению δ / ∆ =0,7/0,3=2,33 определяем коэффициент расхода µ у [2], который составляет 0,7.
Поправочный коэффициент в прямоточном уплотнении при δ /s=0,7/10=0,07
К у =1,85.
9,8 1,1
G у = 3600 ⋅1,85 ⋅ 0, 7 ⋅14,51 ⋅10−2
= 517 кг/ч.
9 + 1,5 1, 76
Аналогично определяем расход свежего запирающего пара через такое же уплотнение в сторону камеры подсоса воздуха.
Давление в эжекторе р1 =0,9 кг/см2.
Так как =
p1 / р0 0,9
=
/1,1 0,818 >К, то расход утечки определяем по формуле
G у= 3600 ⋅ µ у ⋅ К у ⋅ Fу ⋅10−2
g p02 − p12
⋅
.
z p1 ⋅ v0
9,8 1,12 − 0,92
⋅
= 354 кг/ч.
9 0,9 ⋅1, 76
Турбина имеет 4 ЦНД (8 концевых уплотнений), поэтому общий расход уплотняющего пара G упл =6968 кг/ч.
В процессе эксплуатации происходит разработка уплотнений с увеличением зазоров в них и изменением формы острой кромки.
При увеличении зазоров в два раза и изменении формы острой кромки до полукруглой коэффициент расхода µ у ≈0,9, площадь зазора в уплотнении F у =29 см2, поправочG у = 3600 ⋅1,85 ⋅ 0, 7 ⋅14,51 ⋅10−2
ный коэффициент для прямоточного уплотнения К у ≈2,3.
Общий расход уплотняющего пара будет равен 22300 кг/ч, т.е. увеличение расхода
составляет более чем 3 раза.
Использование сотовых концевых уплотнений взамен уплотнений с гребнями позволяет прогнозировать определенный технико-экономический эффект. В первую очередь
сократится расход запирающего пара на уплотнении.
Во - вторых, сотовые уплотнения благодаря своей устойчивости к истиранию при
задеваниях в большей степени сохраняют стабильный монтажный зазор в процессе эксплуатации.
Увеличенное пятно касания сотовой поверхности и хороший теплоотвод через соты
не способствуют концентрации теплового воздействия при трении о вал турбины.
Кроме того, выполнение сотовой структуры на тонких (облегченных) пластинах
[4], вставляемых в соответствующие пазы обоймы уплотнения и фиксируемых цилиндрическими пружинами, позволяет поддерживать тенденцию сокращения монтажных зазоров
в уплотнении (при условии проведения необходимых исследований с развитым мониторингом изменения радиальных зазоров в уплотнении в процессе эксплуатации).
Дальнейшее совершенствование конструкции уплотнения и применение сотоблоков с оптимальным размером сотовых ячеек позволит дополнительно сократить величину
84
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2008. № 2(18)
утечки до 20…30% по сравнению с применяемыми в промышленности типами сотовых
структур.
Итак, внедрение сотовых уплотнений повышает экономичность и надёжность турбоагрегатов, а также сокращает сроки ремонтных работ.
Как известно, экономичность конденсационных установок зачастую падает из-за
попадания воздуха в вакуумную систему через концевые уплотнения (КУ), обусловленного как значительным износом гребней, так и несовершенством используемой схемы подвода уплотняющего пара и его отсоса. Эти же факторы во многих случаях являются причиной пропаривания через КУ, значительно понижающего надежность работы турбины (в
первую очередь из-за обводнения масла в подшипниках).
Одной из причин снижения вакуума является необоснованно принятое равномерное сопротивление по всем трём отсекам уплотнений ЦНД при резко отличающихся перепадах давления в них [5]. Так, отношение давлений в первом кольце равно 0,045, тогда как
во втором-0,818.
Как показали результаты модернизации КУ турбины К-300-240 ЛМЗ [6], увеличение в 1,5 раза числа гребней в уплотнении внутреннего отсека с перепадом давления 1
кгс/см2 привело к снижению расхода уплотняющего пара примерно на 20 % (при этом
значительно снизился и вакуум в конденсаторе), а также к уменьшению окружной неравномерности давления пара в камерах подачи.
Дальнейшее повышение вакуумной плотности ЦНД обусловливает необходимость
разработки наиболее совершенных средств контроля и диагностики концевых уплотнений.
Общим решением вопроса повышения надежности работы КУ и упрощения их диагностики является повышение сопротивления внутреннего отсека путём совершенствования конструкции уплотнения (например, сотового) и уменьшения зазора в нём. В наших
исследованиях среднее кольцо концевого уплотнения заменялось на сотовое (рис.2), а
смежные с ним – оставались традиционными (с гребнями).
Рис. 2. Схема концевых уплотнений ЦНД
Целью последующих исследований является расширение зоны нормальной работы системы (уплотнения без пропаривания и подсосов воздуха в конденсатор) во всем диапазоне
рабочих нагрузок турбины при постоянном давлении в коллекторе подачи пара. Испытания проводились на турбоагрегате №4 Смоленской АЭС.
Для обоснованного выбора величины монтажного зазора в уплотнении установлен
датчик зазора при радиальном смещении вала в зоне уплотнения. Показания датчика вы85
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2008. № 2(18)
водятся на дисплей, таким образом осуществляется мониторинг величины зазора при различных режимах эксплуатации (в том числе при переходных), режимах пуска и остановки
турбоагрегата.
Для определения эффективности работы концевых уплотнений ЦНД по минимизации подсоса воздуха использовалась схема, показанная на рис.3. Из переносного баллона
в непосредственной близости от концевого уплотнение распыляется пробный газ (например, фреон), который с наружным воздухом стремится проникнуть через уплотнение в
конденсатор. В зависимости от герметичности уплотнений в них попадает различное количество пробного газа. Далее попавшая в конденсатор газовоздушная смесь отсасывается
из него основными эжекторами и после прохождения через установку сжигания гремучей
смеси и установку подавления её активности выбрасывается в вентиляционную трубу.
Количество попавшего в конденсатор пробного газа определяется путем отбора на выхлопе основных эжекторов части газовоздушной смеси по пробоотборной линии на измерительный прибор. С помощью измерительного прибора определяется концентрация пробного газа. С учётом опыта эксплуатации измерительных приборов состояние концевых
уплотнений определяется достаточно точно.
Рис. 3. Схема проверки эффективности работы уплотнений ЦНД: ЦНД - цилиндр низкого давления; КНД - конденсатор низкого давления; ОЭ – основной
эжектор; УСГС – установка сжигания гремучей смеси; УПАК – установка подавления автивности
Испытания проводились в зоне концевых уплотнений ЦНД, в окрестности четырёх
опорных подшипников, причём одно из уплотнений включало экспериментльное сотовое
кольцо.
Предварительные испытания показали достаточно надёжное снижение величины
присоса воздуха в зоне сотового уплотнения на одном из подшипников.
Отметим, что величина монтажного зазора в уплотнениях на всех подшипниках назначалась одинаковой и составляла 0,7мм. Мониторинг величины радиального зазора в
уплотнении показал, что при нескольких пусках турбоагрегата и работе при различных
режимах эксплуатации изменение величины зазора находилось в пределах 0,1…0,3 мм.
Очевидно, что возможность уменьшения назначенного радиального зазора в сотовом уплотнении является предпосылкой значительного уменьшения величин присоса воздуха в конденсатор и, следовательно, повышения экономичности работы турбоагрегата.
86
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2008. № 2(18)
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Замин, А.И. Паровая турбина АЭС К-500-65/3000 (схемы, компоновка, конструкция) / А.И. Замин, Т.В.
Богомолова.-М.: Изд-во МЭИ, 2001.-68с.
2. Трухний, А.Д. Паротурбинная установка энергоблоков Балаковской АЭС. Ч. 1. Паровая турбина и турбопитательный агрегат: учеб. пособие / А.Д. Трухний, А.Е. Булкин.-М.: Изд-во МЭИ, 2004.- 276с.
3. Турбины тепловых и атомных электростанций: учеб. для вузов /А.Г. Костюк, В.В. Фролов, А.Е. Булкин,
А.Д. Трухний; под ред. А.Г. Костюка, В.В. Фролова.- 2-е изд., перераб. и доп М.: Изд-во МЭИ, 2001.488с.
4. Буглаев, В.Т. Сотовые уплотнения в турбомашинах: монография/В.Т. Буглаев, В.Т. Перевезенцев [и др.].
-2-е изд., перераб. и доп.- Брянск: БГТУ, 2006.-192с.
5. Орлик, В.Г. Снижение присосов воздуха в конденсатор через концевые уплотнения/ В.Г. Орлик, Л.Б.
Резник, И.А. Оксман, И.А. Перминов//Энергетик. – 1987. – Т.2. -С.15-16.
6. Абакумов, Ю.В. Улучшение работы концевых уплотнений турбины К-300-240 ЛМЗ/Ю.В. Абакумов, Г.О.
Гродский, В.Г. Орлик, С.Ш. Розенберг, Ю.П. Якушев//Электрические станции. – 1971. - №8. -С.17-19.
Материал поступил в редколлегию 20.03.08.
87
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ISBN 5-89838-336-3
УДК 621.165+621. 438
Вестник Брянского государственного технического университета. 2008. № 2(18)
И. Г. Гоголев, А. М. Дроконов, А. Н. Голушко, А. Д. Николаев
МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОСЕВОГО УСИЛИЯ НА РОТОР ТУРБОМАШИНЫ
С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ
Приведен усовершенствованный метод расчета аксиального давления, действующего на ротор турбоагрегата.
Ключевые слова: осевое усилие; ротор турбомашины; аксиальное давление; лопаточный венец.
Одним из важнейших факторов, определяющих надежность турбоблоков, является
достоверная оценка воздействующего на ротор аэродинамического осевого усилия.
При отсутствии в турбомашине думмисных устройств осевая нагрузка в турбинной
ступени Pос создается посредством:
- разности статических давлений по обе стороны венца рабочих лопаток Pлс ;
- динамического воздействия потока на рабочие лопатки Pлд ;
- статических давлений, действующих на полотно диска, Pд ;
- давления на уступы диска ( Pу ) и ротора в области диафрагменных уплотнений
( Pуп ):
Pос = Pлс + Pлд + Pд + Pу + Pуп .
Осевое усилие на ротор является функцией многих конструктивных и режимных параметров, численные значения которых могут существенно изменяться в процессе эксплуатации установки. К ним относятся: величина осевых и радиальных зазоров в проточной части; степень засоления лопаточных каналов и их температурная деформация; износ
гребней диафрагменных и концевых лабиринтовых уплотнений; вырабатываемая турбоагрегатом мощность; характеристики теплоносителей и др. [1].
По этой причине возможно резкое возрастание нагрузки на сегментные колодки
упорного подшипника турбомашины, что вызывает серьёзные аварии, ликвидация которых требует больших временных и материальных затрат.
Достоверная оценка влияния различных факторов на уровень воспринимаемого ротором осевого усилия представляет собой сложную теоретическую задачу, которая требует разрешения с целью увеличения долговечности и надёжности энергетических машин.
Существующие расчётные методы определения аксиального усилия на ротор позволяют оценить его лишь приближённо, так как в них вносятся определённые ограничения,
например:
- принимаются ориентировочные значения коэффициентов расхода рабочего тела
через корневой зазор и разгрузочные отверстия в дисках;
- не всегда учитываются площади: сквозного раскрытия каналов в ступенях с длинными лопатками, бандажа, гребней уплотнений и разгрузочных отверстий;
- принимается постоянным вдоль радиуса ступени осреднённое давление теплоносителя в передней камере диска, а в задней – равным давлению за рабочими лопатками (РЛ)
на среднем диаметре;
- используются опытные характеристики, полученные преимущественно для одновенечных активных колёс с небольшими перепадами тепла и малой реактивностью;
- используются результаты испытаний турбинных решёток на статических стендах;
- принимается степень реакции ступени без учёта утечек теплоносителя через корневые и периферийные зазоры, величин перекрыш в проточной части и угла раскрытия её
88
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ISBN 5-89838-336-3
Вестник Брянского государственного технического университета. 2008. № 2(18)
корневого и периферийного обводов, режима работы турбомашины и других факторов,
которые могут быть достоверно определены только экспериментальным путём на вращающихся моделях ступеней.
Аналитически наиболее близкие к реальным значения осевого усилия могут быть
получены с использованием методики НПО ЦКТИ [2], так как в ней учитывается степень
реактивности, определяемая по разности давлений на среднем диаметре ступени, отличающаяся от вычисленной по перепадам тепла при её тепловом расчёте; вводится поправка на влияние разницы в степени реактивности на среднем диаметре и осреднённой по высоте канала и др.
Очевидно, что существует острая необходимость разработки метода достоверной оценки уровня осевого усилия на ротор
турбомашины.
Такая задача решалась авторами на основе анализа результатов комплексных аэродинамических исследований, выполненных в БГТУ. Объектом изучения служили
модели 26 типоразмеров турбинных ступеней (рис. 1), основные параметры которых
приведены в табл. 1.
Рис. 1. Схема проточной части осевой
турбинной ступени
Основные параметры испытанных турбинных ступеней
Тип
ступени
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
Втулочное
отношение d
27,6
21,6
21,0
19,6
18,5
14,0
13,0
10,0
9,0
8,48
7,9
7,8
6,3
6,2
5,6
5,6
5,4
4,8
3,3
10
7,5
l
Степень
реактивности на
среднем
диаметре ρ
0,1
0,09
0,1
0,1
0,14
0,15
0,15
0,15
0,16
0,16
0,21
0,19
0,21
0,28
0,28
0,33
0,27
0,3
0,4
0,15
0,2
89
Наличие
бандажа
рабочих
лопаток
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
-
Таблица 1
Угол раскрытия
периферийного
обвода γ 0 , град
0
0
0
0
0
0
0
8,5
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
6,5
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2008. № 2(18)
ISBN 5-89838-336-3
Окончание табл. 1
Тип
ступени
Втулочное
отношение d
22
23
24
25
26
6,7
6,5
5,6
5,4
5,4
l
Степень
реактивности на
среднем
диаметре ρ
0,35
0,21
0,36
0,36
0,3
Наличие
бандажа
рабочих
лопаток
-
Угол раскрытия
периферийного
обвода γ 0 , град
0
9,5
11,5
0
0
1. Расчёт осевого усилия на рабочие лопатки ступени Рл .
Осевое давление на венец РЛ определяется в два этапа.
Этап 1. Рассчитывается аксиальное усилие по формуле[2]:
Рл=
Рлс + Рлд ,
р
где Рлс - результат действия разности статических давлений по обе стороны венца РЛ;
Рлд - динамическое воздействие потока на РЛ в осевом направлении.
Этап 2. Действительное значение осевого усилия на лопаточный венец Рл определяется с использованием экспериментальных данных посредством введения комплекса корректирующих коэффициентов, учитывающих влияние на уровень аксиального давления
конкретного конструктивного или режимного параметра турбинной ступени:
 i =n

Рл =Рл р 1 + ( Ki − 1)  ,
 i =1

где Ki - значение i-го корректирующего коэффициента по соответствующему параметру
ступени; n – число учитываемых параметров.
Значения коэффициентов Ki определены на основе широкомасштабных экспериментальных исследований моделей турбинных отсеков на динамических воздушных стендах.
Испытания проводились в области автомодельности на режимах, близких к оптимальным (исключение составляли эксперименты, в которых изучалось влияние режима
работы ступени на уровень развиваемой аксиальной нагрузки).
При вычислении величины действующего на венец РЛ ступени осевого усилия значения корректирующих коэффициентов Ki могут быть определены с использованием
экспериментальных графических или аппроксимированных зависимостей (табл. 2).
2. Расчёт осевого усилия на полотно диска рабочего колеса Pд .
Аксиальное давление на полотно диска определяется в два этапа.
Этап 1. Вычисляется расчетное значение осевого усилия PдР на оптимальном режи-
∑
ме работы ступени [2]:
PдР = ∆pд Fд ,
где Fд - площадь полотна диска; ∆p=
p1 − p2 - разность давлений по обе стороны
д
полотна диска, p1 , p2 - статическое давление соответственно в передней и задней камерах диска.
90
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ISBN 5-89838-336-3
Вестник Брянского государственного технического университета. 2008. № 2(18)
Таблица 2
Опытные корректирующие коэффициенты для определения осевого усилия
на венец РЛ турбинной ступени
Параметр корректировки и тип
опытной ступени
(рис. 1, табл. 1)
Экспериментальные зависимости корректирующих
коэффициентов от параметров ступени
графические
аппроксимированные
Открытый осевой
зазор δ1 = δ1 l .
Здесь и далее
l – длина РЛ.
Ступень 6
K=
δ1 1, 28 − 11, 2δ1
Открытый осевой
зазор у корня
ступени δ1′ = δ1′ l .
Ступени 15, 18
без разгрузочных
отверстий в дисках ( z = 0 )
1. Kδ1′ =
0,91 + 4,19δ1′ − 48,13δ1′
при δ1′ ≤ 0, 03.
=
Kδ1′ 1 при δ1′ > 0, 03.
2
2. Kδ1′ =
1, 24 − 3, 79δ1′ + 31,88δ1′ .
1, 2 и 3 – для величин утечек рабочего тела через
диафрагменное уплотнение
соответственно
∆G у =0;
Радиальный зазор
δr = δr l .
Ступени 8, 12 и
16 с бандажом
РЛ; ступени
20…24, 26 без
бандажа РЛ
2
3. Kδ1′ =
1,5 − 10,84δ1′ + 95,32δ1′
2
1,35 и 3,14 % от расхода
газа через ступень
2
1. Kδ r =
1,18 − 20, 41δ r + 191,53δ r .
2. Kδ r =
1,14 − 10,83δ r + 79, 78δ r
91
2
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2008. № 2(18)
ISBN 5-89838-336-3
Продолжение табл. 2
Экспериментальные зависимости корректирующих
коэффициентов от параметров ступени
Параметр корректировки и тип
опытной ступени
(рис. 1, табл. 1)
графические
аппроксимированные
1. Отклонение от
расчетного значения шага НЛ
∆t1 =
и РЛ
∆t2 =
(t − t ) t
1
(t
1р
2
1р
− t2 р
)t
2
1. Kt1 =1 + 1,18∆t1 + 3,96∆t1 .
2р
.
1 – для ступеней типа 4
при ∆t 2 =0;
2…5 – для ступеней типа
19 при ∆t1 =0 соответственно с d l =3,34; 5,5; 7,0 и
8,5
Здесь и далее индекс р означает
расчетное значение параметра.
Ступени 4 и 19
Отклонение от
расчетного значения угла выхода потока из НА
∆α1 =
(α − α ) α
1
1р
1р
2...5. Kt2 =1 − 1, 21∆t2 + 1, 43∆t2
Kα1 =+
1 0,3∆α1
.
Ступени 1, 3,
5…7, 9…11, 13,
17
Отклонение от
расчетного значения угла выхода потока из РЛ
∆β 2 =
(β
2
− β2 р
)
K β 2 = 1 − 2∆ β 2
β2 р .
Ступень 25
Степень парциальности НА ε .
Ступень 14
=
Kε 0,5ε (1 + ε )
92
2
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ISBN 5-89838-336-3
Вестник Брянского государственного технического университета. 2008. № 2(18)
Окончание табл. 2
Параметр корректировки и тип
опытной ступени
(рис. 1, табл. 1)
Экспериментальные зависимости корректирующих
коэффициентов от параметров ступени
графические
аппроксимированные
Угол тангенциального наклона
НЛ относительно
радиуса γ .
Ступень 14
Kγ =
1 + 9, 21 ⋅10−5 γ − 6,84 ⋅10−4 γ 2
при γ ≥ 0°.
=
Kγ 1, 0 при γ < 0°
Режим работы
турбинной ступени
u C0
x=
.
( u C0 ) р
Ступени с
ρ =0,1…0,21
−1, 72 + 2, 72 х .
1. K х =
2. K х =
−0,13 + 1,13 х
1 – ступени с ρ =0,1…0,14;
2 – ступени с ρ =0,2…0,21
1. Занос солями
НЛ
∆ Н =( ∆ Н t1 ⋅ sinα1 ) ×
2
1. K ∆Н =1 − 0, 04∆ Н + 0, 003∆ Н .
×100 %
2
и РЛ
2. K ∆Н= 1, 02 − 0, 035∆ Н + 0, 0026∆ Н .
где ∆ Н и ∆ Р - максимальная толщина отложений
на профиле НЛ и
под бандажом РЛ
соответственно.
Ступень 17
3. K ∆Н= 1, 09 − 0, 05∆ Н + 0, 006∆ Н .
∆ Р =( ∆ Р l ) ⋅100 % ,
2
2
4. K ∆Н= 1,15 − 0, 04∆ Н + 0, 005∆ Н .
2
5. K ∆Н= 1, 21 − 0, 05∆ Н + 0, 007 ∆ Н .
( )
1…5 – K ∆Н= f ∆ Н соответственно при ∆ P =0;
1,82; 6,5; 11,2 и 15,1 %;
6…8 – K ∆=
f ∆ Р соотР
( )
(
6. K ∆Р = 1, 0 + 9, 7 ∆ Р + 0, 29∆ Р
(
0,92 + ( 9,1∆
2
Р
+ 0, 2∆ Р
−3
2
−3
2
−3
7. K ∆=
Р 0,95 + 7,9∆ Р + 0,37 ∆ Р
8. K ∆=
Р
)10 .
)10 .
)10
ветственно при ∆ Н =0;
1,76 и 3,52 %
Этап 2. Действительное осевое усилие на полотно диска Pд определяется с использованием экспериментальных данных посредством введения поправочных коэффициентов:
93
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ISBN 5-89838-336-3
Вестник Брянского государственного технического университета. 2008. № 2(18)
 i =n

Pд =PдР 1 +
( Ki′ − 1) ,
 i =1

где Ki′ - значение i-го корректирующего коэффициента; n – число учитываемых параметров.
Значения коэффициентов Ki′ , как и коэффициентов Ki для венца РЛ, определены на
основе комплексных экспериментальных исследований моделей турбинных отсеков на
динамических воздушных стендах, выполненных в области автомодельности на режимах
работы, близких к оптимальным.
Действительный уровень аксиальной нагрузки на полотно диска Pд рассчитывается
с использованием экспериментальных графических или аппроксимированных зависимостей (табл. 3).
∑
Таблица 3
Опытные корректирующие коэффициенты для определения осевого усилия на полотно
диска рабочего колеса турбинной ступени
Параметр корЭкспериментальные зависимости корректирующих коэффициентов от
ректировки и
параметров ступени
тип опытной
ступени
графические
аппроксимированные
(рис.1, табл.1)
Открытый осевой зазор у кор1. K
=
δ′1′ 0,36 − 9,54δ1′.
ня ступени
δ1′ = δ1′ l .
2
2. Kδ′1′ =
2, 04 − 35, 7δ1′ + 285, 2δ1′ .
Ступени 17, 18
без разгрузоч2
ных отверстий в
3. Kδ′1′ =
6, 4 − 149,8δ1′ + 1, 226 ⋅103 δ1′
диске ( z = 0 )
1 – утечка рабочего тела из
передней камеры диска в
проточную часть
∆Gк = -1,23% от расхода
газа через ступень;
2 – ∆Gк =0;
3 – утечка газа в переднюю
камеру диска
∆Gк = +3,14%
Число разгрузочных отвер=
1. K z′ z ( 0,12 − 0, 017 z )
стий в диске рапри z ≤ 4.
бочего колеса z
=
K z′ 0, 21 при z > 4.
(эквивалент общей площади
2. K z′ = 0, 286.
разгрузочных
3. K z′ =0,59 − 0, 09 z + 0, 011z 2
отверстий).
Утечка через диафрагменСтупень 2
при z ≤ 4.
ное уплотнение ∆G у в %
94
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ISBN 5-89838-336-3
Вестник Брянского государственного технического университета. 2008. № 2(18)
Окончание табл. 3
Параметр корректировки и
тип опытной
ступени
(рис.1, табл.1)
Экспериментальные зависимости корректирующих коэффициентов от
параметров ступени
графические
аппроксимированные
от расхода газа через сту=
K z′ 0, 41 при z > 4.
пень:
′ 1, 06 − 0, 202 z + 0, 016 z 2 .
1 – -3; 2 – -2; 3 – -1; 4. K z =
4 – 0; 5 – +1; 6 – +2; 5. K z′ =
1, 44 − 0, 217 z + 0, 012 z 2 .
7 – +3
−3 2
6. K z′ = 1,58 − 0,176 z + 5, 4 ⋅10 z .
7. K z′ = 1,98 − 0, 23z + 8, 2 ⋅10−3 z 2
Утечка рабочего
тела через диафрагменное уплотнение ∆G у в
K ∆′ G = 1,0 + 0,14∆G у + 0,01∆G у2 − 6, 4 ⋅10−3 ∆G 3у
% от расхода газа через ступень.
Ступень 2 с
z p = 8 диаметром 30мм
С целью реальной оценки результатов исследований авторами были получены применительно к турбине К-11-10П КТЗ, служащей для привода питательных насосов типа
ПН-950-350 в турбоблоках мощностью 500 МВт, расчетные и экспериментальные значения величин осевого усилия при различных режимах ее эксплуатации. В расчетах использовались: метод, разработанный Харьковским турбогенераторным заводом (ХТГЗ), и РТМ
НПО ЦКТИ [2], дополненный и уточненный представленными в настоящей публикации
материалами, содержащими оценку влияния ряда основных конструктивных и режимных
факторов на уровень развиваемой ротором осевой нагрузки.
Результаты расчетов и натурных
испытаний турбопривода свидетельствуют об адекватности полученных
зависимостей осевого усилия ротора
от развиваемой установкой мощности
– подачи питательного насоса (Q).
Очевидно, что действительные
значения Pос в наибольшей степени
согласуются с расчетными при использовании предлагаемого авторами
Рис. 2. Зависимость осевого усилия турбины
метода их определения. В этом случае
К-11-10П КТЗ от величины нагрузки:
значения аксиального усилия превы1 – натурные испытания турбины; 2 – расчет метошают его действительный уровень в
дом, предложенным авторами; 3 – расчет методом
среднем на 15%, в то время как при
НПО ЦКТИ [2]; 4 – расчет методом ХТГЗ
использовании методов НПО ЦКТИ и
95
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ISBN 5-89838-336-3
Вестник Брянского государственного технического университета. 2008. № 2(18)
ХТГЗ – соответственно на 34,2 и 101%, что свидетельствует о достаточно высокой достоверности такого варианта определения Pос , разработанного на основе широкомасштабных экспериментальных исследований опытных отсеков паровых и газовых турбин.
Авторы настоящих исследований не претендуют на полноту учета факторов, оказывающих влияние на величину осевого усилия в проточной части турбомашин. Вместе с
тем представленный метод расчета позволяет значительно расширить анализируемый
диапазон конструктивных и режимных параметров, определяющих уровень аксиального
давления, особенно при переходных и нестационарных режимах эксплуатации энергоблоков. Это даст возможность оптимизировать конструкцию упорных подшипников, снизить
их металлоемкость и уровень энергетических потерь, повысить надежность и долговечность.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Гоголев, И.Г. Аэродинамические факторы и надёжность турбомашин/ И.Г. Гоголев, А.М. Дроконов, А.Е.
Зарянкин. – Брянск: Грани, 1993.-168с.
2. Турбины паровые стационарные. Расчёт осевого усилия: РТМ 108.021.08-86. – НПО ЦКТИ,
1988.-94с.
Материал поступил в редколлегию 04.02.08.
96
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2008. № 2(18)
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ
И ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ
УДК 517.958:532.5, 621:007
В.В. Порошин, Д.Ю. Богомолов, А.А. Сыромятникова
МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ТЕЧЕНИЯ РАБОЧЕЙ СРЕДЫ В ПОДВИЖНЫХ
МЕТАЛЛ-МЕТАЛЛИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЯХ С УЧЕТОМ ТРЕХМЕРНОЙ
ТОПОГРАФИИ РАБОЧИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ
Представлена математическая модель расчета течения рабочей среды в подвижных металл-металлических
соединениях, основанная на уравнении Рейнольдса в давлениях. Для решения уравнения использован метод
конечных элементов. Предложена формула для расчета утечек в подвижных соединениях с учетом трехмерной топографии их рабочих поверхностей.
Ключевые слова: подвижное соединение; математическая модель; течение рабочей среды; топография рабочих поверхностей.
Известно, что эксплуатационные характеристики многих технических систем в значительной степени определяются работоспособностью входящих в них подвижных и неподвижных соединений. Условия смазки триботехнических узлов, производительность
плунжерных насосов, герметичность металл-металлических стыков и т.п. являются основными факторами, характеризующими надежность, безопасность и работоспособность изделия в целом. Их функциональность, как правило, обусловливается характером течения
сплошной среды в тонких слоях щелевых каналов с неровными стенками, определяемым
микротопографическими параметрами поверхности канала [1-3].
Сеточная модель щелевого канала с учетом трехмерной геометрии неровностей на
его поверхностях представлена на рис. 1.
Неровности поверхностей h 1 (x,y) и
h 2 (x,y) являются функцией декартовых координат (x,y) и задаются на общей координатной
сетке, состоящей из узлов ( xi , y j ) . Высоты неровностей в узле задаются как (h1 )ij = h1 ( xi , y j ) ,
(h2 )ij = h2 ( xi , y j ) . Шаги сетки в направлениях
x и y являются постоянными ( ∆x =const ,
∆y =const ), хотя могут отличаться друг от
Рис. 1. Пространственная модель канала
друга.
с учетом неровности поверхностей
Средний зазор между поверхностями H
берется как расстояние между их средними плоскостями. Текущий зазор
hT =
H + h1 ( x, y ) + h2 ( x, y ) в узлах сетки задается как (hT )ij = hT ( xi , y j ) .
В большинстве работ российских и зарубежных авторов расчет течения в такого рода каналах основан на использовании уравнения О. Рейнольдса для стационарного течения в тонких слоях в давлениях [4-6]:
 ∂hT
∂h 
∂  3 ∂p  ∂  3 ∂p 
(1)
+U y T  ,
 = 6 µ U x
 hT
 +  hT
∂x  ∂x  ∂y  ∂y 
∂x
∂y 

где p -давление; μ -динамическая вязкость; U x - скорость относительного движения поверхностей вдоль оси x; U y - скорость относительного движения поверхностей вдоль оси
y. В качестве граничных условий, необходимых для решения уравнения (1), как правило,
задают перепад давлений p A – p B .
97
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2008. № 2(18)
В том случае, если пренебречь боковыми течениями в канале не представляется
возможным, возникает необходимость численного решения дифференциального уравнения (1). На практике характерные размеры соединений составляют десятки миллиметров,
а дискретность шага при моделировании шероховатости – 5…10 мкм. В связи с этим на
современном этапе решение уравнения (1) с учетом шероховатости для всей поверхности
щелевого канала не представляется возможным. Влияние шероховатости учитывается с
помощью вспомогательных коэффициентов
– коэффициентов потока. Коэффициенты
потока вычисляются на небольшом характерном участке соединения (рис. 2) и представляют собой отношение утечек в канале с
шероховатыми стенками к утечкам в канале
с гладкими стенками и зазором, взятым по
средним плоскостям шероховатости.
Для данного характерного участка с
размерами L x ×L y численно решается уравнение (1) с граничными условиями:
1) p=p A при y=0;
2) p=p B при y=L y ;
(2)
Рис. 2. Модель характерного участка канала
3) ∂p / ∂x =0 при x=0, x=L x .
Решение уравнения О. Рейнольдса для стационарного течения в тонких слоях в
давлениях методом конечных элементов. Для решения уравнения (1) целесообразно
применять метод конечных элементов. Этот метод гарантированно решает частичноэллиптические задачи, к которым относится данное уравнение.
Поскольку метод конечных элементов является вариационным методом, дифференциальное уравнение заменяется эквивалентной вариационной задачей нахождения минимума следующего функционала:
   2  ∂p  2
 ∂h
∂h  
3  ∂p
=
χ ∫∫ hT   +   + 12µ  U x T + U y T  p  dxdy → min,
∂x
∂y  

S
 ∂x   ∂ó 
где S – исследуемая прямоугольная область (рис. 2); p – пробная функция,
удовлетворяющая граничным условиям
(2).
При разбиении области на конечные
элементы каждый прямоугольник сетки
делится на два треугольника диагональной линией (рис. 3). Узлы сетки и конечные элементы при данном разбиении
можно пронумеровать строго по порядку
слева направо, снизу вверх. Подобная нумерация позволяет получить результирующую матрицу ленточного типа, для
обсчета которой требуется существенно
Рис. 3. Разбиение области на конечные элементы
меньше оперативной памяти и машинного
времени.
Пробные функции на конечных элементах выбираются как линейные, что позволяет
автоматически удовлетворять граничным условиям (2):
98
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2008. № 2(18)
p ( x, y ) =a1 + a2 x + a3 y ,
x, y ∈ ei ,
(3)
где e i – элемент; a1ei , a2ei , a3ei – коэффициенты, зависящие от элемента.
Найдем из выражения (3) значения давления в узловых точках конечного элемента:
a1 + a2 x j + a3 y j ; pm =
pi =
a1 + a2 xi + a3 yi ; p j =
a1 + a2 xm + a3 ym ,
где xi , yi , x j , y j , xm , ym – горизонтальные координаты узловых точек элемента; pi , p j , pm –
искомые значения давления в узловых точках элемента. Вместе они образуют систему
уравнений относительно коэффициентов a1 , a2 , a3 , которая решается по методу Крамера:
a1 =(1/ 2∆)(ai pi + a j p j + am pm );
a2 = (1/ 2∆)(bi pi + b j p j + bm pm );
a3 = (1/ 2∆)(ci pi + c j p j + cm pm ),
где=
ai x j ym − xm y j ; b=
xm − x j ; =
xi − xm ;
y j − ym ; c=
a j xm yi − xi ym ; b=
ym − yi ; c=
i
i
j
j
=
am xi y j − x j yi ; bm= yi − y j ; cm= x j − xi ; Δ – площадь треугольного элемента.
Подставив найденные коэффициенты в выражение (3), можно выразить значение
пробной функции на элементе и найти ее производные:
1
(ai + bi x + ci y ) pi + (a j + b j x + c j y ) p j + (am + bm x + cm y ) pm  ,
p ei ( x,=
y)
2∆ 
∂p ei
1
∂p ei
1
bi pi + b j p j + bm pm  ,…. =
ci pi + c j p j + cm pm  .
=
∂x 2∆
∂ó 2∆ 
С учетом полученных зависимостей элементарный вклад в значение функционала
будет представлять собой
∫∫ h dxdy
3
T
=
χ ei
ei
4∆ 2
( b p + b p + b p ) 2 + ( c p + c p + c p ) 2  +
j j
m m
i i
j j
m m
 i i

∂hT  
6 µ  ∂hT
+
+
U
U
y
 x
  pi ( ai + bi x + ci y ) dxdy +
∆ 
∂x
∂y   ∫∫
ei

+ p j ∫∫ ( a j + b j x + c j y ) dxdy + pm ∫∫ ( am + bm x + cm y ) dxdy  .

ei
ei

p
где p i , j , p m – три узла, образующие конечный элемент ei .
В точке минимума частные производные функционала по каждому узловому значению p r обращаются в ноль. Для вычисления данной производной сначала вычисляются
производные от функционала на всех элементах, содержащих узел p r :
∂χ
=
∂pr
ei
∫∫ h dxdy
3
T
ei
2∆ 2
br ( br pr + bs ps + bt pt ) + cr ( cr pr + cs ps + ct pt )  +
+
∂h 
6 µ  ∂hT
+ U y T  ∫∫ ( ar + br x + cr y ) dxdy.
U x
∆ 
∂x
∂y  ei
99
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2008. № 2(18)
Затем полученные зависимости суммируются по всем элементам, содержащим p r , и
приравниваются к нулю. Получаемая в итоге система линейных уравнений может быть
записана в матричной форме:
[ K ][ p ] = [ B ] .
Ниже представлены выражения для определения коэффициентов матрицы [K] и
столбца свободных членов [B]:
3
∫∫ hT dxdy
=
K ij
∑
ei
2∆ 2
ek ∋ pi , p j
( br bs + cr cs ) ,
∂h 
6 µ  ∂hT
+ U y T  ∫∫ ( ar + br x + cr y ) dxdy,
U x
∂x
∂y  ei
ek ∋ pi , p j ∆ 
− ∑
Bj =
где индекс s(e k ) = i ; индекс r (e k ) = j .
Количество строк (и столбцов) в матрице равно количеству узлов сетки.
В сформированную таким образом матрицу необходимо добавить граничные условия. На боковых границах действует условие (2.3) отсутствия потока по нормали к границе. Данное условие выполняется автоматически (как естественное следствие вариационной формулировки задачи). Граничные условия (2.1) и (2.2) для узлов, расположенных на
входе и выходе канала, подставляются непосредственно в столбец свободных членов [B].
При этом соответствующая строка матрицы [K] обнуляется, а диагональный элемент устанавливается равным единице.
Как указывалось выше, благодаря выбранной нумерации узлов и элементов итоговая
матрица будет иметь ленточный вид:
 k11

 

 k1 p


[K ] = 


























k nq 


 
k nq  k nn 
 k1 p
0
0
Если дискретизация исследуемой области представляет собой квадратную сетку из
N×N узлов, то количество строк в матрице составит N2, а ширина ленты будет не более
W=2N+3. Матрица, представленная в таком виде, требует для своего хранения не более
чем N2*W≈2N3 ячеек памяти. Для сравнения: неленточная матрица такого же порядка потребовала бы для своего хранения N4 ячеек памяти. Таким образом, благодаря правильному выбору нумерации узлов при ограниченном количестве оперативной памяти вычислительной машины становится возможным значительное увеличение размеров исследуемого участка.
При наличии гарантированного зазора (даже менее 10% от высоты наибольшего выступа шероховатости) задача является эллиптической и имеет решение.
Расчет утечек рабочей среды. Полученная в результате расчета карта распределения давлений используется для нахождения реальных утечек.
Расчет утечек с учетом дискретной природы карты распределения давлений выполняется по формуле
100
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2008. № 2(18)
j 
 n ( ( h ) j )3
( pij − pij −1 ) U y (hT )i 
T i

+
∑∑

∆y
12 µ
2
=j 2=
i 1

 ∆x,
=
Qy
m
где n – количество разбиений сетки по оси O x (поперек направления потока); m – количество разбиений сетки по оси O y (вдоль направления потока); Δx – шаг сетки по оси O x ; Δy
– шаг сетки по оси O y .
Найденные утечки соотносятся с утечками в соединении с идеально гладкими стенками:
H 3 ∂p U y H
=
Qy Lx
+
.
12 µ ∂y
2
В каналах с неподвижными стенками (U x =0) вычисляется коэффициент статического потока φ x . При наличии относительного движения стенок канала коэффициенты потока
вычисляются отдельно для статической и динамической составляющих потока. Коэффициент статического потока вычисляется для следующих условий:
1) p=p A при y=0;
2) p=p B при y=L y ;
3) U y = 0, U x = 0.
Находится он из соотношения статических составляющих утечек:
m
 n ( ( h ) j )3

( pij − pij −1 ) 
T i

∑∑

12 µ
∆y
i 1
=j 2=

 ∆x,
Qys
=
m
m
Qys = Lx
H 3 ∂p
,
12 µ ∂y
ϕ y = Qys / Qys .
Коэффициент динамического потока Ө y вычисляется для следующих условий:
1) p=0 при y=0, y=L y ;
2) U y = U ≠ 0, U x = 0.
Он определяется из соотношения полных утечек:
j
 n ( ( h ) j )3
( pij − pij −1 ) U y (hT )i
T i

+
∑∑
12 µ
2
∆y
=j 2=
i 1

m
m
Qyd



H 3 ∂p UH
 ∆x,=
Qyd Lx
+
,
12 µ ∂y
2
θ y = Qyd / Qyd .
Оба коэффициента потока безразмерны и не зависят от конкретных значений давления, вязкости и скорости относительного перемещения стенок. Значения коэффициентов
определяются отношением среднего зазора к высоте шероховатости и формой шероховатости.
Если исследуемый канал не имеет других видов неровностей поверхности стенок,
кроме шероховатости, или другими видами неровностей можно пренебречь, то полученные коэффициенты потока могут быть непосредственно подставлены в аналитическое выражение для определения утечек. Так, для канала, составленного из двух параллельно
расположенных прямоугольных шероховатых пластин длиной L и шириной B , утечка
будет определяться по формуле
101
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2008. № 2(18)
U H

H 3 p A − pB
=
+ θ y y .
QV B  ϕ y
L
2 
 12 µ
Если исследуемый канал имеет другие виды неровностей поверхности стенок (например, волнистость), то коэффициенты потока могут быть подставлены в модифицированное уравнение (1) [7]:

∂H
∂H 
∂ 
∂ 
3 ∂p 
3 ∂p 
 = 6 µ θ x ( H )U x
+ θ y ( H )U y
 +  ϕ y ( H ) H
ϕ x ( H ) H
∂x
∂y 
∂x 
∂x  ∂y 
∂y 

где H(x,y) – топография поверхности без учета шероховатости; коэффициенты φ x и θ x вычисляются аналогично φ y и θ y , но с поперечно направленными перепадом давлений и скоростью относительного движения стенок.
Предлагаемая математическая модель может применяться при проектировании подвижных металл-металлических соединений для прогнозирования утечек с учетом неровности рабочих поверхностей.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
Цукидзо, Т. Современное состояние и тенденция исследования уплотнения стационарных твёрдых тел /
Т. Цукидзо // Характеристики уплотнения твёрдых тел в статическом контакте. – Дзюнкацу,1969. – Т.14.
- № 5. – С. 228-231.
Измайлов, В.В. Приближенный расчёт герметичности соединений уплотнений / В.В. Измайлов, В.И.
Соколов // Изв. Вузов. Машиностроение. – 1977. - № 1. – С. 50-55.
Roth, A. Влияние шероховатости поверхности на удельную скорость утечки в уплотнениях с прокладкой
/ A. Roth // Vacuum. – 1970. – V. 20. - № 10. – P. 431-435.
Wong, E.R. Gas-lubricated porous bearings of finite length – self-acting journal bearings / E.R. Wong // ASME
Journal of Lubrication Technology. – 1979. – Vol. 101. – P. 338-347.
Gargiulo, E.P. Porous wall gas lubricated journal bearings: theoretical investigation / E.P. Gargiulo // ASME
Journal of Lubrication Technology. – 1979. – Vol.101. – P. 458-465.
Sun, D.C. Analysis of the steady state characteristics of gas-lubricated porous journal bearings / D.C. Sun //
ASME Journal of Lubrication Technology. – 1975. – Vol.97. – P. 44-51.
Patir, N. Application of average flow model to lubrication between rough sliding surfaces / N. Patir, H.S. Cheng
// ASME Journal of Lubrication Technology. – 1979. – Vol.101. - №1. – P. 220-229.
Материал поступил в редколлегию 24.12.07.
102
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ISBN 5-89838-336-3
Вестник Брянского государственного технического университета. 2008. № 2(18)
УДК 658.512.2.011.56
Мартыненко А.А., Шкаберин В.А.
ПРИМЕНЕНИЕ ОНТОЛОГИЧЕСКОГО ПОДХОДА ДЛЯ РЕАЛИЗАЦИИ
СИСТЕМЫ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОГО ПОИСКА В ОБЛАСТИ
CALS-, CAD-, CAM-, CAE-ТЕХНОЛОГИЙ
Рассмотрен вопрос реализации системы интеллектуального поиска в области CALS-, CAD-,CAM-,CAEтехнологий на основе применения онтологического подхода.
Ключевые слова: онтология; система интеллектуального поиска; CALS-, CAD-, CAM-, CAE-технологии.
Направление информационной интеграции и системной поддержки жизненного цикла продукции (CALS-, CAD-, CAM-, CAE-технологии) входит в перечень критических
технологий РФ. В настоящее время для обеспечения конкурентоспособности российских
машиностроительных предприятий, повышения качества продукции и производительности труда, а также для реструктуризации производств необходимо внедрение современных технологий информационной поддержки жизненного цикла продукции (CALSтехнологий) и интегрированных систем автоматизированного проектирования (CADCAM-CAE-систем).
Основным источником информации в последнее время стала глобальная компьютерная сеть Интернет. В Интернет имеется множество разрозненных информационных ресурсов в области CALS-,CAD-, CAM-, CAE-технологий. Информация достаточно динамично
изменяется, требует систематизации и структурирования для эффективного использования при решении ряда практических задач, возникающих на промышленных предприятиях (анализ рынка программных продуктов, выбор автоматизированной системы, изучение
передового опыта использования CALS-технологий и др.), в учебном процессе и при выполнении научных исследований.
В связи с этим одной из наиболее сложных и актуальных проблем является обеспечение эффективного сетевого доступа к структурированным предметно-ориентированным
информационным ресурсам для специалистов в предметной области.
В настоящее время мониторинг и некоторые аспекты системного анализа информации в сети Интернет выполняются с использованием систем информационного поиска,
разделяемых на каталоги, информационно-поисковые и метапоисковые системы. Однако
существующие технологии и средства информационного поиска в сети Интернет не позволяют решать целый ряд задач по предметно-ориентированному поиску.
Это связано со следующими причинами:
объём данных, размещённых в сети Интернет, очень велик, а сама информация недостаточно структурирована;
- Интернет очень изменчив, ежедневно в нём появляются новые данные – страницы
или целые сайты, – что-то исчезает, а часть ресурсов меняет адрес;
- сетевые публикации в целом отличаются меньшей достоверностью, чем публикации бумажные, так что информацию, размещённую в сети, нужно ещё каким-то образом
оценить или проверить;
- поиск научной информации затруднен из-за увеличения числа информационных
ресурсов коммерческого назначения, а также вследствие некачественного ее представления в сети.
Указанные факты явились предпосылкой для разработки автоматизированного интеллектуального модуля мониторинга и анализа web-ресурсов, способного перенастраиваться на требуемую предметную область. Работы по созданию этого модуля в настоящее
время проводятся на кафедре «Компьютерные технологии и системы» Брянского государ103
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2008. № 2(18)
ственного технического университета в рамках выполнения научно-исследовательского
проекта «Разработка отраслевой системы доступа к информационным ресурсам научного
и образовательного назначения по приоритетным направлениям развития науки и техники
в области искусственного интеллекта и CALS-, CAD-, CAM-, CAE-технологий».
Наиболее трудоемкой и сложной задачей является описание в формализованном виде самой предметной области. На сегодняшний день существует ряд средств и методов
представления знаний о предметной области, и к наиболее эффективным из них относится
онтологический подход.
В инженерии знаний под онтологией понимается детальное описание некоторой
предметной области, которое используется для формального и декларативного определения ее концептуализации. Зачастую онтологией называют базу знаний специального вида,
которую можно разделять, отчуждать и самостоятельно использовать в рамках рассматриваемой предметной области.
Онтологические системы могут применяться для решения различных задач в сфере
искусственного интеллекта, но наиболее характерной сферой их применения является
представление знаний в Интернете. Круг связанных с этим вопросов весьма широк и
включает в себя мультиагентные системы, автоматическое извлечение знаний из текстов
на естественном языке, поиск информации, интеллектуальное аннотирование, автоматическое составление авторефератов и пр.
Общим для всех систем онтологического аннотирования является то, что в качестве
аннотации веб-ресурса выступает специальным образом организованная предметная онтология, которая содержит структурированные знания об аннотированном ресурсе относительно некоторой метаонтологии предметной области. Можно предложить следующие
способы размещения онтологической информации о ресурсе: включить онтологическое
описание в HTML-код через введение новых HTML-тегов либо хранить онтологическое
описание ресурса в отдельном файле в каком-либо специальном представлении.
Основная задача онтологического подхода состоит в том, чтобы облегчить пользователю поиск информации в большом наборе ресурсов путем систематизации знаний, создания единой иерархии понятий, унификации терминов и правил интерпретации. Для
описания онтологий можно использовать различные языки представления знаний, например применяемые в экспертных системах.
Следует отметить, что подходы и методологии, ориентированные на построение онтологий, базируются на следующих принципах проектирования и реализации онтологий, предложенных Т. Груббером:
1. Ясность (Clarity) — онтология должна эффективно передавать смысл введенных
терминов. Определения должны быть объективными, хотя мотивация введения терминов
может определяться ситуацией или требованиями вычислительной эффективности. Для
объективизации определений должен использоваться четко фиксированный формализм,
при этом целесообразно задавать определения в виде логических аксиом.
2. Согласованность (Coherence) — все определения должны быть логически непротиворечивы, а все утверждения, выводимые в онтологии, не должны противоречить аксиомам.
3. Расширяемость (Extendibility) — онтология должна быть спроектирована так, чтобы
обеспечивать использование разделяемых словарей терминов, допускающих возможность монотонного расширения и/или специализации без необходимости ревизии уже существующих
понятий.
4. Минимум влияния кодирования (Minimal encoding bias) — концептуализация, лежащая в основе создаваемой онтологии, должна быть специфицирована на уровне представления, а не символьного кодирования. Этот принцип связан с тем, что агенты, разделяющие онтологию, могут быть реализованы в различных системах представления знаний.
5. Минимум онтологических обязательств (Minimal ontological commitment) — онто104
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2008. № 2(18)
логия должна содержать только наиболее существенные предположения о моделируемом
мире, чтобы оставлять свободу расширения и специализации. Отсюда следует, что онтологии
базируются на «слабых» теориях, так как цель их создания и использования состоит, прежде
всего, в том, чтобы «говорить» о предметной области, в отличие от баз знаний, которые могут
содержать знания, необходимые для решения задач и/или ответов на вопросы.
Онтологический анализ обычно начинается с составления словаря терминов, который используется при обсуждении и исследовании характеристик объектов и процессов,
составляющих рассматриваемую систему, а также создания системы точных определений
этих терминов. Кроме того, документируются основные логические взаимосвязи между
соответствующими введенным терминам понятиями. Результатом этого анализа является
онтология системы, или совокупность словаря терминов, точных их определений, взаимосвязей между ними.
В настоящее время не существует единственного правильного способа или методологии разработки онтологий. Но существуют некоторые фундаментальные правила разработки онтологии:
1. Не существует единственного правильного способа моделирования предметной
области – всегда существуют жизнеспособные альтернативы. Лучшее решение почти всегда зависит от предполагаемого приложения и ожидаемых расширений.
2. Разработка онтологии – это обязательно итеративный процесс.
3. Понятия в онтологии должны быть близки к объектам (физическим или логическим) и отношениям в интересующей предметной области. Наиболее часто это существительные (объекты) или глаголы (отношения) в предложениях, которые описывают предметную область.
Таким образом, знание того, для каких целей будет создана онтология, степень ее детализации повлияют на многие решения, касающиеся моделирования. Среди нескольких
жизнеспособных альтернатив нужно определить, какая поможет лучше решить поставленную задачу и будет более наглядной, более расширяемой и более простой в обслуживании. Также нужно помнить, что онтология – это модель реального мира, и понятия в онтологии должны отражать эту реальность. После того как будет определена начальная
версия онтологии, можно оценить и отладить ее, используя ее в приложениях или методах решения задач и/или обсудив ее с экспертами предметной области. В результате почти
наверняка нужно будет пересмотреть начальную онтологию. Этот процесс итеративного
проектирования, вероятно, будет продолжаться в течение всего жизненного цикла онтологии.
Сегодня для создания и поддержки онтологий существует целый ряд инструментов,
которые помимо общих функций редактирования и просмотра выполняют поддержку документирования онтологий, импорт и экспорт онтологий разных форматов и языков, поддержку графического редактирования, управление библиотеками онтологий и т.д [1].
Наиболее известными системами являются следующие:
1. Система Ontolingua - была разработана в Knowledge Systems Laboratory Стенфордского университета и стала первым инструментом инженерии онтологий. Она состоит из
сервера и языка представления знаний[2].
2. Protégé – локальная, свободно распространяемая Java-программа, разработанная
группой медицинской информатики Стенфордского университета[3].
3. Система OntoEdit - первоначально была разработана в институте AIFB (Institute of
Applied Informatics and Formal Description Methods) университета Karlsruhe (сейчас коммерциализован Ontoprise GmbH). Она выполняет проверку, просмотр, кодирование и модификацию онтологий.
4. OilEd – автономный графический редактор онтологий, разработанный в Манчестерском университете в рамках европейского IST-проекта On-To-Knowledge.
105
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2008. № 2(18)
5. Система Web-Deso - предназначена для создания онтологий некоторой предметной области.
После сравнения указанных инструментов по ряду критериев выбор был остановлен
на Protégé-2000[4]. Эта система предназначена для построения (создания, редактирования
и просмотра) онтологий прикладной области. Её первоначальная цель – помощь разработчикам программного обеспечения в создании и поддержке явных моделей предметной области и включение этих моделей непосредственно в программный код. Protégé включает
редактор онтологий, позволяющий проектировать онтологии, разворачивая иерархическую структуру абстрактных или конкретных классов и слотов. Структура онтологии аналогична иерархической структуре каталога. На основе сформированной онтологии Protégé
может генерировать формы получения знаний для введения экземпляров классов и подклассов. Инструмент имеет графический интерфейс, удобный для использования неопытными пользователями, снабжен справками и примерами.
Protégé основан на фреймовой модели представления знания OKBC (Open Knowledge
Base Connectivity) и снабжен рядом плагинов, что позволяет его адаптировать для редактирования моделей, хранимых в разных форматах (стандартный текстовый, в базе данных
JDBC, UML, языков XML, XOL, SHOE, RDF и RDFS, DAML+OIL, OWL).
Для построения онтологии, описывающей предметную область CALS-,CAD-,CAM,CAE-технологий, были выполнены следующие работы:
1. На основе анализа предметной области (CALS-,CAD-,CAM-,CAE– технологии)
выявлен основной набор терминов и понятий, описывающих предметную область, и представлен в виде глоссария.
2. Создана общая структура онтологии предметной области, которая представлена в
графическом виде (рис. 1) [5]. C учетом предложенной онтологии фрагмент описания
САПР Pro/Engineer будет выглядеть следующим образом. Одним из этапов жизненного
цикла является проектирование; в САПР Pro/Engineer оно может быть эскизным, техническим и рабочим. Следующей единицей онтологии является блок, описывающий типовые задачи, решаемые на этапе жизненного цикла. Любое проектирование базируется на
математическом обеспечении геометрического моделирования, которое включает в себя:
геометрические модели, подходы к представлению геометрических моделей, методы и
алгоритмы машинной графики. Pro/Engineer является системой «тяжелого» класса. Весь
состав модулей хранится в блоке «Полный состав модулей конкретной промышленной
САПР». Информация о ядре продукта хранится в блоке «Геометрические ядра». Геометрическим ядром Pro/Engineer является частное ядро GRANITE ONE собственной разработки. Вся информация о разработчике и представительстве в России содержится в блоке
«Разработчики». Ключевые термины и понятия находятся в глоссарии.
3. В среде Protégé-2000 сформирован фрагмент онтологии предметной области, который содержит сведения по известным машиностроительным САПР (основные модули,
разработчики, связь модулей систем с основными этапами проектирования и основными
математическими методами и др.). Разработанный фрагмент онтологии в настоящий момент адаптируется для использования в автоматизированном интеллектуальном модуле
мониторинга и анализа web-ресурсов в качестве средства настройки на предметную область.
В настоящее время работы по детализации онтологии по предметной области
«CALS-,CAD-,CAM-,CAE-технологии» продолжаются. Параллельно начаты работы по
созданию онтологии, описывающей предметную область «Искусственный интеллект».
Основой построения онтологии по предметной области «CALS-,CAD-, CAM-,CAE–
технологии» является привязка модулей реальных промышленных САПР к этапам жизненного цикла изделия (в рамках концепции CALS) через типовые решаемые задачи с использованием современных интегрированных САПР (создание 3D-модели, проектирование технологического процесса и др.). Данный подход делает возможным решение такой
практической задачи, как выбор промышленной САПР для решения стоящих перед пред106
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2008. № 2(18)
приятием конкретных производственных задач на конкретных этапах жизненного цикла
изделий. Информационная магистраль «этап жизненного цикла - решаемые задачи - модули промышленной САПР» насыщается дополнительными аспектами, такими как виды
обеспечения САПР, характеристика производителя САПР, взаимосвязь САПР с другими
информационными системами, применяемыми на стадиях жизненного цикла изделий, и
др. Рис. 2 отражает построение фрагмента онтологии по производителям CAD-CAM-CAE
– систем, имеющим дилерскую сеть на территории РФ. На рис. 3 представлено построение
фрагмента онтологии по описанной схеме.
Описание
типовых
модулей
- Основные
CAD
CAM
CAE
- Дополнительные
Тип модуля
Вид модуля
Название модуля
Полный состав
модулей конкретной
промышленной
САПР
Pro/ENGINEER
Система
Вид геометрической
модели
Класс
САПР
Этап
жизненного
цикла
Система
- Геометрические модели
- Подходы к представлению
геометрических моделей
- Методы и алгоритмы машинной
графики
Типы модулей
Этапы жизненного цикла
Конфигурация
интегрированной САПР
- Проектирование
Эскизное
Техническое
Рабочее
- Технологическая подготовка
производства
- Тяжелого класса
- Среднего класса
- Легкого класса
Производит
Система
Глоссарий по
каждой типовой
задаче
Геометрическое
ядро
Геометрические ядра
Математическое обеспечение
геометрического
моделирования
Производитель
- Лицензируемые
- Частные
- Свободные
Разработчики
Типовые задачи, решаемые на
этапе жизненного цикла
- Проектирование
- 3D – моделирование
- Управление сложными сборками
- Интерактивное моделирование стилевых
поверхностей и поверхностей свободной
формы
- Концептуальная проработка новых
изделий
- Выполнение усовершенствованного
ренденринга
- Выполнение реверсивного инжиниринга
- Создание электрических диаграмм,
принципиальных схем и чертежей
- Проектирование электрических и
кабельных систем
- Проектирование трубопроводных систем
- Разработка конструкций из стандартного и
специального профиля
Рис. 1. Структура онтологии по предметной области «CALS-,CAD-, CAM-,CAE-технологии»
107
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2008. № 2(18)
ПРОИЗВОДИТЕЛИ САПР
Разработчики
SOLIDWORKS
CORPORATION
PARAMETRIC TECHNOLOGY
CORPORATION
Год основания
1993
1985
Количество
пользователей
БОЛЕЕ ½ МИЛЛИОНА
ПОЛЬЗОВАТЕЛЕЙ
БОЛЕЕ 16 ТЫСЯЧ
ПОЛЬЗОВАТЕЛЕЙ
Уровень САПР
СИСТЕМА СРЕДНЕГО
УРОВНЯ
СИСТЕМА ВЫСОКОГО
УРОВНЯ
Представительство
в
России
SolidWorks-Russia
(Москва, ул. Баррикадная, д. 8/5
офис 310
Тел.(495)995-80-32)
/центр обучения
SolidWorks-Russia
СЕВЕРО-ЗАПАД
(Санкт-Петербург, ул. Чапаева, д.3,
офис 603-606
Тел.(812)346-88-53)
Pro/Technologies
(Москва, Смоленская площадь, д.3,
Бизнес центр Regus,
офис 377
Тел.(495)933-10-19)/центр обучения
Irisoft
(Санкт-Петербург,
Малый пр. П.С., д.87, офис 210
Тел.(812)325-43-35)/центр обучения
Рис. 2. Построение фрагмента онтологии по производителям САПР
108
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2008. № 2(18)
Модули реальной
промышленной САПР
CALS (Р 50.1.031-2001
«Информационные
технологии поддержки
жизненного цикла
продукции»)
Виды систем
Маркетинг
CAD
Типы решаемых задач
3D - моделирование
Управление сложными сборками
CAD
Интерактивное моделирование стилевых
поверхностей и поверхностей свободной
формы
Концептуальная проработка новых изделий
Выполнение усовершенствованного
ренденринга
Выполнение реверсивного инжиниринга
Pro/ENGINEER Foundation Advantage
Package
Pro/ENGINEER Advanced Assembly
Создание электрических диаграмм,
принципиальных схем и чертежей
Проектирование электрических и кабельных
систем
Проектирование трубопроводных систем
Разработка конструкций из стандартного и
специального профиля
Подготовка
производства
Pro/ENGINEER
(полнофункциональная САПР для
разработки изделий любой сложности)
Pro/ENGINEER Interactive Surface Design
Pro/CONCEPT
Pro/ENGINEER Advanced Rendering
Pro/ENGINEER Reverse Engineering
Pro/ENGINEER Routed Systems Designer
Pro/ENGINEER Cabling Design
Pro/ENGINEER Piping Design
Pro/ENGINEER Expert Framework
CAE
CAE
Динамическое моделирование и анализ
движения механизма
Структурный, тепловой анализ и оптимизация
Анализ усталостной прочности конструкции
Pro/ENGINEER Mechanism Dynamics
Pro/ENGINEER Structural and Thermal
Simulation
Pro/ENGINEER Fatigue Advisor
Оптимизационное моделирование
Pro/ENGINEER Behavioral Modeling
Производство
изделия и его
компонентов
CAM
Проектирование технологической оснастки
Разработка компонентов пресс-форм
Комплексное проектирование технологической
оснастки
Проектирование последовательной штамповки
Моделирование 5-координатной фрезерной
обработки
Моделирование 3-координатной фрезерной
обработки
Моделирование фрезерной обработки
Моделирование обработки сверлением
Моделирование обработки точением
Моделирование и оптимизации раскроя металлолиста
Создание постпроцессоров
Программирование работы координатноизмерительных машин и обработки данных
измерений
Анализ процесса заполнения пресс-формы при
литье пластмасс
Проектирование технологических процессов
Планирование
и управление
производством
Промышленный обмен данными
Постпроизводственные
стадии ЖЦИ
PDM
Работа с библиотеками для прикладных
разработок
Совместная работа
CAM
Pro/ENGINEER Tool Design
Pro/ENGINEER Expert Moldbase
Pro/ENGINEER Complete Mold Design
Pro/ENGINEER Progressive Die
Pro/ENGINEER Prismatic and Multisurface Milling
Pro/ENGINEER Complete Machining
Pro/ENGINEER NC Sheetmetal
Pro/NC-GPOST
Pro/ENGINEER Computer-Aided
Verification
Pro/ENGINEER Plastic Advisor
PDM
Pro/ENGINEER Interface for CATIA V5
Pro/ENGINEER Interface for Unigraphics
Pro/ENGINEER Interface for CATIA II
Pro/ENGINEER Interface for I-DEAS
Pro/TOOLKIT Customization API
Pro/ENGINEER Design Collaboration
Pro/ENGINEER Design Conferencing
Participant
Рис. 3. Построение фрагмента онтологии на примере CAD-CAM-CAE-системы «тяжелого» класса
Pro/Engineer
109
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2008. № 2(18)
В качестве промышленной САПР выступает один из лидеров рынка – CAD-CAMCAE-система «тяжелого» класса Pro/Engineer.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Овдей, О.М. Обзор инструментов инженерии онтологий / О.М.Овдей, Г.Ю.Проскудина // Российский
научный электронный журнал.-2004.-Т.7 – Вып.4.
2. Noy, N. Ontology Development 101: A Guide to Creating Your First Ontology/ N. Noy, D. McGuinness //
Stanford Knowledge Systems Laboratory Technical Report KSL-01-05 and Stanford Medical Informatics Technical Report SMI-2001-0880.-2001, March.
3. Protege-2000 User's Guide. - http://protege.stanford.edu/publications/UserGuide.pdf
4. Аверченков, В.И. Применение онтологий при создании предметно-ориентированных электронных ресурсов / В.И. Аверченков, П.В. Казаков // Информационные технологии в науке, образовании и производстве: материалы междунар. науч.-техн. конф. – Орел: ОрелГТУ, 2006.- С. 6-11.
5. Голиков, Н.В. Применение онтологий/ Н.В.Голиков.– http://www.ict.nsc.ru/ws/YM2006/10628/golikov.html
Материал поступил в редколлегию 27.02.08.
110
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2008. № 2(18)
УДК 519.254
В.И. Аверченков, Д.В. Чмыхов
МЕТОД КОМПЬЮТЕРНОЙ РЕКОНСТРУКЦИИ РЕЛЬЕФА ПОВЕРХНОСТИ
ИНТЕРПРЕТАЦИЕЙ СФОКУСИРОВАННОСТИ ИЗОБРАЖЕНИЙ
Рассмотрен новый метод компьютерной реконструкции объёмной модели рельефа исследуемой поверхности путём анализа набора фотографий, получаемых на оптическом микроскопе.
Ключевые слова: компьютерная реконструкция; рельеф поверхности; интерпретация сфокусированности;
оптический микроскоп.
Задача измерения и визуализации рельефа поверхности микрообъектов является актуальной для различных областей науки и промышленности. Существует несколько основных методик измерения и визуализации рельефа поверхности: поверхностная профилометрия, зондовая сканирующая микроскопия, растровая электронная и просвечивающая
электронная микроскопия [1]. В последние годы стали развиваться новые методы, основанные на реконструкции рельефа поверхности с помощью оптического микроскопа. Одним из них является метод компьютерной реконструкции рельефа интерпретацией фокуса
фотографий восстанавливаемой поверхности.
Особенность оптической микроскопии состоит в том, что полученные фотографии
содержат сфокусированные и разфокусированные участки. Объясняется это тем, что при
увеличении чётким формируется только тот участок поверхности, который попадает в фокус объектива микроскопа. Используя эту особенность при анализе группы последовательных снимков образца, и зная расстояния между фотографиями, выполненными на
различных позициях объектива, можно с помощью специализированного программного
обеспечения воссоздать объёмную модель поверхности. Реконструкция рельефа включает
в себя следующие этапы:
- анализ снимков для определения сфокусированных участков фотографий и определение степени чёткости (в дальнейшем используется для построения профиля глубины);
- построение профиля глубины с использованием данных, полученных в результате
анализа снимков, и известной
высоты между фотографиями;
- построение трёхмерной
Область
Область
анализа A
модели поверхности на осноанализа B
вании профилей глубины с
использованием
объёмного
фильтра, сглаживающего шумы, образующиеся в результате анализа снимков.
Автоматизированный
анализ
сфокусированности
или
разфокусированности
изображения основан на том,
что чем более резкий переход
между цветами или уровнями
яркости одного цвета в области анализа, тем более чётким
будет изображение (рис. 1).
Рис. 1. Фотография образца, полученная оптическим металлографическим микроскопом Leica DM IRM
Такой подход к анализу изо111
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2008. № 2(18)
бражений обусловливает два необходимых требования: 1) для анализа сфокусированности
в точке следует рассматривать область вблизи данной точки; 2) поверхность анализируемого образца должна обладать текстурой.
Для представления цвета в цифровом формате используется цветовая RGB – модель [6]. Эта модель (Red Green Blue) является основной моделью представления цифровой графики. Она основана на трех базовых цветах: красном (red), зеленом (green) и синем
(blue). Все цвета образуются смешиванием этих трех основных с разной интенсивностью.
Яркость каждого базового цвета может принимать значения от 0 до 255 (256 значений),
таким образом, модель позволяет кодировать 2563 (около 16,7 млн) цветов.
Рассмотрим рис. 2, на котором показаны графики зависимостей яркости зелёного
базового цвета от координаты точки вдоль линии анализа (ось x – координата пикселя
вдоль линии анализа, ось f(x) – яркость базового цвета пикселя). Графики зависимостей
оставшихся базовых составляющих цвета строятся аналогично Из рисунка видно, что чем
выше чёткость изображения, тем более резко меняется кривая яркости базового цвета.
Используем для анализа дифференциальное исчисление, а именно производную первого
порядка. Пусть ∆x – смещение вдоль линии анализа (рис. 2), а f(x) – интенсивность одной
из трёх составляющих цвета (красная, синяя, зелёная). Тогда первая производная функции
f(x) по х в точке определяется по формуле
f ( x + ∆x) − f ( x)
.
(1)
lim
∆x
∆x →0
Линия анализа
Разфокусированная область (A)
Сфокусированная область (B)
g – составляющая области A
g – составляющая области B
Зависимость яркости базового цвета от
координаты вдоль линии анализа в области A
Зависимость яркости базового цвета от
координаты вдоль линии анализа в области B
Рис. 2. Распределения яркости базового цвета вдоль линии анализа
112
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2008. № 2(18)
Будем считать, что lim (∆x) = 1 (так как растровое изображение – это таблица
∆x →0
пикселей, то координаты пикселей изменяются дискретно на величину не меньше единиf ( x + 1) − f ( x)
цы). Тогда, используя формулу (1), получим
= ∆y , где производная – это
1
разность интенсивности цвета между соседними пикселями. На рис. 2 видно, что чем чётче изображение, тем больше разница в интенсивности цвета между соседними пикселями.
Следовательно, чёткость выше, если производная в точке больше [2].
Рассмотрим теперь переход от одного цвета к другому. Он происходит на том
участке линии анализа, где функция f(x) возрастает или убывает. Поэтому максимальную
производную f(x) следует искать на участке возрастания или убывания функции, т.е. для
анализа изображения вдоль прямой необходимо найти сумму максимальных производных
f(x), определённых на участках возрастания или убывания функции.
Анализ чёткости в конкретной точке можно выполнить, только проанализировав
область около данной точки, заданную прямыми, вдоль которых и будет проводиться
анализ. Подытожив все сказанное, можно сделать вывод, что сумма максимальных производных вдоль прямых в области анализа равна
N
S îáù . = ∑ ( S ê + S ç + S ñ ) ,
(2)
i =1
где S общ. – сумма максимальных производных в области анализа; N – количество прямых,
по которым проводится анализ изображения; S к , S з , S с – сумма максимальных производных вдоль прямой анализа для красной, зелёной и синей составляющих цвета соответственно. Для каждой составляющей сумма находится по формуле
m
S = ∑ f ′( x) ,
(3)
j =1
где f(x) – интенсивность одной из трёх составляющих цвета; m – количество возрастаний и
убываний функции f(x). Используя формулы (2, 3), приведём функцию для определения
входного параметра к следующему виду
S îáù . =
N
mê
∑∑
[
i =1 jê =1
f ê′ ( x) +
mç
∑
jç=1
f ç′ ( x) +
mñ
∑ f ñ′( x)] .
jñ=1
В результате выходной параметр, отвечающий за сфокусированность или разфокусированность изображения в анализируемой точке, приводится к числовому значению,
которое в дальнейшем используется для построения профиля глубины.
Профиль глубины строится по следующим исходным данным: 1) набор фотографий с известными расстояниями между ними (рис. 3a); 2) линия, вдоль которой реконструируется профиль глубины; 3) значения сфокусированности изображений вдоль линии
профиля глубины в цифровом формате (приведённые к сумме производных по трём составляющим цвета). Каждая точка линии профиля имеет несколько значений сфокусированности, так как проецируется на все исходные фотографии.
Для определения изображения, которому принадлежит точка профиля, а следовательно, и её высоты необходимо выбрать наибольшее из всего множества значений сфокусированности, принадлежащего этой точке. Зная расстояния между изображениями и
то, какой картинке принадлежит точка, можно построить морфометрическую карту [3]
профиля глубины (рис. 3б). Эта карта показывает, на какой высоте располагаются точки
профиля глубины, принадлежащие конкретным изображениям. Таким образом, для каждой точки определяются значение сфокусированности и принадлежность к конкретному
изображению.
113
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2008. № 2(18)
Так как значения сфокусированности точек профиля глубины для одного и того же
изображения различны, то отличается и их высота относительно высоты данного изображения. Если принять высоту изображения за максимум сфокусированности принадлежащих ему точек, то точки с минимальной сфокусированностью будут находиться посредине между рассматриваемым и соседним изображениями (рис. 4).
б)
а)
в)
Рис. 3. Схема построения профиля глубины: а – исходные данные (набор фотографий различной
фокусировки объекта; линия, по которой строится профиль глубины); б – морфометрическая
карта профиля глубины; в – профиль глубины
Зная расстояние между изображениями, можно связать высоту и значение сфокусированности для конкретной точки, т.е. приращение высоты можно выразить формулой
H N − H N ±1 ( S N _ Max − S N )
,
∂H =
( S N _ Max − S N _ Min )2
где ∂H – приращение высоты N-ой фотографии для точки на линии профиля; H N – высота N-й фотографии; H N±1 – высота N±1-й фотографии (±1 показывает, в сторону какой фотографии направлено приращение); S N_Max , S N_Min – максимальное и минимальное значения сфокусированности из всего множества, принадлежащего N-ой фотографии; S N – значение сфокусированности конкретной точки линии профиля.
Высота точки будет складываться из высоты изображения и приращения высоты
изображения для этой точки. Для определения направления приращения высоты необходимо рассмотреть участок линии профиля глубины, все точки которого принадлежат какой – либо N-й фотографии. Если точка, предшествующая такому участку, принадлежит
изображению, высота которого больше относительно рассматриваемого, то точки от начала участка до его середины будут иметь приращение высоты в сторону увеличения, а если
высота меньше, то точки будут иметь приращение высоты в сторону уменьшения. Аналогично рассматриваются точки от середины до конца участка: если следующая после участка точка принадлежит изображению, высота которого больше относительно рассматриваемого, то приращение высоты направлено в сторону увеличения, а если нет, то в сторону уменьшения (рис. 4).
Проделав все перечисленные операции для каждой точки линии профиля высоты,
получим искомый профиль (рис. 3в). Для того чтобы построить объёмную модель рельефа
114
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2008. № 2(18)
поверхности, необходимо объединить профили в пространстве (рис. 5а). Так как профили
высоты имеют большую зашумлённость (высокочастотные колебания) в результате неравномерного распределения текстуры поверхности, то необходимо применить фильтрацию.
N+1
Однородный
участок длины L
HN-HN+1
T2
T1
S
+ ∂H
N
- ∂H
SN_Max
HN-HN-1
N-1
SN_Min
L/2
б)
а)
x
L
Рис. 4. Определение высоты расположения точек профиля глубины: а – пример фрагмента
морфометрической карты профиля глубины; б – зависимость сфокусированности от координаты
точки; x – координата точки однородного участка; S – сфокусированность конкретной точки;
T1,T2 – произвольные точки линии профиля
Чтобы сгладить шумы трёхмерной модели рельефа, возникающие при построении
профиля глубины, применяется функция, использующая гауссово ядро:
2
2 

n m   (x
i , j − x a ,b ) + ( y i , j − y a ,b ) 



K
z
∑∑  
i, j

d
 
a =1 b =1

 

'
,
z i, j =
2
2




n m
 ( x i , j − x a ,b ) + ( y i , j − y a ,b )  
∑∑  K 

d
a =1 b =1

 
2
 −t 

exp
0,2738

 ; x,y,z – координаты точки объёмной модели рельефа; Z′, Z – матгде K (t ) =
0,2738π
рицы новых и старых значений z соответственно; X – матрица значений x; Y – матрица
значений y; x i,j , yi,j , z i,j , z′ i,j – элементы матриц X, Y, Z, Z′ соответственно; m×n – размерность матриц Z′, Z, X, Y; d – параметр, определяющий, насколько большое окно желательно использовать при сглаживании.
Это сглаживание наиболее полезно, когда данные взяты в точках, отделяемых друг
от друга интервалами приблизительно равной длины [4]. Так как точки объёмной модели
расположены на равном расстоянии друг от друга в плоскости XY и отличаются только
высотой (координата z), то данный метод фильтрации наиболее подходит. Применение
функции сглаживания приведёт объёмную модель рельефа поверхности исследуемого
объекта к результирующему виду (рис. 5б).
Предложенный автоматизированный метод позволяет воссоздать рельеф любой
текстурной поверхности по фотографиям, содержащим информацию о сфокусированности и разфокусированности данной поверхности, с приемлемой точностью (≈ 94%) при
размерах реконструируемых объектов не менее 900 нм.
115
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2008. № 2(18)
Разработанный метод даёт возможность вычислять объемные геометрические параметры, анализ которых затруднителен стандартными способами оптической микроскопии. Рассмотренный метод имеет широкую сферу применения при исследованиях в области промышленности, биологии и медицины. В частности, он может применяться для
а)
б)
Рис. 5. Применение функции фильтрации для получения результирующей модели рельефа: а – модель
рельефа до фильтрации; б – модель рельефа после фильтрации
построения рельефа микроповерхности после обработки изделия, определения высоты
расположения элементов на микросхемах, контроля качества изделия, восстановления модели микровоздействий при износе детали, создания моделей микроорганизмов, а также
при разработке и использовании нанотехнологий.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Пытьев, Ю.П. Задачи морфологического анализа изображений/Ю.П.Пытьев//Математические методы
анализа природных ресурсов Земли из космоса. – М.: Наука, 1984. – 286 с.
Аверченков, В.И. Применение методов нечёткой логики для оценки размытости изображений/В.И.Аверченков, Д.В.Чмыхов//Труды участников 5-й междунар. электрон. науч.-техн. конф. «Технологическая системотехника – 2006»/ Изв. ТулГУ. Технологическая системотехника.- Вып. 12. – Тула:
Изд-во ТулГУ, 2006. – 180 с.
Симонов, Ю.П. Морфометрический анализ рельефа/Ю.П.Симонов.– М.;Смоленск: Изд-во СГУ, 1998.272 с.
Хемминг, Р.В. Цифровые фильтры/Р.В.Хемминг. – М.: Недра, 1987. – 221 с.
Херн, Д. Компьютерная графика и стандарт OpenGL/ Дональд Херн, М. Паулин Бейкер. – 3-е изд. – М.:
Вильямс, 2005. – 1168 с.
Color Management System (CMS) в логике цветовых координатных систем /А.Шадрин, А.Френкель. –
http://www.rudtp.ru/articles.php?id=44
Материал поступил в редколлегию 25.01.08.
116
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2008. № 2(18)
УДК 621.74
В.Н. Михайлов, Д.С. Краснятов
ПРИМЕНЕНИЕ КОМПЬЮТЕРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ СТАЛЬНОЙ
ОТЛИВКИ «РАМА БОКОВАЯ» С ЦЕЛЬЮ ВЫЯВЛЕНИЯ ЛИТЕЙНЫХ
ДЕФЕКТОВ
Выполнено моделирование стальной отливки «Рама боковая». Выявлены возможные места возникновения и
виды литейных дефектов, даны рекомендации по их устранению.
Ключевые слова: стальная отливка; рама боковая; литейные дефекты; компьютерное моделирование.
Одним из основных требований, предъявляемых техническими службами ОАО
«РЖД» к стальному литью для ж.-д. транспорта, является надёжность. Компьютерное моделирование стальной отливки «Рама боковая» проводилось с целью выявления возможных мест возникновения литейных дефектов, их предотвращения и повышения надёжности данной отливки.
Для выявления возможных мест дефектов отливки было решено применить моделирование литейных процессов при помощи программы Solid Cast. Анализ проводился согласно существующей заводской технологии.
Первоначально была построена трёхмерная модель отливки, литниково-питающей
системы, а также других элементов литейной формы (стержней и т.п.). Для этой цели
применили CAD-систему Solid Works. Полученную модель импортировали в CAEсистему Solid Cast, при помощи которой и провели моделирование.
Необходимые для моделирования свойства стали 20ГЛ, из которой изготовляется
отливка, и основные технологические параметры взяты из справочной литературы: удельная теплоёмкость стали – 525 Дж/(кг ּ◌К); теплопроводность стали – 78 Вт/(м ּ◌К); температура солидуса-1513,09°С; температура кристаллизации – 38,77°С; теплота плавления –
276603,594 Дж/кг; плотность – 7820 кг/м3; температура расплава – 1570°С; время заполнения формы расплавом – 35с.
Для проведения необходимых расчётов системой Solid Cast была сгенерирована сетка объёмной модели из 6000000 элементарных объёмов, т.е. модель была разбита на малые кубические элементы (размер ячейки составил ≈5х5х5 мм) для дискретного решения
уравнений теплопередачи и объёмной усадки. Система Solid Cast для вычислений использует метод конечных разностей (МКР).
На основании указанных данных было проведено моделирование процесса кристаллизации отливки
с иллюстрацией. Компьютерный анализ действующей технологии получения
отливки «Рама боковая»,
серийно изготовляемой в
ООО «ПК «БСЗ», выявил
следующие недостатки:
1. При действующем
варианте
литниковопитающей системы в шлаРис. 1. Распределение температуры по объёму металла
коуловителях металл двина 23-й секунде заливки
жется хаотично, не задерP
P
117
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2008. № 2(18)
живая частицы, попадающие в форму при заливке (маркерами помечены пути движения
элементарных частиц, попавших в форму) (рис.1).
2. В зеве отливки со
стороны короткой части
литникового хода происходит существенный разогрев
формы и как следствие её
пересыхание и разрушение.
Максимально форма разогревается на 22-й секунде
заливки. В то же время в
данном месте происходит
существенное увеличение
скорости движения заливаемого металла (рис.1, 2).
3. Металл, продвигаРис. 2. Распределение скорости движения металла
ясь по полости формы, осна 23-й секунде заливки
тывает, теряя свою жидкотекучесть. Поэтому велика
вероятность
невыходов
кронштейнов и спаев на
зеркале.
Для определения месторасположения возможных дефектов усадочного
характера воспользовались
расчётным
параметром
«плотность
металла».
Плотность металла изменяРис. 3. Характер распределения возможных мест
ется в интервале от 0 до 1 и
дефектов усадочного происхождения
является количественной
мерой заполнения металлом локального объёма после затвердевания. Значение 1 соответствует плотному металлу, значение 0 свидетельствует об отсутствии металла в локальном
объёме. Объёмы отливки с нулевой плотностью являются усадочными раковинами, а её
объёмы с плотностью менее 1 поражены усадочной пористостью. На рис.3 представлена
картина распределения усадочных дефектов в отливке. Видно, что в зеве отливки имеется
область с низкой плотностью (предположительно усадочная раковина), а в районе зеркала
возможна рыхлота. Это свидетельствует о невысокой эффективности работы внутреннего
холодильника в зеве и закрытой прибыли на зеркале. Для устранения этих недостатков
предлагается следующее:
1) в районе зева установить прибыль с экзотермической вставкой ( ввести 2 дополнительные прибыли );
2) для устранения рыхлоты необходимо установить 2 более мелкие прибыли, разнесённые ближе к краям.
Для устранения дефектов, вызванных конструкцией литниково-питающей системы,
рекомендуется изменить конструкцию шлакоуловителей, а также изменить подвод металла, подведя питание к зеркалу.
На основе проведенного моделирования условий кристаллизации стальной отливки
«Рама боковая» предложены рекомендации по повышению её эксплуатационных характеристик путём улучшения конструкции её питающей системы, а также повышения качества
стали, из которой она отливается.
Материал поступил в редколлегию 14.04.08.
118
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2008. № 2(18)
ЭКОНОМИКА, ОРГАНИЗАЦИЯ И УПРАВЛЕНИЕ ПРОИЗВОДСТВОМ
УДК 338.2
Н.В. Грачева
СИСТЕМНЫЙ ПОДХОД К ПОСТРОЕНИЮ МОДЕЛИ МАКРОРЕГУЛИРОВАНИЯ
ИННОВАЦИОННО–ИНВЕСТИЦИОННОГО И ОБЩЕСОЦИАЛЬНОГО РАЗВИТИЯ
Рассмотрена проблема эффективного осуществления инновационно–инвестиционного развития хозяйствующих субъектов современной российской экономики. Предложен методологический подход к формированию из производимой хозяйствующими субъектами добавленной стоимости инвестиционного ресурса для
их инновационного развития и ресурса, идущего государству для реализации общесоциальной функции.
Ключевые слова: системный подход; инновационное инвестирование; макрорегулирование; концептуальнометодологическая модель.
Российская экономика нуждается в притоке значительных средств для модернизации действующих и создания новых производств, требующих новой техники и технологий. Ученые считают, что в будущем процветать будут те государства, которые сумеют
превзойти других в освоении технологий и продукции, отвечающих современным требованиям. Главной целью, что делает многие западные страны мировыми лидерами, является опережающее развитие науки, техники, образования [4]. В основе всего этого лежит
успешное решение проблемы инновационного инвестирования. Инвестирование во многом определяет рост экономики вообще и в долгосрочном периоде.
В российской экономике ситуация такова, что задача поддержания необходимых
темпов роста через инновационное развитие пока не подкрепляется структурой инвестиций. Так, по данным Госкомстата Российской Федерации, источниками долгосрочных
вложений в российскую экономику являются иностранные инвестиции, но структура их
такова, что они не обеспечивают новые технологии. Доля этих инвестиций мала и к тому
же имеет тенденцию к сокращению. Между тем в США, Японии, Германии основные инвестиции направляются в наукоемкие отрасли, высокотехнологичное производство. В мировом объеме торговли гражданской наукоемкой продукцией доля США составляет 36%,
Японии – 30%, Германии – 17%, Китая – 6%, а России – всего 0,3 – 0,5% [1]. Это говорит
о существенном технологическом отставании России от стран, считающихся передовыми.
Чтобы поправить положение, по мнению ученых, требуется активизировать имеющийся научно–производственный потенциал посредством технологического развития. То,
что технологии представляют собой значительную производительную силу, нашло достаточное обоснование в экономической теории и доказано практикой. По существу, с технологической специализации, выражающейся в поотраслевом разделении труда, и началось
развитие производительных сил.
Однако, как показывают исследования, возможности технологического развития
разными странами использовались не одинаково. Отсюда произошел технологический
прорыв одних стран и отставание других. Для этих других преодоление технологического
отставания стало большой проблемой.
Среди главных предметов исследования современной экономической теории по
данной проблеме рассматривается превращение научно-производственного потенциала в
экономический и иного рода потенциалы. Одним из ключевых направлений такого превращения называются инновационно–инвестиционные изменения. Они через создание
высокотехнологичных производств и получение продукта определенной потребительной
полезности и меновой стоимости решают экономическую задачу. Этим последовательно
119
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2008. № 2(18)
решается проблема экономического прогресса и как следствие проблема прогресса общественного, а в нем социально–материального, общекультурного, социально-морального и
других видов прогресса (рис. 1).
Наибольший эффект достигается, если масштабу инновационного развития соответствуют вложенные в него инвестиции. Однако, как показано выше, рассчитывать на
внешние инвестиции особо не приходится. Поэтому выходом из создавшейся ситуации
может быть лучшее использование собственного инвестиционного ресурса, основу которого составляет производимая хозяйствующими субъектами добавленная стоимость.
Часть этой стоимости в виде налога идет государству для осуществления им общесоциальной функции, другая часть в виде чистой прибыли остается у хозяйствующих субъектов и в большей доле вкладывается ими в инвестиционные процессы.
Инновационно – инвестиционные изменения
Высокотехнологические производства
Экономические преобразования
Общественный прогресс
Экономический
Социальноматериальный
Социальноморальный
Общекультурный
Научно-технологический
Рис. 1. Концептуальная схема влияния инновационно–инвестиционных изменений
на виды общественного прогресса
Концептуальная схема распределения добавленной стоимости между государством
и хозяйствующими субъектами приведена на рис. 2.
Однако формирование частей ресурса из добавленной стоимости хозяйствующих
субъектов таит в себе некоторую противоречивость. С одной стороны, заботясь об общем
социальном прогрессе, государство, естественно, заинтересовано в получении максимально возможной части добавленной стоимости. С другой стороны, увеличение части
государства в добавленной стоимости может снизить возможности инновационно–
инвестиционного развития хозяйствующих субъектов. Это может происходить прямым
путем, например посредством увеличения государством изымаемой в виде налога своей
части добавленной стоимости, а следовательно, уменьшения в ней доли хозяйствующих
субъектов и как следствие уменьшения величины их чистой прибыли, являющейся основной составляющей ресурса инновационно–инвестиционного развития. Формально это выглядит следующим образом:
Дг
Дг max, следовательно, Дс
Дс min при Дс =const.
Таким образом, когда часть государства в добавленной стоимости Дг будет стремиться к максимальной величине Дг max, часть прибыли хозяйствующего субъекта Дс
будет уменьшаться до Дс min. И нет гарантии того, что такое не может происходить.
120
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2008. № 2(18)
Государство получает свою часть добавленной стоимости в зависимости от устанавливаемого им же налогового бремени и, исходя из своих интересов, причину, чтобы
его изменить, может всегда обосновать.
Согласно теории А. Лаффера [6], существует функциональная зависимость между
доходами и величиной налогового бремени, описываемая параболой с точкой ее максимума, после которой всякий рост доходов прекращается и дальше идет только их снижение (отсюда, по существу, прекращается инновационно–инвестиционное развитие хозяйствующего субъекта за счет собственных средств). Поэтому стремление государства получить как можно больше средств для развития общесоциальной функции и принятое с
этих позиций решение об увеличении налогового бремени, возможно, оцененное им как
эффективное, может быть совершенно неэффективным для хозяйствующих субъектов.
Подобное, например, наблюдается в малом бизнесе.
Государственный ресурс в виде налогового
изъятия из добавленной стоимости хозяйствующих субъектов
Доля средств на общесоциальное развитие
Доля средств на промышленное
развитие
Государственный налог как часть добавленной стоимости
Добавленная стоимость хозяйствующих субъектов
Прибыль хозяйствующих субъектов как часть их добавленной стоимости
Доля средств на социальное развитие хозяйствующего субъекта
Доля средств на инновационное
развитие хозяйствующего субъекта
Ресурс хозяйствующего субъекта как часть добавленной стоимости в виде чистой
прибыли
Рис. 2. Концептуальный подход к формированию ресурса государства и хозяйствующих субъектов
из добавленной стоимости
121
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2008. № 2(18)
Макроэкономическая теория указывает на то, что решение данной проблемы лежит
в плоскости нахождения оптимального сочетания потребностей государства и хозяйствующих субъектов [2]. Этого можно добиться путем моделирования равновыгодных для
них взаимоотношений: строить их не способом примитивного, не обоснованного экономически административно–волевого воздействия при установлении величины налогового
бремени, а на основе реально достигнутого уровня социально–экономического развития
общества.
Одним из показателей достижения такого равноудовлетворяющего стороны баланса выгод может стать результат реализации общесоциальной функции, не ведущей к снижению или сдерживанию инновационно – инвестиционного развития хозяйствующих
субъектов. Концептуально баланс удовлетворенных потребностей государства и хозяйствующих субъектов можно выразить в виде следующей экономико–математической модели:
РСФг соответствует ИИРсх при ИИРосх ≥ ИИРбсх,
где РСФг – результат реализации государством социальной функции; ИИРсх – инновационно–инвестиционный результат, полученный хозяйствующим субъектом; ИИРосх,
ИИРбсх – соответственно ожидаемый и достигнутый в базовом периоде инновационно–
инвестиционный результат хозяйствующего субъекта.
При условии инновационно–инвестиционного развития модель приобретает следующий вид:
РСФг соответствует ИИРсх при ИИРосх = ИИРбсх + ∆ИИРр,
где ∆ИИРр – величина превышения фактически достигнутого инновационно–
инвестиционного результата над планируемым.
Действие данной модели способствует распределению добавленной стоимости: 1) с
учетом инновационно–инвестиционного и общесоциального развития; 2) выделением
приоритетных их направлений; 3) достижением сбалансированности идущего на то и другое ресурса по величине и срокам реализации. Выделение приоритетных направлений означает то, что при определенных экономических условиях создается возможность больший ресурс направлять в общесоциальное развитие без ущерба для инновационно–
инвестиционного развития или при потребности активизировать последнее, увеличить ресурсное обеспечение по этому направлению.
Безусловно, решение такой сложной проблемы требует изучения возможностей использования системного подхода к ней и, следовательно, того, в какой организационной
форме - цельной системы и ее подсистем или отдельных самостоятельных систем, действующих во взаимосвязи, - это можно осуществить.
Анализ результатов исследований в области общей теории систем и системного анализа показал: одним из наиболее удачных общих определений системы является рассмотрение ее в качестве объекта, где элементы находятся в такой степени слитности и в то же
время подвижности, что изменение одного из них приводит к изменению всех других элементов. Таким образом, систему можно рассматривать с точки зрения упорядоченных в
ней процессов.
По определению С.А. Хейнмана, автора книги «Научно-технологическая революция
сегодня и завтра», система есть нечто большее, чем простая сумма соответствующих ей
элементов. Каждая данная система является составной частью – подсистемой другой, более обширной системы, и эти подсистемы являются взаимосвязанными, взаимозависимыми и взаимодействующими [3]. Однако Хейнман отмечает, и это, бесспорно, надо признать правильным, что «все подсистемы, входящие в целое, в систему, сами по себе еще
не образуют этого целого». Понятие целого связывается с категориями «структура» и «организация». Они превращают изолированные части системы в функционирующий, действующий механизм. Надо признать удачными определения, данные Хейнманом структуре
122
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2008. № 2(18)
и организации. По Хейнману, структура характеризует внутреннее устройство системы,
ее состав - подсистемы различных уровней и части, ее образующие, - взаимозависимость и
субординацию составляющих ее частей, их функциональные и линейные связи. Организация рассматривается как процесс, обеспечивающий посредством поступления импульсов
функционирование системы с присущей ей структурой [3]. Организация обеспечивает
связи системы на входе и выходе с внешним миром, поддерживает систему в состоянии
функционирования в соответствии со стоящими перед ней задачами. Дополнить это можно, исходя из теории статики и динамики. Так, если учитывать стремление систем к совершенствованию и развитию, организация представляется категорией больше статической, чем динамической. По Шумпетеру [5] (один из исследователей этого направления
науки), статика связана с сохранением традиции, под которой, как мы понимаем, подразумевается создание модели поведения системы, например посредством планирования.
Под динамической понимается деятельность, обеспечивающая по заданной модели поведение системы, течение процессов, поддерживающих устойчивое состояние, совершенствование и развитие системы, способной адаптироваться к меняющимся условиям.
Таким образом, в понятие категории «организация» Шумпетер вкладывает смысл, несколько расширяющий представление о ней как о процессе, обеспечивающем функционирование системы в рамках негибкой структуры. Организация и структура системы понимаются им в качестве высокодинамичных категорий, быстро реагирующих на изменения и
направленных на прогресс.
Следовательно, только такую, структурированно организованную деятельность можно
признать системной, а институциональное ее построение, обеспеченное необходимым
числом объединенных общей целевой установкой институтов и связями между ними, –
системой.
Как показано выше, по макроэкономическим меркам инновационно– инвестиционные
процессы непосредственно взаимосвязаны с общим прогрессом общества, представляемым различными его видами. В эти взаимосвязи включены десятки государственных институтов, сотни хозяйствующих субъектов, тысячи происходящих в них процессов с множеством разнообразных выходных результатов.
Все это составляет систему сложнейших отношений, главными участниками которых
являются государство и хозяйствующие субъекты, выступающие (если перевести на язык
«системников»): первое - как система, вторые - как ее подсистемы. Статус хозяйствующих
субъектов как подсистем не означает, что они во взаимосвязях с государством имеют жесткую от него зависимость. В инновационно–инвестиционных процессах речь идет не о
зависимости кого-то от кого-то, а о взаимоотношениях партнеров, проявляемых, как показано выше, по поводу распределения добавленной стоимости в соответствии с согласованными ими их потребностями.
Хозяйствующие субъекты, выступающие подсистемами государственной системы, в
условиях рынка проявляют себя как самоуправляемые целенаправленные подсистемы,
каждая из которых, исходя из внутренних потребностей, стремится достичь своей цели.
Так, на определенном временном этапе важнейшей целью одной подсистемы может быть
обеспечение жизнеспособности и технического развития. Другая подсистема в то же время считает для себя приоритетной целью развитие коллектива, способствующее дальнейшему решению задачи экономического роста. Параллельно с этими процессами, осуществляемыми хозяйствующими субъектами, государство решает целевую задачу общественного прогресса в целом.
Казалось бы, как и в случае с распределением добавленной стоимости, решаются разновекторные задачи, допускающие противоречия в отношениях между государством и
хозяйствующими субъектами. Однако, не отрицая возможности возникновения противо-
123
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2008. № 2(18)
речий частного характера, нельзя допускать, чтобы они принимали вид антагонизмов, не
поддающихся разрешению.
В реальной экономике невозможно, чтобы государственная система и ее подсистемы
ставили конкретные цели одного порядка по значимости и масштабу. Этого нельзя сделать хотя бы потому, что любая цель ставится и реализуется не произвольно, а исходя из
возможностей системы и подсистем, определяемых уровнем технологического, экономического, общественного развития, и трудно представить, чтобы даже две подсистемы имели одинаковый уровень развития. Подсистемы могут быть: развивающимися, обеспечивающими свое простое функционирование; с более низким уровнем развития, находящимися в стадии финансового выздоровления или на грани банкротства; уровня подсистем–
банкротов. Не одинаковы подсистемы по уровню технико–технологического и экономического развития. Поэтому нельзя подвести их текущую деятельность под одну общую
цель.
Однако, решая текущие задачи, в стратегическом аспекте подсистемы стремятся к развитию и этим в той или иной мере обеспечивают достижение общей цели системы, так как
через развитие отдельных подсистем совершенствуется и развивается вся система. Даже
банкротство, позволяющее освободить рынок от систем, мешающих развитию других, более благополучных систем, играет позитивную роль.
Таким образом, во всем, что связано с инновационно–инвестиционным развитием, начиная от распределения дохода и до определения того, какими институтами, какими инструментальными средствами его осуществлять и обеспечивать максимальную эффективность влияния его результатов на ускорение общественного прогресса, прослеживается
системность.
Масштабы и характер этих процессов поднимают их проблематику до уровня государственного значения. Поэтому эта проблема должна решаться не локальными мерами,
пусть даже крупных хозяйств, а при самом активном участии государства.
Ни одна из макроэкономических теорий, отражающих методолого– концептуальное
содержание неоклассической, кейнсианской, монетаристской школ, не отрицает важности
участия государства в сложных социально–экономических процессах (независимо от того,
в каких формах развития находится сама экономика). Не отрицается это и для рыночной
экономики. Это участие возможно без нарушения закономерностей и принципов функционирования рынка, посредством выполнения государством функции макрорегулирования. Потребность в макрорегулировании сложных явлений, к которым полностью можно
отнести инновационно–инвестиционные процессы, признают многие ученые, в частности
Г.Клейнер, Д.Петросян, А.Бегенов. Согласно экономической теории, в основном эта
функция государства сводится к выполнению следующих задач [2]:
- минимизации негативных проявлений и их последствий для экономических систем;
- созданию правовых, финансовых, социальных и др. предпосылок эффективного
функционирования экономических систем.
В методологическом аспекте в связи с этим представляется важной разработка модели
макрорегулирования инновационно – инвестиционной деятельности, которая бы вбирала в
себя теории развития, государственного регулирования рыночной экономики, статики,
динамики, системного и комплексного анализа.
Концептуально–методологическая модель механизма макрорегулирования инновационно–инвестиционных и взаимосвязанных с ними процессов представлена на рис. 3.
По данной модели государство может строить регулирование так, что в поле его внимания будет входить любая принятая по целям и потребностям комбинация подсистем и
их действий, которая способна обеспечить синергический позитивный результат инновационно–инвестиционного и общесоциального развития. Отсюда появляется потребность в
оценке этого результата и возможность получения ее в виде интегрированного показателя.
124
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2008. № 2(18)
В теории экономического роста находят отражение разные показатели уровня развития, например показатели валового продукта, национального дохода, величины экономического ресурса, динамика роста показателей. Однако по таким показателям о социальном
состоянии можно судить лишь косвенно, а это зачастую дает искаженное представление
об уровне фактически достигнутого результата. Поэтому перечисленные и аналогичные
им показатели не полностью подходят под критерий искомого для данного случая синергического показателя. Так, высокие объемы валового продукта и национального дохода
могут сочетаться с бедностью населения, большой национальный доход или материальный потенциал государства оказываются не соизмеримыми с увеличением реального дохода членов общества и не способствующими их материальному обогащению, росту образовательного, общекультурного уровня.
Государство
Хозяйствующие
субъекты
Инновационноинвестиционные процессы
(исходный
объект макрорегулирования)
ГМР
О1 О1′…О1m
О2 О2′…О2m
О3 О3′…О3m
……………..
Оn Оn′…Оnm
Основы макрорегулирования
Теория
развития
Теория государственного регулирования рыночной экономики
Теория
системного
комплексного
анализа
Теория
статики и
динамики
Рис. 3. Концептуально – методологическая модель макрорегулирования инновационно –
инвестиционных и сопутствующих им процессов: ГМР – механизм государственного макрорегулирования;
О 1 , О2, О3, …, Оn m – сопутствующие инновационно–инвестиционным процессам объекты макрорегулирования (составляющие общественного прогресса); О1′, О2′, О3′, …, Оnm – подобъекты сопутствующих объектов макрорегулирования
Инновационно–инвестиционные процессы обеспечивают, как показано выше, создание реальных материальных и общечеловеческих ценностей, которые в таком сочетании
интерпретируются экономической теорией как ценности, определяющие качество жизни.
И современная теория считает все больше и больше конкурирующим с другими показателями развития именно показатель уровня качества жизни. В нем находит отражение вся
сфера обитания человека, состоящая из экономической, научно–технической, инновационной, культурной, образовательной, здравоохранной, экологической и других сфер. Качеством жизни комплексно определяется достигнутый во всем этом результат. Оценкой
уровня качества жизни, по существу, должно завершаться подведение итогов произошедших изменений и тех действий, которые эти изменения превращают в позитивный результат, в том числе и действий по макрорегулированию.
Введение в научный анализ категории качества жизни как синергического показателя
социально–экономического развития под воздействием инновационно–инвестиционных
125
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2008. № 2(18)
процессов позволяет более точно определять их направления, а следовательно, задачи и
функции макрорегулирования.
В целом все изложенное ориентирует в методологическом и практическом аспектах на
рациональное и эффективное построение социально–экономических отношений, позволяющих создавать материальные и общечеловеческие ценности.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Крутиков, В.К. Предпринимательство и трансформация общества: анализ отечественного и зарубежного
опыта / В.К. Крутиков, С.В. Смолянский. - М.: Ноосфера, 2005.
2. Современная экономика / под ред. О.Ю.Мамедова. - Ростов н/Д.: Феникс, 1998.
3. Хейнман, С.А. Научно – техническая революция сегодня и завтра / С.А. Хейнман. - М.: Политиздат, 1977.
4. Чкаусели, В. Россия в окружении / В. Чкаусели // Деловая жизнь России. - М., 1999.
5. Шумпетер, Й. Теория экономического развития / Й. Шумпетер. - М.: Прогресс, 1982.
6. Экономическая теория / под ред. В.Д. Камаева. - М.: ВЛАДОС, 2006.
Материал поступил в редколлегию 29.0108.
126
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2008. № 2(18)
УДК 338.45
К.В. Швыгова, Е.Н.Скляр
ТЕОРЕТИЧЕCКИЕ АСПЕКТЫ УПРАВЛЕНИЯ СОЦИАЛЬНОЙ
РЕСТРУКТУРИЗАЦИЕЙ ПРОМЫШЛЕННОГО ПРЕДПРИЯТИЯ
Рассмотрены вопросы формирования и реализации программы социальной реструктуризации промышленного предприятия: раскрыто содержание основных этапов социальной реструктуризации, предложена методика анализа социальной среды предприятия с использованием матрицы SWOT-анализа.
Ключевые слова: промышленное предприятие; социальная реструктуризация; матрица SWOT-анализа.
В настоящее время деятельность большинства российских промышленных предприятий характеризуется положительной динамикой. При этом с каждым годом усиливается нехватка трудовых ресурсов, потребность в инновациях, использовании наукоёмких
и информационных технологий и интеллектуальных ресурсов. Это обусловливает необходимость сознательного выбора стратегии дальнейшего экономического и социального
развития. Изучение зарубежного опыта также доказывает необходимость социальной ориентированности в регулировании хозяйственных процессов.
Одним из инструментов, позволяющих эффективно реализовать социальную стратегию предприятия, является социально ориентированная реструктуризация.
Социально ответственная реструктуризация – это намеренное изменение формальных взаимоотношений между составляющими элементами предприятия, подразумевающее использование одного или нескольких способов учета интересов всех заинтересованных сторон, включая персонал предприятия [1]. Она включает реорганизацию трудовых
процессов, уменьшение уровней управления, упразднение структурных подразделений
посредством аутсорсинга, придание самостоятельности структурным подразделениям, отказ от некоторых видов деятельности, сокращение рабочих мест и др.
Социальная реструктуризация предполагает изменение в партнерстве с объединениями работодателей, представителей власти через информационные компании, освещающие предстоящие структурные изменения в компании; посредством организации мероприятий по профессиональной переподготовке, оказания содействия в трудоустройстве,
осуществления компенсационных выплат сотрудникам, попавшим под сокращение и т.д.
[1,4].
Объектом социальной реструктуризации являются промышленные предприятия,
субъектом (участниками реструктуризации) – руководители и коллектив исследуемых
промышленных предприятий, предметом исследования (сферой потенциальных изменений) - производственные и социальные процессы.
Рассмотрим основные этапы социальной реструктуризации. К их числу можно отнести:
- анализ исходного экономического и социального бизнеса (анализ выполнения
социальных функций бизнеса во внешней и внутренней среде);
- анализ социальной среды предприятия с использованием SWOT-анализа [3];
- выявление социальных проблем реструктуризации производственных процессов;
- формирование основных направлений реструктуризации для решения социальных
проблем;
- разработку проекта реструктуризации по выявленным направлениям;
- оценку результатов реструктуризации и корректировку узких мест.
В ходе реструктуризации компания решает ряд стратегических проблем, таких как:
- формирование социальной среды бизнеса (инфраструктуры);
- социальная ориентация производителей;
127
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2008. № 2(18)
- определение структуры и объемов социальной поддержки на основе изучения социальных потребностей общества, персонала и др.;
- социальное позиционирование бизнеса и др.
Социальная среда бизнеса формируется под влиянием множества разнородных
факторов (рисунок), которые могут быть исследованы при помощи матрицы SWOTанализа.
Факторы развития социальной среды организации - условия, определяющие содержание изменений в социальной среде предприятия и адекватные этим изменениям последствия
Непосредственные
факторы социальной среды
Основные факторы
-территориальное расположение предприятия;
- численность персонала и характер
ведущих профессий;
- профиль производства и объемы выпускаемой продукции (товаров и услуг);
- форма собственности;
- финансовое положение;
- состояние основных фондов;
- социальная инфраструктура
да;
- условия работы, охрана и безопасность тру-
- материальное вознаграждение трудового
вклада;
- социальная защищенность работников;
- социально-психологический климат коллектива;
- социальная инфраструктура;
- внерабочее время и использование досуга и
др.
Общие факторы
- положение дел в стране (находится ли она в данный момент на подъеме, в расцвете сил
либо, напротив, переживает спад, кризис, испытывая резкое усиление социальной напряженности);
-социально-экономическое и духовно-нравственное состояние общества, с чем теснейшим образом связаны реализация личных прав и свобод человека, утверждение индивидуальности и развитие коллективных начал, особенности трудовой морали, этика личного и
общественного поведения, критерии гражданской добродетели;
- социальная политика государства
Обобщение результатов анализа факторов развития социальной среды
в матрице SWOT-анализа
Выбор направлений социальной реструктуризации промышленного
предприятия
Рис. Исследование факторов социальной среды промышленного предприятия с целью выбора направлений
социальной реструктуризации
Так, SWOT-анализ социальной среды одного из крупных брянских промышленных
предприятий показал, что к сильным сторонам ЗАО «Термотрон-завод» в области социальной политики следует отнести:
- наличие имиджа социально ориентированного предприятия в глазах персонала,
акционеров, общественности и др.;
128
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2008. № 2(18)
- создание новых рабочих мест;
- невысокий уровень травматизма;
- значительные инвестиции в развитие персонала.
Выявлен также ряд слабых сторон:
- недостаточная активность профсоюзной организации;
- недостаточный размер социальных инвестиций;
- невысокий уровень средней заработной платы отдельных категорий персонала;
- неэффективный социальный PR;;
- слабое информационное обеспечение персонала относительно реализуемых на
предприятии социальных программ.
Как показал SWOT-анализ социальной политики, к основным задачам социальной
реструктуризации ЗАО «Термотрон-завод» относятся:
− разработка научно-технических средств и социально-экономических форм, позволяющих на практике создавать условия для самореализации работника;
− создание и поддержание условий профессиональной деятельности работников,
обеспечивающих их всестороннее и гармоничное развитие, максимальное развитие творческого и производственного потенциала каждого индивида;
− обеспечение максимальной привлекательности работы и удовлетворенности ею;
− обеспечение гарантии занятости всего трудоспособного населения и др.
Бесспорно, процесс социально ответственной реструктуризации бизнеса достаточно затратен на начальных стадиях осуществления, он принесет дивиденды только лишь в
долгосрочном периоде, в связи с чем топ-менеджменту промышленных предприятий его
следует рассматривать как социальные инвестиции. При этом под социальными инвестициями будем понимать материальные, управленческие или иные ресурсы, а также финансовые средства предприятий, направляемые по решению руководства на реализацию социальных программ, разработанных с учетом интересов основных внешних и внутренних
стейкхолдеров в предположении, что в стратегическом отношении предприятием будет
получен определенный социальный и экономический эффект [2].
В качестве примера реализации социально ответственной реструктуризации можно привести опыт зарубежной компании Procter&Gamble, которая является стратегическим инвестором ОАО «АК «Новомосковскбытхим» (г. Тула) с 1993 г.
Когда в 1997 г. руководство компании приняло решение о значительном сокращении работников ОАО «АК «Новомосковскбытхим» в связи с его реконструкцией, существующий в городе центр занятости не мог обеспечить в необходимом объеме переквалификацию и трудоустройство сотрудников предприятия. Осложняло ситуацию то, что работники предприятия традиционно относились к элитной части городского работающего населения, зачастую имели завышенную самооценку и завышенные требования к компании,
которую считали ответственной за свое благополучие. К тому же отношение к иностранной фирме, скупившей родное предприятие, да еще и решившей сократить треть его работников, не было позитивным. В этих условиях компания приняла решение о создании
фонда труда для оказания помощи высвобожденным по австрийской модели. Согласно
данной модели, увольняемые сотрудники сами решали, искать ли работу самостоятельно,
обратиться в государственный центр занятости или присоединиться к корпоративной программе. В отличие от исходной австрийской модели, участие в программе было платным
(все увольняющиеся с предприятия получали единовременную выплату в размере от двух
до четырех с половиной годовых окладов). Это позволило повысить мотивированность
участников программы, которыми стали преимущественно люди, проработавшие на
предприятии по 10-20 лет, не имеющие иной квалификации, кроме той, что они использовали на «Бытхиме». При этом были установлены временные ограничения проекта (24
месяца), что давало дополнительный стимул к эффективной работе.
129
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2008. № 2(18)
После прохождения ориентации и работы в группе психологической поддержки
каждый участник при помощи консультантов разрабатывал индивидуальный план профессиональной подготовки, который, подписанный участником программы и управляющим фонда, становился соглашением со взаимными обязательствами.
Каждый участник имел возможность присоединиться к одной из следующих программ:
1. Активный поиск работы. Программа адресована людям с достаточной квалификацией, способным сразу найти работу. Участники этой группы обучались тому, как оценивать объявления о найме на работу, как вести себя при подаче заявления и при проведении собеседования, как составлять резюме, разрабатывать стратегию поиска работы и
анализировать реальную практику трудоустройства.
2. Профориентация. Эта программа давала возможность определить уровень профессиональной квалификации и повысить его. Участники программы проходили специальный тест, а затем посещали учебные курсы.
3. Открытие собственного дела. Этот курс был ориентирован на тех, кто готов открыть собственное дело. Консультанты оказывали помощь участникам в оформлении бизнес-идеи, оказывали содействие в процессе создания новой компании.
4. SPIN OFF. Это направление поддерживало создание новых фирм, которые должны были взять на себя выполнение отдельных функций «Новомосковскбытхима» и выделяемых из его структуры предприятий (служба уборки помещений, столовая, прачечные,
автокомбинат).
За два года работы фонда, с 1997 по 1999 г., компания Procter & Gamble вложила в
проект около миллиона долларов. Причем расходы касались как финансирования самой
программы, так и адаптации методики к российским реалиям.
По австрийским стандартам программа считается успешной, когда в ней участвуют
не менее 50% увольняемых работников. 75% из них должны найти работу, 3% – открыть
свой бизнес. В Новомосковске эти показатели были превзойдены:
- за 1997-1999 гг. через корпоративную программу компании Procter&Gamble прошло 1058 бывших работников предприятия, 83% из которых нашли новую работу;
- 103 человека (около 10% участников) сумели открыть собственное дело;
- было открыто 8 новых компаний по технологии SPIN OFF (таксомоторная компания, гаражи, торговые и клиринговые компании).
Заметим, что существуют и другие способы участия предприятия в судьбе работников, попадающих под сокращение штата по различным причинам. Одним из таких методов является аутплейсмент.
Аутплейсмент (Outplacement) – это услуга кадрового агентства по организации
процесса увольнения сотрудников наиболее щадящим способом. Программа применяется
в тех случаях, когда увольнение не является следствием невыполнения работником своих
обязанностей, а связано с процессом реорганизации, сокращения штата или ликвидации
предприятия. Основные схемы и технологии аутплейсмента на начальном этапе его использования (1998 г.) были переняты у западных коллег.
Сегодня же, когда экономика страны на подъеме, специалисты требуются практически во всех областях. В этой ситуации аутплейсмент применяется, как правило, в связи
с оптимизацией инфраструктуры компании или сокращением функций представительства
в нашей стране.
Программу аутплейсмента можно условно разделить на две части: аналитическую
и практическую. Первая часть подразумевает анализ рынка труда, определение стоимости
кандидата на рынке, разработку плана дальнейших действий по поиску работы, обучение
технологиям поиска. Вторая часть – это непосредственное представление кандидата предприятиям-работодателям.
130
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2008. № 2(18)
Основная задача аутплейсмента – помочь человеку сориентироваться на рынке
труда, оценить себя и научиться правильно себя позиционировать. При этом аутплейсмент
в своей деятельности используют в основном западные компании, отечественные предприятия такого рода программы практически не реализуют.
В заключение хотелось бы заметить, что в настоящее время реструктуризация
большинства отечественных промышленных предприятиий затрагивает либо структуру
управления, либо структуру бизнес-процессов, оставляя без изменений социальные аспекты. Между тем, на наш взгляд, решение ряда социальных вопросов реструктуризации позволило бы существенно повысить ее эффективность и укрепить социальный имидж
предприятия, что особенно важно в условиях острого дефицита рабочих кадров.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Башарина, Е.Н. Социально ответственная реструктуризация бизнеса в рамках государственно-частного
партнерства / Е.Н. Башарина // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 21. - 2007. - № 2.
2. Доклад о социальных инвестициях в России за 2004 год / под общ. ред. С.Е. Литовченко. - М.: Ассоциация
менеджеров, 2004.
3. Короткова, Т.Л. Социально-этические проблемы реструктуризации бизнеса на макроуровне / Т.Л. Короткова // Проблемы современной экономики. – 2007. - № 2.
4. Якимец, В.Н. Социальные инвестиции российского бизнеса: механизмы, примеры, проблемы, перспективы / В.Н. Якимец. - М.: Комкнига, 2005. - Т. 18.
Материал поступил в редколлегию 11.03.08.
131
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2008. № 2(18)
ОБРАЗОВАНИЕ
УДК 519
В.И.Аверченков, Ю.А.Малахов
ФОРМИРОВАНИЕ У СТУДЕНТОВ ИНЖЕНЕРНЫХ СПЕЦИАЛЬНОСТЕЙ
КОМПЕТЕНЦИЙ В ОБЛАСТИ ОХРАНЫ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ
СОБСТВЕННОСТИ
Рассмотрены вопросы формирования у студентов, обучающихся в технических вузах, компетенций в области защиты интеллектуальной собственности.
Ключевые слова: охрана интеллектуальной собственности; компетенции; студенты инженерных специальностей.
Экономический рост страны, повышение эффективности производства, выпуск
конкурентоспособной продукции и её продвижение на рынке во многом определяются
дополнительной подготовкой будущих технических специалистов в области экономикоправовых вопросов защиты интеллектуальной собственности. Интеллектуальная собственность – это, прежде всего, интеллектуальный результат неовеществленного труда. Выпускнику технического вуза следует представлять порядок охраны различных объектов
интеллектуальной собственности, выбор формы охраны и объем получаемых исключительных прав.
На формирование у студентов компетенций в области охраны интеллектуальной
собственности влияют многие учебные дисциплины. Так, опыт БГТУ показывает, что студенты при изучении цикла проектировочных дисциплин, в частности курсов «История
техники», «Основы инженерного творчества», «Методы инженерного творчества», формируют свои основные навыки и умения, необходимые для дальнейшего изучения общепрофессиональных и специальных дисциплин ( «Методология научного творчества»,
«Управление персоналом», «Инновационный менеджмент», «Управление проектом» и
др.). По этим дисциплинам выполняется определенный объем лабораторных и практических занятий, курсовых работ с целью формирования у студентов общепрофессиональных
проектировочных умений. Однако наиболее важное значение имеют знания и практические навыки, приобретенные по дисциплине «Защита интеллектуальной собственности».
Поэтому дисциплина «Защита интеллектуальной собственности» является базовой для
формирования компетенций студентов в области охраны интеллектуальной собственности.
Повышение качества подготовки специалистов в технических вузах должно ориентироваться на подготовку творчески мыслящих инженеров, умеющих работать самостоятельно, владеющих методами поиска новых технических решений и способных защитить
свои разработки. Для этого необходимо сформировать у студентов основополагающие
знания об основных понятиях и порядке правовой охраны интеллектуальной собственности, а также способах защиты конкретных видов объектов интеллектуальной собственности при их создании и использовании [1].
Компетенция – это динамичная совокупность знаний, умений, навыков, способностей, ценностей, необходимая для эффективной профессиональной и социальной деятельности и личностного развития выпускников. Выделяют семь сфер академических компетенций, которые характеризуют выпускников вузов.Так, выпускник университета должен:
1) быть компетентен в области охраны интеллектуальной собственности;
2) быть компетентен в проведении исследований, в частности патентных;
132
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2008. № 2(18)
3) быть компетентен в разработке документации по охране различных видов объектов интеллектуальной собственности;
4) владеть научным подходом к выдвижению инновационных идей;
5) обладать основными интеллектуальными навыками;
6) быть компетентен в сотрудничестве и коммуникации;
7) учитывать временной и социальный контекст.
Всё это выпускники вуза обязаны освоить и продемонстрировать после завершения
части или всей образовательной программы[2]. При выявлении и формировании компетенций следует также ориентироваться на трудоустраиваемость будущих выпускников и
иметь качественные запросы работодателей на подготовку кадров, можно широко использовать анкетный опрос. Компетенция всегда отражает способность применять знания,
умения и личностные качества для успешной деятельности в определенной области, например в области экономико-правовых вопросов защиты интеллектуальной собственности.
Образовательный стандарт высшего профессионального образования в рассматриваемой области должен включать элементы, которые позволяют человеку развиваться самостоятельно, совершенствовать свой личностно-деятельный потенциал владения вопросами интеллектуальной собственности. Именно такую базу необходимо обеспечить будущему выпускнику технического вуза. Тогда он сможет превратиться в универсального
востребованного работника, обладающего портфелем компетенций. При этом желательно
иметь разносторонние способности, основанные на собственных талантах и признанные
оригинальной комбинацией практического опыта. Наряду с выполнением порученного
производственного задания от будущего специалиста требуется способность решать
стоящие перед ним проблемы обеспечения юридической охраны созданной интеллектуальной собственности. Поэтому сегодня одним из важнейших направлений деятельности
любого образовательного учреждения должно стать не только овладение учащимися системой знаний, умений и навыков предметной области, но и формирование у них набора
ключевых компетенций в интеллектуальной, гражданско-правовой, коммуникационной и
информационной сферах защиты конкретных видов объектов интеллектуальной собственности. При этом компетентностный подход является одним из главных направлений
модернизации образования. Такой подход предполагает глубокие системные преобразования, затрагивающие не только преподавание дисциплины «Защита интеллектуальной собственности». Важны содержание, оценивание, образовательные технологии во взаимосвязи с другими учебными дисциплинами, а также связи высшего образования с другими
уровнями профессионального образования, использование опыта Европейской системы
квалификаций высшего образования. Разрабатываемые федеральные государственные образовательные стандарты высшего профессионального образования (ФГОС ВПО) направлены на создание и реализацию конкурентоспособных образовательных программ, обеспечение гибкости и инновационной направленности образовательного процесса, стимулирование творческого подхода, в частности при изучении вопросов создания и использования интеллектуальной собственности.
Основной задачей формирования состава компетенций студентов в области охраны
интеллектуальной собственности является выявление набора базовых и наиболее значимых для соответствующих направлений подготовки (специальностей) компетенций: общих (универсальных, ключевых, надпофессиональных) и предметно-специализированных
(профессиональных).
При решении задачи формирования у студентов состава компетенций в области
охраны интеллектуальной собственности основное внимание должно уделяться введению
и совершенствованию новых курсов, в частности дисциплин «Защита интеллектуальной
собственности», «Менеджмент инноваций», «Управление проектом» и др. Перечислим
требования к уровню освоения содержания дисциплины «Защита интеллектуальной собственности». В результате изучения дисциплины студенты должны:
133
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2008. № 2(18)
• Знать:
- основы авторского и патентного законодательства РФ;
- национальную и международную патентную классификацию изобретений;
- нормативную документацию по оформлению материалов заявки на получение охранных документов;
- личные и имущественные права авторов;
- как получить патент на объект промышленной собственности;
- как защитить права авторов и патентообладателей.
• Уметь:
- самостоятельно работать с патентной документацией и справочно-поисковыми
указателями в патентном фонде;
- проводить патентный поиск;
- оформлять заявку на регистрацию программ для ЭВМ и баз данных.
• Иметь представление:
- о процедуре получения охранных документов на объекты промышленной собственности;
- лицензионных соглашениях;
- влиянии интеллектуальной собственности на экономическое и социальное развитие общества.
С учетом изложенного подхода были предложены следующие положенияформулировки, выражающие ориентацию образовательных программ на компетенции и
результаты обучения дисциплине «Защита интеллектуальной собственности». Студенты:
• Должны продемонстрировать знания и понимание:
- основных теоретических положений в сфере интеллектуальной собственности;
- основных законов развития технических систем;
- международной классификации изобретений;
- правовой защиты программ для ЭВМ и баз данных.
• Могут:
- применять знания и понимание теоретических основ права интеллектуальной собственности; практических вопросов проведения патентных исследований (в патентных
фондах);
- широко использовать изобретательские технологии при решении творческих инженерных задач;
- рождать новые идеи (креативность, поддержка творчества);
- применять современные информационные технологии для развития творческих
способностей.
• Владеют:
- умением собирать и интерпретировать;
- методикой проведения патентного поиска по международной классификации изобретений (в том числе и автоматизированного патентного поиска с использованием информационно-поисковых систем);
- методами поиска нового (методическая компетенция).
• Способны:
- передать информацию, идеи, проблемы и решения;
- изложить идеи заявки на изобретение, подготовить заявку на изобретение ( в том
числе и международную);
- к устной презентации.
• Выработали следующие навыки обучения:
- профессиональная мобильность;
- системность творческого технического мышления;
- использование кейс-метода;
- саморазвитие (в том числе на основе дистанционных форм обучения, а также
компьютерных обучающих программ).
134
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2008. № 2(18)
Значительную роль при формировании у студентов инженерных специальностей
компетенций может сыграть применение в учебном процессе технологии кейс-метода, позволяющего на примере разбора реальных бизнес-ситуаций научить студентов оценивать
производственную ситуацию в целом и принимать конкретные решения для выхода из
проблемной ситуации. Например, можно рассмотреть на конкретных примерах судебные
решения по авторскому праву, патентному праву и др. Это способствует развитию гибкости мышления, творческого подхода, умения мыслить системно. Кроме того, разбор кейса
в группе вырабатывает у студентов элементы делового общения, этического поведения,
доброжелательного отношения, положительного, конструктивного мышления. Во многом
здесь играет роль пример самого педагога, его поведение, его умение донести до студентов лучшие нормы поведения и делового общения, способность преподавателя вовремя
исправлять нежелательные ситуации и направлять их в правильное русло. Технология
кейс-метода представляет собой системный подход к обучению разрешению проблемной
ситуации при активном участии преподавателя и студентов[3].
Выделим наиболее важные качества будущего специалиста и покажем корреляцию
между качествами личности и технологией кейс-метода (табл.1).
Таблица 1
Взаимосвязь между качествами личности и технологией кейс-метода
Качества будущего спе- Характеристика личностноВоздействие технологии кейсциалиста(выпускника
деятельного потенциала
метода на формирование кавуза)
честв личности
1. Способность принимать решения
Умение вырабатывать и принимать модель конкретных
действий
Сопоставление и оценка достоинств и недостатков различных ситуаций, выделение логики развития ситуации
2. Способность к обуче- Способность к поиску новых Постоянный поиск новой иннию
знаний, овладение умениями и формации в процессе анализа
навыками самоорганизовыситуации, особенно в процессе
вать свое обучение
её развития
3. Системное мышление Способность к целостному
восприятию объектов в их
структурно-функциональной
выраженности
4. Самостоятельность и
инициативность
Всестороннее осмысление ситуации, её системный анализ
Умение индивидуально выра- Высокая индивидуальная актибатывать и активно реализо- вность в ситуациях неопредевывать решения
ленности
5. Готовность к измене- Желание и способность быст- Выработка поведения в постониям и гибкость мыш- ро ориентироваться в измени- янно меняющихся ситуациях
ления
вшейся ситуации, адаптироанализа
ваться к новым условиям
6. Коммерческая и дело- Установка на продуктивную
вая ориентация
деятельность по достижению
практического результата
7. Умение работать с
Способность искать инфоринформацией
мацию, проводить ее анализ,
переводить её из одной формы
представления в другую
135
Постоянный поиск ответа относительно практического результата в ситуации
Постоянный поиск, выделение,
классификация, группировка,
анализ и представление информации
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2008. № 2(18)
8. Упорство и целеустремленность
Умение отстоять свою точку
зрения, перебороть противодействие со стороны партнеров
9. Коммуникативные
способности
Владение словом и неязыковыми средствами общения,
умение вступать в контакт
Окончание табл. 1
Умение аргументировать и отстаивать свою точку зрения
Постоянное высказывание своей позиции, умение слушать и
понимать собеседника
10. Способность к меж- Способность производить бла- Постоянное стремление произличностным контактам гоприятное впечатление на
вести хорошее впечатление на
партнера по взаимодействию преподавателя и других студентов
11. Проблемность мышления
Способность видеть проблемы Поиск проблемы и определение
её основных характеристик
12. Конструктивность
Способность вырабатывать
модели решения проблем
13. Этичность
Владение этическими нормами Постоянное коллективное взаи навыками нравственного по- имодействие, конкуренция
ведения в условиях коллективного взаимодействия
Поиск путей разрешения проблемы в кейсе
Технология кейс-метода требует подготовленности студентов, наличия у них навыков самостоятельной работы. Случаи неподготовленности студентов, неразвитости их мотивации приводят к поверхностному обсуждению кейса и как следствие к слабому результату.
Можно выделить ещё одно направление в формировании компетенций. Это использование дисциплин по выбору. Качество обучения можно повысить, основываясь на
заинтересованности обучаемого (студента). Наиболее оптимальный вариант формирования заданных компетенций присутствует тогда, когда желания и возможности студента
(его внутренние потребности) совпадают с внешними предложениями, процессом его
обучения. Это обеспечивает наиболее эффективную самореализацию студентов.
В настоящее время в университете количество дисциплин по выбору составляет
более двух десятков. Введение дисциплин по выбору предоставляет студенту право самому определять дисциплину, которую он будет изучать. Это для студента определенная
свобода действий. В то же время недостаточно изучена и освещена технология выбора
студентом предлагаемой дисциплины. Мы не знаем принципы, по которым студенты выбирают для себя ту или иную дисциплину из предлагаемого списка.
Каковы критерии выбора дисциплины (глазами студента)?
Можно предположить следующие факторы:
1. Соответствие требованиям выбранной специальности и модели специалиста.
2. Развлекательный момент, когда дисциплина доставляет удовольствие изучающему её студенту.
3. Мягкость или жесткость поведения преподавателя. Чем жестче требования преподавателя, тем менее вероятно, что будет выбрана его дисциплина.
Многолетняя практика чтения дисциплин по выбору студента показала важность
внимательного отношения к своим слушателям-студентам и более глубокого изучения их
интересов.
136
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2008. № 2(18)
Для того чтобы лучше узнать студентов, их желания и возможности, разработаны
анкеты для студентов-слушателей дисциплин «История техники» и «Основы инженерного
творчества» (табл. 2).
Анкеты для студентов
Таблица 2
АНКЕТА
слушателя курса по выбору
«История техники»
АНКЕТА
слушателя курса по выбору
«Основы инженерного творчества»
1. Фамилия, имя, отчество
__________________________
1. Фамилия, имя, отчество
_________________________________
2. Группа ___________________
2. Группа ___________________
3. Основные интересы, увлечения, способности:
3. Ваше любимое занятие в студенческие годы
(основные интересы, увлечения, способности):
4. Основные желания. Чем хотели бы с
интересом заняться? Что изучить?
4. Каким Вы хотите видеть себя в будущем? Кем
хотите стать?
5. Посещали ранее лекции
Ю.А.Малахова? Если да, то какие ?
5. Посещали ранее лекции Ю.А.Малахова?
ли да, то какие ?
6. Что бы Вы хотели услышать от лектора
на последующих лекциях?
6. Что бы Вы хотели услышать от лектора на последующих лекциях?
Ес-
7. Вероятность наших следующих встреч
в процентном выражении (%)
Дата ___________
7. Ваши предложения о выполнении своего личного творческого проекта (по желанию). Тема:
_______________________________
Подпись _______
Дата _________ Подпись _________
В анкетах приводится список вопросов, ответы на которые дают возможность преподавателю иметь представление об уровне развития и интересах его слушателейстудентов.
В настоящее время на кафедре «Компьютерные технологии и системы» Брянского
государственного технического университета (БГТУ) ведётся работа по выявлению предметно-специализированных (профессиональных) компетенций в области интеллектуальной собственности.
Для формирования компетенций в области охраны интеллектуальной собственности предлагается следующая последовательность изучения учебных дисциплин:
1. История техники.
2. Основы инженерного творчества.
3. Методология научного творчества.
4. Защита интеллектуальной собственности.
Инновационный процесс в образовании невозможен без интеграции производства,
образования и науки. Предложенные компетенции в области охраны интеллектуальной
собственности могут быть полезны при разработке модели специалиста машинострои137
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2008. № 2(18)
тельного профиля, ориентированного на инновационную профессиональную деятельность.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Малахов, Ю.А. Защита интеллектуальной собственности: учеб. пособие/ Ю.А.Малахов. – Брянск: БГТУ,
2005. – 96 с.
2. Горленко, О.А. Подготовка профессионально компетентного специалиста в техническом вузе
/О.А.Горленко, Т.П. Можаева//Вестн. БГТУ. – 2005. – №3. – С.74–81.
3. Малахов, Ю.А. Кейс-метод и его возможности в российском образовании / Ю.А. Малахов //Единое образовательное пространство славянских государств в ХХ1 веке: проблемы и перспективы: материалы II
междунар.науч.-практ.конф. – Брянск: БГТУ; СГА, 2006. – С. 107-108.
Материал поступил в редколлегию 09.01.08.
138
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ISBN 5-89838-336-3
Вестник Брянского государственного технического университета. 2008. № 2(18)
УДК 796.01.3
Г.Е. Сякина
ФОРМИРОВАНИЕ ПОЗНАВАТЕЛЬНЫХ СПОСОБНОСТЕЙ СТУДЕНТОВ
СРЕДСТВАМИ ФИЗИЧЕСКОГО ВОСПИТАНИЯ
Рассмотрены вопросы формирования познавательных способностей студентов средствами физического воспитания. Представлена система педагогических путей совершенствования обучения и результаты обучающего эксперимента.
Ключевые слова: познавательная способность; процесс обучения; физическое воспитание студентов.
Основная деятельность студентов - процесс учения, который требует интенсивной
умственной работы и довольно высокого уровня развития познавательных способностей,
определяющих степень успешности учебной деятельности.
Вопросы формирования познавательных способностей студентов связаны с такой
педагогической проблемой, как непрерывность связи обучения и развития, так как в период обучения в вузе завершается соматическое и достигает максимума психофизическое
развитие. Все это подчеркивает необходимость изучения потенциальных возможностей
студентов, а с другой стороны – эффективного развития их функций и систем с целью
максимальной реализации их способностей в процессе обучения и подготовки к профессиональной деятельности.
Несмотря на то, что вопросы педагогики развития познавательных способностей затрагиваются и освещаются с различных позиций многими авторами (Б.Г. Ананьевым, Т.И.
Артемьевой, К.К. Платоновым, С.Л. Рубинштейном, Б.Г. Тепловым, Е.П. Ильиным, В.Д.
Шадриковым, В.Н. Дружининым, А.А. Прядехо, В.П. Озеровым; представителями концепций развивающего и проблемного обучения, оптимизации процесса обучения, активизации деятельности учащихся в обучении, теории поэтапного формирования умственных действий
и знаний), до сих пор остается множество нерешенных проблем методологического и методического характера в формировании познавательных способностей средствами физического воспитания.
Совершенствование системы образования подрастающего поколения невозможно
без целостного понимания психической и двигательной деятельности обучающегося и
глубокого изучения психофизиологических детерминант развития психики и моторики. О
положительном влиянии физического развития на умственное знали в Китае, еще во времена Конфуция, в Древней Греции, Индии, Японии. В монастырях Тибета и Шаолиня физические упражнения и труд преподавались на одном уровне с теоретическими дисциплинами. Еще столетие назад наш соотечественник И.М. Сеченов указал: «Все бесконечное
разнообразие внешних проявлений мозговой деятельности сводится окончательно к одному лишь явлению – мышечному движению». П.Ф. Лесгафт рассматривал движение как
средство развития познавательных сил учащихся. Но до сих пор педагоги не усвоили простых и верных мыслей, высказанных Ж.Ж. Руссо: «Предположение, что упражнение тела
вредит умственной деятельности, есть жалкая ошибка, как будто обе эти деятельности не
должны быть в согласии, и как будто одна не должна постоянно действовать на другую».
Высшее профессиональное образование и его важная составляющая – физическая
культура должны быть направлены на приоритетное совершенствование способностей.
Это закреплено в приказе Министерства образования РФ №2715/227/166/19 «О совершенствовании процесса физического воспитания в образовательных учреждениях РФ» от
16.07.2002.
Коренное совершенствование учебного процесса по физическому воспитанию студентов должно основываться на знаниях и мастерстве педагога, использовании и реализа139
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2008. № 2(18)
ции психологических закономерностей познавательных процессов (восприятия, внимания, памяти, мышления, воображения и психомоторных), обеспечивающих дидактические
принципы учебно-тренировочного процесса.
В понимании сущности способностей автор придерживается системнофункционального подхода, разрабатываемого в настоящее время В.Д.Шадриковым и его
научной школой. Согласно данному подходу, способности – это свойства функциональных систем, реализующих отдельные психические функции, которые имеют индивидуальную меру выраженности, проявляющуюся в деятельности и своеобразии ее выполнения. Человек наделен от природы общими способностями. Любая деятельность, в том
числе и познавательная, осваивается на базе общих способностей, которые развиваются на
основе ее [1].
Познавательные способности есть общие способности, приобретшие черты оперативности под влиянием требований учебной или учебно-тренировочной деятельности.
Второй важный момент проблемы способностей – системность их проявления в деятельности. Реализация каждой из функций предполагает одновременную реализацию
всех других, т.е. процесс формирования и развития познавательных способностей имеет
комплексный характер.
Двигательная активность задается психомоторными способностями. Опираясь на
единство психического и физического в человеке, любой двигательный акт справедливо
рассматривать как психомоторный акт, а не только как физическое упражнение или психическое действие. Психика проявляется в движении, а с другой стороны, в известном
смысле движение формирует психику. Об этом говорят работы И.М.Сеченова,
П.Ф.Лесгафта,
Н.А.Бернштейна,
П.К.Анохина,
А.В.Запорожца,
В.П.Зинченко,
Н.Д.Гордеевой, В.П.Озерова. Само осмысленное действие («живое движение» по
Н.А.Бернштейну) содержит в себе когнитивные компоненты. Прежде чем превратиться в
произвольно управляемое, движение должно стать ощущаемым, становясь объектом познания. «Живое движение» имеет квантово-волновую природу, что является решающим
доказательством гетерогенности моторного акта и объясняет возможность перестройки
его в когнитивный акт[2]. Л.С.Выготский, С.Л.Рубинштейн, А.Н.Леонтьев также указывали на общность строения внутренней и внешней деятельности, возможности переходов ее
форм. Поэтому можно внести психомоторную составляющую в структуру познавательных
способностей и сделать вывод, что, развивая психомоторные функции, мы будем воздействовать на все другие познавательные способности.
Зачастую процесс физического воспитания студентов свертывают до узкой физической подготовки, упраздняя физическое образование, обучение и воспитание в широком
смысле. Не удивительно, что большинство выпускников вузов отрицательно относятся к
этому одностороннему процессу «воспитания», что несет серьезные социальные последствия.
Успех двигательного обучения тесно связан с познавательными способностями обучающихся[3]. Точность удара, прыжка или броска снаряда – не обычный механический
процесс, а проявление интеллекта спортсмена, деятельной стороны его разума.
Сознательное овладение телом и мышечными движениями в процессе физического
воспитания приводит к совершенствованию различных сторон психики как продукта рефлекторной деятельности мозга. Оно связано с ощущением и восприятием как самих движений, так и внешней среды, в которой они выполняются; осмысливанием, воссоздающим и творческим воображением, проявлением памяти, разнообразных волевых качеств;
индивидуальными особенностями темперамента и характера; проявлением определенных
способностей и, следовательно, совершенствованием личности человека.
В процессе физического воспитания получают развитие не только физические качества, но и, прежде всего, психомоторные способности как способности психологической
140
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2008. № 2(18)
регуляции движений и двигательных действий занимающихся, которые позволяют воздействовать на все другие познавательные способности человека и в то же время отражают уровень их развития (исходя из системности проявления познавательных способностей
в деятельности).
Мысль о том, что моторное обучение включает когнитивные учебные процессы, не
должна выглядеть неожиданной. Деятельность занимающихся в процессе обучения двигательным действиям носит учебно-познавательный характер. На занятиях физической
культурой постоянно возникают познавательные ситуации, связанные с овладением техникой физических упражнений, ее совершенствованием, овладением приемами практических
действий и пр. (как выполнить движения экономнее, точнее, выразительнее и т. д., как распределить силы на дистанции, соревнованиях и др.).
Но не всякое обучение имеет подлинно развивающий эффект, хотя и не исключает познавательной активности. Активность познавательной деятельности только тогда является важнейшим источником умственного развития, когда она становится самоактивностью, формирование которой – важнейшая задача развивающего обучения. По мнению И.С.Якиманской,
формирование учебной деятельности предполагает ее специальную организацию, обеспечивающую овладение учащимися приемами умственной деятельности [4].
Следовательно, эффективность обучения в целом во многом определяется умением
педагогов организовать учебный процесс в соответствии с физиологическими, психологическими, педагогическими и структурными закономерностями познавательных процессов.
Анализ педагогического опыта свидетельствует о том, что наибольший результат в
развитии познавательных способностей учащихся достигается при системнодеятельностном подходе к учению и определению содержания образования. Такое построение деятельности носит алгоритмический характер. Более того, системный подход вытекает из природы познавательных способностей.
При построении учебно-тренировочного процесса по формированию познавательных способностей студентов, опираясь на системно-деятельностный, личностноориентированный подходы к учению, идеи развивающего обучения (В.В.Давыдова,
И.Я.Лернера, В.В.Репкина, Н.В.Репкиной, И.С.Якиманской) и поэтапного формирования
действий (П.Я.Гальперина, Д.Б.Эльконина, Н.Ф.Талызиной), автор определил следующую
систему педагогических путей совершенствования обучения:
• формирование осмысленных целевых установок;
• рациональный отбор учебного материала (выделение базового, второстепенного,
дополнительного);
• использование методов обучения, соответствующих психологической структуре познавательных процессов;
• использование заданий высокого мыслительного уровня;
• формирование системы знаний о процессе познания;
• поэтапное формирование умственных и двигательных действий;
• побудительно-интенсифицирующая деятельность педагога;
• развитие творческого потенциала студентов.
Объединяющую основу путей формирования познавательных способностей должна
составить система постепенно усложняющихся заданий эвристического характера с элементами поиска нового и самостоятельными творческими проявлениями, например: самостоятельно несколько видоизменить освоенный способ прыжка, успешно выполнить освоенное действие в необычных условиях, составить из разученных движений новую комбинацию, самостоятельно разработать по данным правилам новый комплекс упражнений
утренней зарядки.
Опираясь на положение Н.А. Бернштейна[5] о том, что возрастающее смысловое усложнение двигательных задач ведет естественным порядком к возрастанию и усложне141
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2008. № 2(18)
нию чисто координационных требований управления, можно заключить, что высококоординированные смысловые двигательные действия человека будут способствовать формированию его познавательных способностей.
Исходя из этого, физические упражнения, направленные на формирование познавательных способностей, необходимо применять по принципу повышения координационных трудностей, с которыми должны справляться занимающиеся. Эти трудности слагаются в основном из требований к точности движений (во времени, в пространстве и по величине усилий), к их взаимной согласованности, к внезапности изменения обстановки.
Новизна, хотя бы частичная, необычность и обусловленные этим неординарные требования к координации движений – важнейшие критерии при выборе упражнений для эффективного воздействия на познавательные способности.
Средствами физического воспитания для этого являются сложнокоординационные
физические упражнения ритмической и художественной гимнастики, при разучивании
которых кроме общепедагогических методов используются и специфические методы физического воспитания, связанные с точным восприятием движений, осмыслением двигательных задач, анализом и коррекцией при их выполнении. Это методы: строго регламентированного упражнения; стандартно-повторные с последующим измерением точности по
времени, пространству, усилию с установкой на запоминание и последующей самооценкой; вариативного упражнения (строго заданное варьирование отдельных характеристик
или всего освоенного двигательного действия: изменение силовых параметров, скорости
по предварительному заданию и внезапному сигналу, темпа движений, исходных и конечных положений, способов выполнения действия, выполнение освоенных двигательных
действий после воздействия на вестибулярный аппарат, выполнение упражнений с исключением зрительного контроля, неведущей рукой); направленного прочувствования
двигательного действия; «контрастных» и «сближаемых» заданий; соревновательный, игровой.
В педагогическом обучающем эксперименте, который проводился на базе БГТУ, на
учебно-тренировочных занятиях в подготовительной их части студенты выполняли упражнения ритмической гимнастики.
Принцип поэтапного формирования действий, опосредованных речевой инструкцией и собственным самоконтролем движений, широко применялся в основной части урока,
где проводилось обучение упражнениям художественной гимнастики с учетом психофизиологической природы. Среди методических приемов обучения с целью формирования
познавательных способностей использовались следующие:
* формирование осмысленных целевых установок;
* акцентированный показ двигательного действия с выделением ведущих элементов движения и опорных точек самоконтроля;
* широкое использование средств моделирования и технических средств обучения
(контрольные отметки, магнитофонные записи программы и т. д.);
* активизация зрительных, слуховых и кинестетических восприятий, организация
активного наблюдения;
* критическое обсуждение способов выполнения двигательного действия другими
лицами;
* анализ эталонной техники с целью рационального применения ее к своим индивидуальным особенностям;
* выработка прочных ассоциаций между ведущими элементами, контрольными
точками и кинестетическими образами движения и их речевыми наименованиями;
* воспроизведение двигательного действия в упрощенных условиях (на месте, по
разделению, в медленном темпе);
* поэтапное выполнение двигательных действий с проговариванием выполняемых
142
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2008. № 2(18)
ведущих элементов и опорных точек самоконтроля за движением;
* мысленный повтор упражнения как на учебном занятии, так и в качестве домашнего задания;
* управление в усложненных условиях (затрудненный самоконтроль, с закрытыми
глазами, неведущей рукой, соревновательные условия);
* комментарии;
* музыка, как фактор, способствующий лучшему освоению и запоминанию ритмической структуры движения;
* проводка по движению;
* приемы взаимообучения;
* самоконтроль (работа перед зеркалом);
* самостоятельное составление студентами новых связок и комбинаций из известных элементов.
На отдельных учебно-тренировочных занятиях (в начале и конце урока) в экспериментальной группе исследовалась динамика изменений продуктивности внимания (прирост составил 11,9%) и концентрации внимания (прирост – 17%), кратковременной памяти
на цифры (прирост – 4,8%), гибкости мышления (прирост – 17%). Кроме того, измерялись
показатели продуктивности и концентрации внимания до и после выполнения комплекса
ритмической гимнастики в подготовительной части урока: продуктивность внимания увеличилась на 28,38%, концентрация внимания – на 27,88%.
В формирующем эксперименте (за 2 года) анализ проводился по 6 показателям: способности точного восприятия и воспроизведения новых движений, распределению внимания, продуктивности внимания, концентрации внимания, гибкости мышления, кратковременной памяти на слова. Выявлено, что в экспериментальной группе показатели увеличились:
- способность точного восприятия и воспроизведения новых движений - на 12,08%;
- продуктивность внимания - на 10,24%;
- концентрация внимания - на 14,1%;
- распределение внимания - на 11,62%;
- гибкость мышления - на 16,3%;
- кратковременная память - на 8,9%.
В контрольной группе прирост показателей соответственно был равен: 0,6; 2,66; 3,4;
4,83; 4,2; 3,04%.
Кроме того, проведенный корреляционный анализ связи между способностью точного восприятия и воспроизведения новых движений и остальными показателями экспериментальной группы в конце эксперимента установил сильную статистическую взаимосвязь с гибкостью мышления (r = 0,72), среднюю – с концентрацией внимания (r = 0,59) и
кратковременной памятью (r = 0,63), слабую – с распределением внимания (r = 0,22) и
продуктивностью внимания (r= 0,23).
Таким образом, наличие значимых связей между специально организованной двигательной активностью и познавательными способностями студентов доказывает, что двигательная активность является одним из факторов формирования познавательных способностей, а это диктует значительное усиление внимания к вопросам физической культуры
и спорта.
Процесс формирования познавательных способностей студентов средствами специально организованной двигательной активности будет более эффективен, если:
- содержание процесса физического воспитания направлено на поэтапное формирование умственных и двигательных действий, развитие творческого потенциала студентов;
- применяются специально разработанные методы обучения, соответствующие психологической структуре познавательных процессов;
143
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2008. № 2(18)
- используются задания высокого мыслительного уровня, связанные с выполнением
сложнокоординационных физических упражнений (в частности, упражнений ритмической
и художественной гимнастики).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Шадриков,В.Д. Способности человека / В.Д. Шадриков. - М.: Ин-т практ. психологии; Воронеж:
МОДЭК, 1997. -С.12,74.
2. Гордеева, Н.Д. Экспериментальная психология исполнительного действия/ Н.Д. Гордеева. -М.: Тривола,
1995.-324с.
3. Майнберг,Э. Основные проблемы педагогики спорта/ Э. Майнберг. - М.: Аспект Пресс, 1995.- 318 с.
4. Якиманская, И.С. Развивающее обучение / И.С.Якиманская. - М.: Педагогика, 1979. - 144 с.
5. Бернштейн, Н.А. О ловкости и ее развитии/ Н.А.Бернштейн. - М.: ФиС, 1991. - С.279.
Материал поступил в редколлегию 26.12.07.
144
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2008. № 2(18)
УДК 42.07
Ю. А. Воронцова
МЕТОДИКА ПРЕПОДАВАНИЯ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОГО ПЕРЕВОДА
С ИНОСТРАННОГО (АНГЛИЙСКОГО) ЯЗЫКА
Рассмотрена одна из методик совершенствования навыков последовательного перевода посредством внедрения индивидуального подхода к обучению студентов с различным уровнем владения иностранным языком. Проанализирован план работы с заданиями разного уровня сложности, их влияние на развитие навыков
последовательного перевода у студентов.
Ключевые слова: последовательный перевод; навыки перевода; индивидуальный подход; уровень обучения
переводу.
Расширение международного сотрудничества в области науки и техники требует от
выпускников высших технических учебных заведений знания иностранного языка, практическая польза которого будет определяться способностью специалиста использовать
информацию из зарубежных источников – устных и письменных. Следовательно, умения
и навыки владения вторым языком должны способствовать не только расширению общеобразовательного кругозора профессионального работника, но и повышению его квалификации.
Согласно государственной программе по иностранному языку для высших технических учебных заведений, утвержденной Учебно-методическим отделом, сегодня ставится задача научить будущих выпускников технического профиля читать и переводить литературу адекватной трудности по специальности с помощью словаря.
Под техническими текстами адекватной трудности, рекомендуемыми программой,
подразумеваются не адаптированные и обработанные преподавателями, а взятые из оригинальной технической литературы тексты (описания приборов, аппаратуры, материалов,
рабочих процессов в виде каталогов, проспектов, паспортов, прилагаемых к оборудованию). Именно с этим будущему специалисту придётся иметь дело на практике. Данная
тематика, в свою очередь, систематизирует языковой материал, который должны усвоить
студенты вуза, и делает задачи обучения переводу в техническом вузе реальными, выполнимыми.
Программа по обучению иностранному языку в техническом вузе рассчитана на то,
что студенты владеют грамматическим материалом в объеме общеобразовательной средней школы. Для особой проработки предлагаются те грамматические формы, которые
наиболее часто встречаются в оригинальных текстах данного типа. Умение чтения и перевода заключается не только в накоплении терминологического запаса (к чему ранее часто
сводилось обучение переводу технических текстов в профильном вузе), а состоит из ряда
определенных умений и навыков. Особое внимание здесь уделяется выработке умения
чтения с общим охватом содержания и элементами анализа; демонстрации некоторых
реалий современного английского языка под углом зрения их передачи в переводе с использованием различных приемов и способов; выделению тех особенностей английского
языка, которые представляют значительные трудности при переводе.
Внедряя индивидуально-личностный подход на практике, в начале обучения студентов
разбивают на несколько групп в зависимости от входного уровня владения иностранным
(английским) языком. Далее в процессе обучения они проходят несколько этапов для достижения коммуникативной и переводной компетенции как конечной цели овладения иностранным языком в техническом вузе. Это позволяет проследить последовательность
формирования умений и навыков студентов при обучении, определить задачи контроля по
такому виду деятельности, как чтение и последовательный перевод. Представим этот материал в виде сводной таблицы.
145
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2008. № 2(18)
Уровень
обученности
Уровень 1
Уровень 2
Уровень 3
Уровень 4
Уровень 5
Уровень 6
Уровень 7
Уровни формирования умений и навыков студентов
Описание уровня обученности
Таблица
Студенты могут понимать простые слова классного обихода в знакомом контексте, написанные ясным печатным шрифтом
Студенты могут читать слова и словосочетания вслух, соблюдая правила чтения. Они могут понимать короткие словосочетания в небольшом контексте и определять тему коротких описательных текстов, содержащих фактологическую информацию. Тематика текстов – повседневная
Студенты могут понимать короткие информационные тексты, состоящие из простых предложений, в которых встречаются составные слова.
Они демонстрируют умение читать смысловыми группами, понимать
основное содержание прочитанного, использовать контекст для понимания незнакомых слов. Тексты построены на бытовой тематике и содержат оценочную информацию. Студенты, начиная читать самостоятельно простые тексты, используют глоссарии и двуязычные словари
Студенты могут понимать короткие связные аутентичные тексты, содержащие фактологическую информацию. Тексты могут быть напечатаны или написаны от руки. Студенты демонстрируют умение выделять основную мысль и некоторые детали, понимать значение незнакомых слов по словообразовательным элементам
Студенты могут понимать аутентичные тексты различных жанров, где
повествование ведётся в настоящем, прошедшем и будущем времени.
Они демонстрируют понимание сложноподчинённых предложений,
встречающихся в тексте, а также умение выделить основную мысль,
понять необходимые детали, включая мнение автора и персонажей, отличить факт от мнения. Умеют подбирать нужную стратегию и скорость чтения в зависимости от цели чтения. Самостоятельно читают
аутентичные информационные тексты, пользуясь нужными справочниками
Студенты могут понимать впервые предъявляемые аутентичные тексты
различных жанров. Тематика текстов разнообразна. Студенты демонстрируют умение полностью понять текст, в котором содержатся
идиомы, фразеологические сочетания; понять необходимые детали,
включая точки зрения. Они могут, бегло просмотрев текст, определить
наличие в нём необходимой информации и определить содержание
текста по заголовку. Могут самостоятельно читать соответствующий
их уровню информационный материал и рассказы, самостоятельно отбирать текстовой материал для домашних заданий, пользуясь различными справочниками, включая энциклопедии, словари антонимов и
синонимов
Студенты могут понимать аутентичные тексты различных жанров,
включая научно-популярную литературу. Они демонстрируют умение
выбрать главные факты, опуская второстепенные, понять логические
связи в предложении и между частями текста, понять функции предложения по грамматическим структурам, предсказать содержание текста
по представленной в нём лексике. Абстрактная тематика предполагает
наличие абстрактной лексики и слов; употребление такой лексики не
должно представлять трудности для студентов. Они могут обобщать
информацию на базе данного текста, самостоятельно отбирать справочный материал для выполнения домашнего задания
146
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2008. № 2(18)
Уровень
обученности
Уровень 8
Уровень *
Описание уровня обученности
Окончание таблицы
Студенты могут понимать аутентичные тексты любого объёма различных жанров и типов, разнообразной тематики, включая тексты на
сложные технические темы. Они справляются со сложными текстами,
содержащими комплексные языковые конструкции и лексический материал. Могут обобщить информацию по одной теме из разных источников и понять стиль речи по содержанию. Самостоятельно отбирают
тексты для чтения, удовольствия или извлечения необходимой информации, при этом демонстрируют умение пользоваться любой справочной литературой
Студенты понимают сложные тексты различных жанров, включая официальные и деловые документы. Они демонстрируют умения, необходимые для эффективного читателя и переводчика. Самостоятельны в
выборе литературы для удовольствия и для выполнения заданий
Методика обучения последовательному переводу должна строиться на нескольких
подходах, отличающихся степенью трудности изучаемого материала, а также опираться
на следующие критерии, которые являются основополагающими в содержании образовательного стандарта.
1. Объём текста, т.е. его величина: от отдельного слова до длинного связного повествования.
2. Жанр и тип текста (постепенное овладение студентами различными жанрами и
типами текста): от информационного (короткая вывеска, объявление) до сложного технического текста.
3. Сложность языкового материала, т.е. наличие сложных лексических и грамматических конструкций.
4. Аутентичность источника информации (знакомство с подлинным языком, на котором говорят носители, получение большей информации о стране изучаемого языка).
5. Вид предъявляемой информации (необходимый отбор текстов для чтения и перевода). По мере возрастания уровня обученности студенты читают тексты от повествовательных и описательных (содержащих фактологическую информацию) до текстов, включающих оценочную информацию (сравнение, обобщение, мнение автора).
6. Степень самостоятельности, т.е. умение пользоваться справочным материалом
(от глоссария до различных справочных источников – в зависимости от цели чтения), общеучебные умения.
7. Степень владения умениями (постепенное овладение студентами умением распознать основное содержание прочитанного, извлечь необходимую информацию, полностью
понять и перевести текст, включая все детали).
Обучение последовательному переводу строится с целью выработки умения чтения
с общим охватом содержания, которое является исходным и основным моментом чтения и
перевода любого технического текста. Рекомендуемая методика обучения содержит ряд
заданий, включающих:
1. Грамматический материал, который нужно проработать перед чтением текста.
2. Предтекстовые упражнения, включающие те явления, которые в тексте могут
служить опорами для понимания (интернационализмы, элементы словообразования, языковая догадка, определение части речи по внешним признакам и т.д.).
3. Текст, предназначаемый для чтения и понимания общего содержания. Тексты,
изучаемые на начальном уровне, имеют сюжет, содержат относительно знакомую уча147
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2008. № 2(18)
щимся информацию, что позволяет в полной мере использовать догадку. Слова, затрудняющие понимание содержания, вынесены в примечания, которые даются после текста.
Тексты строятся на определенном грамматическом минимуме, который должен быть
предварительно повторен с учащимися, а именно: группа времен (Indefinite, Continuous,
Perfect), залог (Active/Passive), модальные глаголы (must, may can), степени сравнения
прилагательных, множественное число имен существительных, местоимения (many, much,
little, few, any, some, no).
Последнее задание первого уровня является контрольным и может быть предложено студенту с целью проверки, научился ли он читать с общим охватом содержания.
Предварительные вопросы перед текстом помогут сосредоточить внимание обучаемого на теме текста, а с помощью вопросов, стоящих после текста, можно проверить
понимание. В случае затруднений при первичном чтении текста рекомендуется выполнить
упражнения, включающие те явления, которые можно будет использовать как опоры для
понимания при чтении. При чтении с общим охватом содержания перевод всех предложений необязателен.
Второй уровень обучения последовательному переводу ставит своей целью ознакомление учащихся с явлениями, характерными для технической литературы средней
трудности: терминами, техническими сокращениями, употреблением существительного в
функции определения и др., – а также расширение запаса общетехнической лексики и выработку умения чтения с элементами анализа.
С этой целью предлагаются тексты общетехнического характера из знакомых студентам разделов по математике, физике, химии.
Задачи второго уровня обучения определяют методику его построения. Поскольку
этот этап работы уже включает умение читать с общим охватом содержания (так как для
правильного перевода прежде всего необходимо знать, о чем идет речь), задание не содержит упражнений, предваряющих чтение текста, а упражнения, стоящие после текста,
предназначаются для закрепления тех лексико-грамматических явлений, которые мы считаем типичными для языка технической литературы средней трудности. Выполнение упражнений определяется по выбору преподавателя в зависимости от контингента студентов, условий работы, целей обучения (только чтение и перевод или развитие базовой устной речи по технической тематике). Поэтому здесь дается достаточно упражнений творческого характера: закончите предложения, опишите размеры какого-либо предмета, подберите к существительным глаголы, прилагательные и т.п.
Преподавателю также следует уделять внимание внеаудиторной работе, следовательно, после некоторых заданий необходимо выполнить раздел «После занятий». Он
должен включать игровой материал (чайнворды, загадки на смекалку, а также указания к
выполнению простейших опытов и их описания). Эти задания рекомендуется давать студентам для самостоятельной работы, так как они строятся на знакомом материале.
Третий уровень обучения предназначается для чтения и перевода оригинальной
технической литературы (каталоги и проспекты). В методическом плане третий этап делится на 3 раздела (А, В, С):
1. Раздел А состоит из четырёх заданий. Каждое задание включает текст, предварительные упражнения на лексико-грамматические явления, которые могут представлять
трудности при переводе, а также те явления, на которые желательно обратить внимание
студента, чтобы они послужили ему опорами для понимания. Упражнения, следующие за
текстом, предназначены для проверки понимания.
2. Раздел В состоит из текстов разнообразной тематики для самостоятельного контрольного перевода, аналитической работы в аудитории, внеаудиторной работы и индивидуального чтения.
3. Раздел С предназначается для самостоятельного чтения и перевода. Правиль148
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2008. № 2(18)
ность перевода может быть проверена впоследствии вместе с преподавателем или же по
ключам к ответам, выданным им.
Предлагаемую методику подачи текстов преподаватель может использовать при
подборе текстов по более узкой специальности, а также в объяснении теоретического материала по трудностям последовательного перевода с английского языка на русский, акцентируя внимание на грамматических, лексических и стилистических трансформациях в
переводе. Отсутствие эквивалентных форм и конструкций в русском языке, а также несовпадение в значении и употреблении соответствующих форм и конструкций вызывают
необходимость в грамматических трансформациях. Различия в смысловой структуре слова
и различные нормы сочетаемости в этих двух языках требуют широкого применения лексических трансформаций. Термином «эквивалент» условно характеризуются определенного типа соответствия между лексическими единицами разных языков, так же как и между грамматическими формами и конструкциями, а не их абсолютная равнозначность и
«равнофункциональность»1. Такое понимание эквивалентности доказывает соотносимость
языковых элементов, возможность перевода с одного языка на другой и вместе с тем не
игнорирует национального своеобразия разных аспектов английского и русского языков.
Перевод следует рассматривать как некую трансформацию, при которой сохраняется неизменным содержание оригинала, а форма его выражения – поверхностная структура – может подвергаться изменениям. 2 Это понятие включает в себя также и разницу в
особенностях семантических структур и сочетаемости, которые определяются национальной спецификой сопоставляемых в процессе перевода языков – английского и русского.
Несмотря на деление переводческих трансформаций на грамматические, лексические и
стилистические, далеко не всегда можно провести между ними четкие границы, поскольку
все упомянутые языковые явления рассматриваются с точки зрения их передачи в переводе. Тем более, что в английском языке много лексико-грамматических явлений, таких как
выражение каузативности, многие способы выражения модальности или эмфазы, тенденция использовать атрибутивные группы не только в газетно-публицистическом или стиле
научной прозы (техническая тематика), но и в художественной литературе, где они превращаются в эпитет, и пр., которые еще не стали грамматической формой, но уже не могут называться чисто лексическими или стилистическими. Благодаря такому тесному переплетению лексических и грамматических явлений языка многие из них могут рассматриваться по-разному и под разными углами зрения.
Преподавателям следует привлечь внимание к такой тенденции, наблюдаемой в современном английском языке, как экспрессивное использование средств языка, т.е. к актуализации. Авторы стараются все больше и больше придавать стилистическую весомость
средствам языка, заставляя их выполнять экспрессивную функцию и выступать в качестве
стилистического приема. Это относится ко всем аспектам языка: фонетическому, морфологическому, синтаксическому, лексическому и словообразовательному. Поскольку все
эти аспекты имеют национальный характер, передача их актуализации в переводе очень
сложна. Но это тем более обязывает переводчика при передаче смыслового содержания
оригинала по возможности сохранить его экспрессивность и передать ее какими-то дополнительными средствами.
Таким образом, на протяжении всего курса обучения теории и практике технического перевода следует помнить, что главное – это научить студентов творчески работать
над языком. Важно не то, чтобы обучающийся запомнил определённое число интернационализмов, а то, чтобы он научился их видеть в тексте, по смыслу находить в словаре правильный перевод так называемых «ложных друзей переводчика», выбирать нужное значеЕ.А. Найда. Анализ значения и составления словарей// Новое в лингвистике. - М., 1962. - Вып. 2. – С. 50.
Л.С. Бархударов. К вопросу о поверхностной и глубинной структуре предложения// Вопросы языкознания,
1973. - № 3. – С. 60.
1
2
149
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2008. № 2(18)
ние многозначных слов и т.д. Студентам следует подвергать анализу именно те приемы,
которые по виду одни и те же в обоих языках, а по существу и своим функциям отличны,
в чем и заключается трудность, а иногда и невозможность их перевода. К ним относятся
языковое и стилистическое употребление метонимии, синонимичных и дополняющих
друг друга пар, использование перенесенного эпитета и т.д.
Приёмы расшифровки словосочетаний, использование догадки, умение работать со
словарём, самостоятельно разбираться в незнакомых конструкциях, умение охватить основной смысл читаемого и, где нужно, использовать элементы анализа – всё это и составляет умения чтения и последовательного перевода, которые необходимы специалисту
технического профиля в его будущей профессиональной деятельности.
Материал поступил в редколлегию 15.01.08.
150
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2008. № 2(18)
УДК 42.07
Л.С. Ревеко
АББРЕВИАЦИЯ КАК ПУТЬ СОЗДАНИЯ ЛЕКСИЧЕСКИХ ИННОВАЦИЙ
В ТЕРМИНОЛОГИИ МЕТАЛЛООБРАБОТКИ
Рассмотрены наиболее употребительные типы сокращений в сфере лексических инноваций и причины их
появления.
Ключевые слова: аббревиация; лексические инновации; терминология металлообработки; аббревиатура.
Аббревиатурная лексика становится неотъемлемой частью словарного состава металлообрабатывающей терминологии (МОТ) современного немецкого языка, поскольку
современный этап развития науки и техники требует более сжатых в общении средств номинации. Большинство новых терминов громоздки и неудобны в употреблении. В качестве терминов функционируют сложные слова с тремя, четырьмя, а иногда и большим количеством компонентов, например: Hartmetallaufbereitungsanlage – установка для подготовки
твердых сплавов, Wendeschneidplatten- Schaftfräser – концевая фреза с поворотными твердосплавными пластинками и т. д. Такие многокомпонентные термины удобны с точки
зрения выделения наиболее существенных признаков терминируемых понятий, однако,
разрастаясь до чрезмерно больших размеров, они становятся громоздкими как в печатных
текстах, так и в устном общении между специалистами. В процессе коммуникации появляются новые обозначения, более короткие по сравнению с исходными, употребление которых приводит к тому, что они становятся привычными для специалистов и начинают
конкурировать с исходным термином, иногда даже заменяя его.
Однако не от каждого сложного существительного можно образовать сокращенный
вариант. Только при наличии у него смысловой цельности, семантического единства оно
способно включиться в процессы аббревиации. Семантическое единство является следствием того, что предмет или явление мыслится как «нечто одно, особо целое, даже если
при этом и отмечается сложность его строения или выделяются отдельные его признаки».
Рассматривая причины возникновения в языке сокращенных терминов, необходимо
отметить бурный темп развития современной науки и техники, избыточность информации
в языковом знаке, потребность в экономии времени и средств выражения. С другой стороны, аббревиация – это тенденция, противоположная иной, направленной на усложнение
структуры слова, языковой единицы, на создание сложных структур.
Аббревиатуры, рассматриваемые как самостоятельные морфемы, всегда сохраняют
семантическую мотивированность исходных сложных существительных и словосочетаний, т. е. между ними устанавливаются отношения тождества: FNA – Fachnormenausschuss
– отраслевая комиссия по стандартам (ФРГ), AB – Ausführungsbestimmungen – технические условия. Фактический материал исследования позволяет сделать вывод о том, что
среди лексических инноваций МОТ нет сокращенных терминологических образований,
значения которых отличались бы от значений их полных форм, как в других терминологиях.
Современная МОТ, как один из наиболее подвижных, гибких и быстро изменяющихся подъязыков общелитературного языка, имеет в своем составе значительное количество
новых терминов, образованных путем сокращения соответствующих сложных терминологических единиц и словосочетаний, передающих в плане содержания как новые понятия
(WSP – Wendeschneidplatte – поворотная твердосплавная пластинка), так и понятия, существующие в языке (HW – Hammerwerk – кузница, кузнечный цех). Интенсивное создание
сокращений разного рода является одной из характерных черт развития немецкой МОТ на
современном этапе.
151
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2008. № 2(18)
Исследование специальных текстов по металлообработке показало, что наиболее
употребительными типами сокращений в сфере лексических инноваций являются:
1. Инициальные аббревиатуры: DAM – Deutsches Amt Für Messwesen – Германская
палата мер, FA – Fachausschuss – техническая комиссия, комитет и т. п.
Одно- и двухкомпонентные инициальные сокращения не характерны для лексических инноваций МОТ. Частично это можно объяснить тем, что одно- и двухкомпонентные
термины вполне терпимы в языке и не нуждаются в радикальном сокращении. Однако небольшая группа новых двухкомпонентных инициальных сокращений прочно вошла в словарный состав немецкой МОТ: HM – Hartmetall – твердый сплав, IR – Industrieroboter –
промышленный робот, BS – British Standart – Британский стандарт и т. д.
Наиболее продуктивный тип инициальных сокращений – трехкомпонентные сокращения: AfS – Amt für Standartisierung – Комитет стандартов, ASE – Abteilung Stahl und Eisen – Управление черной металлургии, DIN – Deutsche Industrienormen – стандарт ФРГ,
WMW – Werkzeugmaschinen und Werkzeuge – станки и инструменты (название станкостроительного управления).
Инициальные сокращения с четырьмя и более компонентами значительно уступают
трехкомпонентным (HM-WSP – Hartmetall – Wendeschneidplatte – поворотная твердосплавная пластинка). Объясняется это тем, что такие сокращения неудобны для произношения и восприятия.
Среди новых инициальных аббревиатур много сокращений, пришедших из других
языков: ASA – American Standard Association – Американская ассоциация стандартов,
ASTM – American Society for Testing Materials – Американское общество испытания материалов. Как правило, такие сокращения представляют собой краткие названия организаций, учреждений и фирм.
Характерной особенностью инициальных аббревиатур является их способность быть
базой для дальнейшего терминообразования: NC-Drehmaschine, ES-Schweißen, IR-Technik,
JSG-System, WMW-Produktion и т. п. В словопроизводстве аббревирование инноваций
МОТ не участвует.
Частое употребление инициальных сокращений создает определенные трудности в
общении между специалистами, так как приводит к образованию большого количества
сокращений-омонимов. Например:
alterungsbeständig - нестареющий (в маркировке стали)
А
ausgelassen
- отпущенный (в маркировке стали)
Ampere
- ампер
B
Bessemerstahl
basisch
beste Bearbeitkeit
- бессемеровский (в маркировке стали)
- основной (в маркировке стали)
- термически обработанный (в маркировке стали)
E
Edisongewinde
einsatzgehärtet
Elastizitätsgrenze
Elektrostahl
Engspalt
- резьба Эдисона
- цементированный и закаленный (в маркировке стали)
- предел упругости
- электросталь (в маркировке)
- наименьший зазор
2. Звуковые сокращения первого элемента сложного термина при наличии полной
формы основного термина (неполная аббревиатура): NS-Bohrwerk – сверлильный станок с
программным управлением, FE-Senken – Funkenerosivsenken – электроискровая прошивка.
Первый компонент таких аббревиатур может быть выражен однобуквенным инициальным
сокращением (E-Bohren – Elysierbohren – электролитическая сквозная прошивка), двухбу152
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2008. № 2(18)
квенным инициальным сокращением (HF-Generator – Hochfrequenzgenerator – генератор
высокой частоты, EC-Formätze – Elektrochemieformätze – электротехническое профильное
травление и т. п.). Данный структурный тип наиболее продуктивен при создании аббревиальных лексических инноваций МОТ.
Первый компонент, состоящий из трех и более букв, встречается лишь в немногих
частично сокращенных терминах: WMW-Produktion, CNC-Programmierung, PTP-Steuerung,
ADV-Einsatz, MM-WSP-Werkzeug, ASME-Gewinde и т. п.
3. Инициальносокращенные слова, включающие слоговой компонент исходной формы. Данные сокращения всегда являются акронимами: Böw – Bördelwerkzeug – отборочный штамп, Bist – Biegestanze – гибочный штамп, Bif – Biegeforn – шаблон для гибки.
4. Эллиптические термины, образованные путем опущения составляющих в многокомпонентном сложном слове: Bördelnaktschweißen – Bördelschweißen – сварка с отбортовкой, Dachprismaführung – Dachprisma – Dachführung – призматическая направляющая.
Тенденция образования сокращенных терминов путем эллипса связана с тем, что многочисленные вновь созданные немецкие термины по металлообработке тяжеловесны и мало
удобны для дальнейшего словопроизводства.
Фактический материал позволил установить случаи опущения как первого, второго,
так и третьего компонента (Kartenlocher – Locher – перфоратор, Keramikscheidplatte –
Keramikplatte – минералокерамическая режущая пластинка, Durchsatzleistung – Durchsatz –
пропускная способность). Опущение первых, так называемых определительных компонентов значительно уступает эллипсу средних и последних компонентов. Все исследованные неусеченные слова и эллипсы существуют параллельно в качестве стилистических
вариантов. Новизна эллиптических инноваций может манифестироваться как новизной
лишь материальной формы (Druckdrehmaschine – Druckmaschine – токарно-давильный
станок; семантическая нагрузка словарного знака остается при этом неизменной), так и
новизной содержательной структуры и материальной формы (Magazinaufnahmekasten –
Magazinkasten – кассетный накопитель).
Кроме данного типа усечения зафиксированы терминологические единицы с опущенными суффиксами и соединительными согласными: Herstellungstoleranz –
Herstelltoleranz, Schwingungsläppen – Schwingläppen, Honingmaschine – Honmaschine,
Schraubenlehre – Schraublehre и т. п.
5. Усеченные термины, образованные производным сокращением слова: Tab – Tabulator, Aus – Ausgeschaltet. Процесс усечения нетипичен для образования сокращенных
терминологических единиц металлообрабатывающей терминологии. Всего установлено
два случая такого усечения.
6. Сложноусеченные термины, в которых каждый компонент является начальным
усечением: VESTA – Vereinigte Stahlbetriebe – Объединенные сталелитейные предприятия,
HUMA – Hüttenwerks – Maschinenbau – Общество металлургического машиностроения,
KUGANA – Kurvengetriebeanalyse – анализ кулачковых механизмов. Такие термины, как
правило, состоят из двух-трех открытых слогов с ударением на первом слоге. Сокращенные термины данного типа новы как в плане содержания, так и в плане выражения.
7. Контрактуры – термины, образованные путем опущения некоторых букв и слогов
и объединения начальных и конечных букв или элементов: Bstllg – Bestellung – заказ, Bd –
Band – лента, Stk – Stück – штук, Plv – Pulver – порошок, Tfl – Tafel – лист, плитка.
Появление контрактур, так же как и аббревиации, вызвано стремлением специалистов избегать при письме повторения терминов и словосочетаний (как с целью экономии
места, так и из стилистических соображений). Все контрактуры передают в плане содержания известные ранее понятия и реалии, нова у них лишь структурная форма.
8. Сокращенные термины, образованные путем слияния начального элемента первого слова и части второго слова, т. е. термины-«слитки»: Plasmatron (исходные термины –
153
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2008. № 2(18)
Plasma + Elektron), Kermet (Keramik + Metall), Interferometer (Interferenz + Meter). Термины-«слитки» подобного рода имеют всегда новое значение, хотя они сочетают в себе семантические характеристики обоих исходных терминов, например: Optik (оптика) и Meter
(метр) в результате слияния дают новый термин Optimeter (оптиметр – прибор для измерения точности обработки).
Данный тип образования новых терминов достаточно широко распространен в исследуемой терминологической подсистеме, и можно ожидать, что в дальнейшем он станет
одним из продуктивных типов словообразования.
В целом сокращения в немецкой МОТ наглядно иллюстрируют экономию выразительных средств при сохранении информационного веса термина и могут служить материалом для наиболее распространенного способа словообразования в современном немецком языке – словосложения (участие сокращенных слов в словосложении).
Материал поступил в редколлегию 25.03.08.
154
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2008. № 2(18)
УДК 511. 36
В. А. Андросенко, Е. В. Квитко
ЧЕТЫРЁХКРАТНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ, ПРЕДСТАВИМЫЕ В ВИДЕ ЛИНЕЙНЫХ
ФОРМ ОТ ЗНАЧЕНИЙ ДЗЕТА – ФУНКЦИИ РИМАНА
Рассмотрены преобразования интеграла и получена его групповая структура.
Ключевые слова: четырехкратные интегралы; линейные формы; дзета-функция Римана; групповая структура.
Исследование групповой структуры является важным элементом получения оценки
меры иррациональности значений дзета – функции Римана в целых точках. Групповые
преобразования были использованы Рином и Виолой [8] для улучшения оценки меры иррациональности ζ(3).
После того как в 1882 г. Линдеманн [7] доказал, что π – число трансцендентное,
∞ 1
являстало ясно, что для s = 2k , k ∈ Ν , значения дзета – функции Римана ζ ( s ) = ∑
s
n =1 n
ются трансцендентными числами.
После доказательства Апери [2] иррациональности ζ(3) Бейкерс в 1979 г. предложил
доказательство
этого
факта
с
помощью
интеграла
x n (1 − x) n y n (1 − y ) n z n (1 − z ) n dxdydz
∫
[0,1]
3
(1 − z (1 − xy )) n +1
. Также Бейкерсом [3] был рассмотрен интеграл
x n (1 − x) n y n (1 − y ) n dxdy
, с помощью которого может быть доказана иррациональ(1 − xy ) n +1
ность ζ(2). Этот факт был известен ранее, но с помощью интеграла Бейкерса и иного выбора параметров была улучшена оценка иррациональности π2. Были также предприняты
различные попытки обобщения интегралов Бейкерса для изучения дзета – функции Римана в целых точках. В 1990 г. О. Н. Василенко [4] рассмотрел интеграл
m m
m
∏ xi (1 − xi ) dxi
i =1
(1)
,
I= ∫
m x ⋅ ... ⋅ x ) n + 1
m
[ 0 ,1] (1 − x + x x − ... + ( −1)
m
1 1 2
1
который при m = 2 совпадает с интегралом Бейкерса. Д. В. Васильев [5] доказал, что при
m = 4 интеграл (1) представим виде линейных форм с рациональными коэффициентами.
В 1998 г. В. Н. Сорокин [9] вёл в рассмотрение интеграл вида
x n (1 − x ) n x n (1 − x ) n x n (1 − x ) n dx dx dx
1
1
2
2
3
3
1 2 3.
(2)
I= ∫
n
+
1
n
+
1
(1 − x x )
(1 − x x x )
[0,1]3
1 2
1 2 3
Интеграл (2) равен интегралу Бейкерса. Это было доказано С. Фишлером [10] и С.
Злобиным [6].
Ранее [1] был рассмотрен четырёхкратный интеграл типа интеграла (1), для которого была получена групповая структура.
Рассмотрим обобщенный интеграл типа интеграла В. Н. Сорокина (2) с произвольным набором параметров, а именно интеграл вида
∫
[0,1] 3
155
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2008. № 2(18)
a −1
x1 1
∫
a −1
(1 − x1 ) b1 −1 x 2 2
[0,1] 3
a + b2 −1
(1 − x 2 ) b2 −1 x3 2
I =∫
(A + Bx ) c
дующие формулы:
(1 − x 4 ) b4 −1 dx
(1 − x3 x 4 )α 2 (1 − x1 (1 − x 2 x3 ))α 1
где dx = dx1dx 2 dx3 dx 4 .
Преобразования в интеграле.
1 x a −1 (1 − x ) b −1 dx
b −1
(1 − x3 ) a 4 −1 x 4 3
,
(3)
Лемма. Пусть в интеграле
A > 0, B+A > 0; a, b, с ∈ N; I = I(a,b,c). Тогда справедливы сле-
0
1 x b −1 (1 − x ) a −1 dx
I = A a − c (A + B) b − c ∫
0 ( A + Bx )
I = Aa −c
a + b−c
= A a − c Bb − c I(b, a , a + b − c) ;
(4)
1 c −1
Г(a ) Г( b)
x (1 − x ) a + b − c −1 dx
Г (a ) Г ( b )
I(c, a + b − c, a ) ;
= Aa −c
∫
Г (c) Г (a + b − c) 0
Г (c) Г (a + b − c)
(A + Bx ) a
I = (A + B) b − c
(5)
1 x a + b − c −1 (1 − x ) c −1 dx
Г (a ) Г ( b )
=
∫
Г (c) Г (a + b − c) 0
(A + Bx ) b
Г (a ) Г ( b )
I(a + b − c, c, b) .
Г ( c) Г ( a + b − c)
В основе групповой структуры интеграла (3) лежат пять преобразований: g 1, g 2, g 3,
g 4, g 5 . Рассмотрим каждое из них.
1. Преобразование g 1 может быть получено применением к интегралу (3) формулы
(5) леммы по переменной x = x 4. Оно позволяет получить интеграл вида
= (A + B) b − c
a −1
x1 1
∫
[0,1]
a −1
(1 − x1 ) b1 −1 x 2 2
a + b2 −1
(1 − x 2 ) b2 −1 x3 2
α −1
(1 − x3 ) a 4 −1 x 4 2
(1 − x 4 ) b3 + b4 −α 2 −1 dx
(1 − x3 x 4 )α 2 (1 − x1 (1 − x 2 x3 ))α 1
3
,
Γ( 3 )Γ(b4 )
g1
, т. е. I →
R1 I (a1 , b1 , a 2 , b2 , a 4 , α 2 , b3 + b4 − α 2 , b3 , α1 ) .
Γ(α 2 )Γ(b3 + b4 − α 2 )
2. Проведя в интеграле (3) преобразование по формуле (5) леммы по переменной x 1 ,
где R1 =
получаем
R2 =
g2 ,
что
g
2
R2 I (α1 , a1 + b1 − α1 , a 2 , b2 , a 4 , b3 , b4 , α 2 , a1 ) ,
I →
где
Γ(a1 )Γ(b1 )
.
Γ(α1 )Γ(a1 + b1 − α1 )
3. В интеграле (3) сделаем замену переменных:
u = 1 − x 2 x3 ;
1 − x3 = uv;
x3 = 1 − uv;
1 − x3
u (1 − v)
1− u
v=
;
;
1 − x2 =
.
x2 =
1 − x 2 x3
1 − vu
1 − uv
Аналогичную замену проводили Рин и Виола [7]. В результате интеграл принимает
a −1
вид
такое,
x1 1
∫
b −1
(1 − x1 ) b1 −1 u b2 + a 4 −1 (1 − u ) a 2 −1 v a 4 −1 (1 − v) b2 −1 x 4 3
(1 − x 4 ) b4 −1 dxdudv
. (6)
α1
α2
(
1
x
u
)
(
1
x
(
1
uv
))
−
−
−
[0,1]
1
4
Сделав преобразование симметрии между интегралами (3) и (6), которое переводит
переменные
преобразование
g3 :
x 4 ↔ x1 , x3 ↔ u , x 2 ↔ v, x1 ↔ x 4 , получаем
3
g
3
I →
I (b3 , b4 , a 4 , b2 , a 2 , a1 , b1 , α1 , α 2 ) .
156
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2008. № 2(18)
4. Применяя к интегралу (3) формулу (5) по переменной x 2 , получаем преобразоваg
4
где
I →
R3 I (a1 , a 2 + b1 − α1 , α1 , a 2 + b2 − α1 , a 4 , b3 , b4 , α 2 , a 2 ) ,
Γ(a 2 )Γ(b2 )
.
R2 =
Γ(α1 )Γ(a 2 + b2 − α1 )
5. И, наконец, применение к интегралу (3) формулы (4) леммы по переменной x = x 4 даёт
преобразование g 5 , такое, что
ние
g4 :
g
5
I →
I (a1 , b1 , a 2 , b2 , a 4 + b4 − α 2 , b4 , b3 , b3 + b4 − α 2 , α1 ) .
Групповая структура интеграла. Представим интеграл (3) в виде интеграла от переменных ωi , ωi ∈ Ν, i = 1,...,9 :
ω −1
∫
x1 1
ω −1
(1 − x1 )ω 2 −1 x 2 3
ω + ω 4 −1
(1 − x 2 )ω 4 −1 x3 3
ω −1
(1 − x3 )ω 5 −1 x 4 6
(1 − x 4 )ω 7 −1 dx
,
(1 − x3 x 4 )ω 8 (1 − x1 (1 − x 2 x3 ))ω 9
где a 1 = ω 1 ; b 1 = ω 2 ; a 2 = ω 3 ; b 2 = ω 4 ; a 4 = ω 5 ; b 3 = ω 6 ; b 4 = ω 7 ; α 2 = ω 8 ; α 1 = ω 9 .
Введём следующие параметры:
ω 10 = ω 6 + ω 7 – ω 8 , ω 11 = ω 1 + ω 2 – ω 9 , ω 12 = ω 3 + ω 2 – ω 9 , ω 13 = ω 3 + ω 4 – ω 9 , ω 14 =
ω3 +
+ ω 4 – ω 1 , ω 15 = ω 7 + ω 5 – ω 8 , ω 16 = ω 5 + ω 4 – ω 8 , ω 17 = ω 5 + ω 4 – ω 6 , ω 18 = ω 5 + ω 4 + ω 3 –
ω8 –
– ω 9 , ω 19 = ω 5 + ω 3 + ω 4 – ω 6 – ω 9 , ω 20 = ω 4 + ω 3 + ω 5 – ω 1 – ω 8 , ω 21 = ω 3 + ω 4 + ω 5 – ω 1 –
ω6.
Рассмотрим каждое из преобразований интеграла относительно параметров ω 1 , ω 2 ,
ω 3 , … , ω 21 . Преобразование g 1 :
ω 1 ' = ω 1 , ω 2 ' = ω 2 , ω 3 ' = ω 3 , ω 4 ' = ω 4; ω 5 ' = ω 5 , ω 6 ' = ω 8 , ω 7 ' = ω 6 +ω 7 –ω 8 = ω 10 , ω 8 ' = ω 6 ,
ω 9 ' = = ω 9 , ω 10 ' = ω 6 + ω 7 + ω 8 – ω 8 – ω 6 = ω 7 , ω 11 ' = ω 11 , ω 12 ' = ω 2 + ω 3 – ω 9 = ω 12 , ω 13 ' =
ω 3 +ω 4 –ω 9 = = ω 13 , ω 14 ' = ω 14 , ω 15 ' = ω 15 , ω 16 ' = ω 4 + ω 5 – ω 6 = ω 17 , ω 17 ' = ω 4 + ω 6 – ω 8 =
ω 16 , ω 18 ' = ω 3 + ω 4 + + ω 5 – ω 6 – ω 9 = ω 19 , ω 19 ' = ω 5 + ω 4 + ω 3 – ω 8 – ω 9 = ω 18 ,
ω 20 ' = ω 3
+ ω 4 + ω 5 – ω 1 – ω 6 = ω 21 ,
ω 21 ' = ω 3 + ω 5 + ω 4 – ω 1 – ω 8 = ω 20 .
Таким образом, g 1 : (ω 6 , ω 8 )(ω 7 , ω 10 )(ω 16 , ω 17 )(ω 18 , ω 19 )(ω 20 , ω 21 ).
Рассмотрев аналогично преобразования g 2 , g 3 , g 4 , g 5 , получаем:
g 2 : (ω 1 , ω 9 )(ω 2 , ω 11 )(ω 13 , ω 14 )(ω 18 , ω 20 )(ω 19 , ω 21 );
g 3 : (ω 1 , ω 6 )(ω 2 , ω 7 )(ω 3 , ω 5 )(ω 8 , ω 9 )(ω 10 , ω 11 )(ω 12 , ω 15 )(ω 13 ,ω 16 )(ω 14 , ω 17 )(ω 19 , ω 20 );
g 4 : (ω 2 , ω 12 )(ω 3 , ω 9 )(ω 4 , ω 13 )(ω 16 , ω 18 )(ω 17, ω 19 );
g 5: (ω 5 , ω 15 )(ω 6 , ω 7 )(ω 8 , ω 10 )(ω 16 , ω 17 )(ω 18 , ω 19 )(ω 20 , ω 21).
Все возможные комбинации этих преобразований образуют группу G, состоящую из
288 элементов.
Создадим массив, элементы которого – параметры ω 1 , ω 2 , ω 3 , … , ω 21 . Сохраняем
этот массив. Применяем поочерёдно к этому массиву преобразования g 1, g 2, g 3, g 4, g 5 . Получаем 5 новых массивов, отличных от исходного. Добавляем эти 5 массивов к сохранённому.
К каждому из сохранённых массивов применяем преобразования g 1, g 2, g 3, g 4, g 5 (поочерёдно). Полученные массивы сравниваем с уже имеющимися, и если рассматриваемый
массив отличен от всех сохранённых, добавляем его к ним. Повторяя это действие (применение преобразований к сохранённым массивам) до тех пор, пока после применения
преобразований не появится ни одного массива, отличного от уже имеющихся, получим
288 массивов (это произойдёт на 9 шаге, т. е. любой набор параметров, получаемый путём
[0,1] 3
157
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2008. № 2(18)
применения 9 преобразований, уже был получен ранее с помощью меньшего количества
преобразований).
Данный алгоритм позволяет получить комбинацию минимального количества преобразований для каждого возможного набора параметров. При этом все остальные комбинации преобразований будут давать всё те же наборы параметров, но используя большее количество преобразований.
Функция
I (ω )
П (ω ) =
Г (ω1 ) Г (ω 2 ) Г (ω 3 ) Г (ω 4 ) Г (ω 5 ) Г (ω 6 ) Г (ω 7 ) Г (ω12 ) Г (ω15 )
является инвариантной относительно всех преобразований этой группы.
Таким образом, для g∈G
Г (ω1 g ) Г (ω 2 g ) Г (ω3 g ) Г (ω 4 g ) Г (ω5 g ) Г (ω 6 g ) Г (ω 7 g ) Г (ω12 g ) Г (ω15 g )
,
I(ω ) = I(ω)
Г (ω1 ) Г (ω 2 ) Г (ω3 ) Г (ω 4 ) Г (ω5 ) Г (ω 6 ) Г (ω 7 ) Г (ω12 ) Г (ω15 )
g
g
g
ω1g + ω 2g + ω3g + ω 4g + ω5g + ω 6g + ω 7g + ω12
+ ω15
=
= ω1 + ω 2 + ω3 + ω 4 + ω5 + ω 6 + ω 7 + ω12 + ω15 .
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Андросенко, В. А. Групповая структура четырёхкратного интеграла / В. А. Андросенко, В. Х. Салихов//
Вестн. БГТУ. – 2006. – №4. – С. 122 – 125.
2. Apery, R. Irrationalite de ζ(2) et ζ(3) /R. Apery// Asterisque 61. – 1979. – P. 11 – 13.
3. Beukers, F. A note on the irrationality of ζ(2) and ζ(3) F. Beukers// Bull. Lond. Math. Soc. 11. – 1978. – № 33.
– P. 268 – 279.
4. Василенко, О. Н. Некоторые формулы для значений дзета – функции Римана в целых точках / О.Н. Василенко//Республик. науч. – теорет. конф. «Теория чисел и её приложения», 26 – 28 сент. 1990 г.: тез.
докл. - Ташкент: Ташкент. гос. пед. ин – т, 1990. – С. 27.
5. Васильев, Д. В. Некоторые формулы для значений дзета – функции Римана в целых точках / Д. В. Васильев// Вестн. МГУ. Сер. 1. Математика, механика. – 1996. – №1 – С. 81 – 84.
6. Злобин, С. А. О некоторых интегральных тождествах / С. А. Злобин// Успехи математических наук. –
2002. – Т. 53. – № 3. – С. 153 – 154.
7. Lindemann, F. Uber die Zalh π / F. Lindemann// Math. Annalen 20. – 1882. – P. 213 – 235.
8. Rhin, G. The group structure for ζ(3) / G. Rhin, C. Viola// Acta Arith. 97. – 2001. – № 3. – P. 269 – 293.
9. Сорокин, В. Н. Теорема Апери / В. Н. Сорокин// Вестн. МГУ. Сер. 1. Математика, механика. – 1998. –
№ 3. – С. 48 – 52.
10. Fischler, S. Formes lineaires en polyzetas et integrals multiples / S. Fischler// C. R. Acad. Sci. Paris Ser. 1.
Math. – 2002. – V. 335. – P. 1 – 4.
1.
Материал поступил в редколлегию 05.12.07.
158
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2008. № 2 (18)
Abstracts
Kulbovsky I.K., Poddubny A.N., Bogdanov R.A. Influence of heredity сharge (blend,
mixture) on formation of the centers of crystallization of graphite in melt industrial pigiron. Investigated formation of the centres of crystallisation of graphite in melt industrial pigiron of the different chemical compound melted from different сharge (blend, mixture) by a
method local X-ray spectrum of the microanalysis.
Krasnyatov D.S. Creating of a new gating of casting «the sleeve of the cylinder» for diesel
engine d100. Computer mathematical simulation of a base gating system of casting «The Sleeve
of the cylinder» is lead, its merits and demerits are analyzed, the new variant of a gating system
is offered.
Kulbovsky I.K., Karelin S.V., Ilushkin D.A. Computer simulation of crystallization process
of massive castings of sleeves of ship diesel engines cylinders. Computer simulation of
crystallization of castings sleeves ship high power diesel cylinders are made according to real
operating technique of their deriving on the basis of which recommendations on perfecting
technological process.
Ivashchenkov J.M., Soldatov V.G. Link of technological parameters of steel castings
manufacture with their operating performances. The question of an opportunity of prediction
and quality management of castings of a railway transportation of responsible assignment from a
steel 20ГЛ by detection of correlation of technological parameters of their manufacture with
mechanical and operating performances is considered.
Kulbovsky I.K., Karelin S.V., Popov E.V., Turkin D.A. Computer modelling of processes of
cristalling and cooling massive cast from cast-iron in the foundry form. Data on possibilities of
means of computer modelling of foundry processes are resulted. Questions of application of
computer modelling for forecasting of shrinkable defects in cast from cast-iron are considered.
Kulbovsky I.K., Karelin S.V., Turkin D.A. Working out of new technological process of
manufacturing by centrifugal moulding of casting of a ship diesel engine cylinder liner
DB14. The new technology of reception casts cylinder liner ship's diesel engines is considered.
Conclusions about possibility of introduction of technology of reception casts cylinder liner are
resulted by centrifugal mode.
Matlakhov V.P. Increase of wear resistance of cylindrical surfaces of friction on the basis
the combination methods of drawing nitride - titanic coatings and electromechanical
processing. The technology of maintenance of wear resistance of cylindrical surfaces of friction
on the basis combination of methods of drawing nitride - titanic coatings and the subsequent
electromechanical processing is considered. Coefficients in kinetic model of wear process are
found and comparative tests with various technological methods of processing are carried out.
Bishutin S.G., Bishutin G.A., Karpenkov A.I. Force of friction in contact of cylindrical steel
and plastic details. In clause the results of experimental researches are submitted according to
influence of the geometrical sizes, force of pressing and methods of machining of details of
interface «a basic cylindrical bar - conducting plastic roller» of frictional lifts on force of friction
in considered interface.
Erohin V.V., Moiseev V.V. Warpage’s center chatter stability. The design procedure
warpage the centers on chatter stability and the analysis of factors influencing on chatter stability
is presented.
Prudnikov M.I. Method of tribotechnical tests of cylindrical sliding surfaces. The problems
of standardization and automation of tribologycal tests for a single-stage solution of the task of
technological ensuring of a wear resistance are considered. The test method of cylindrical sliding
surfaces is offered and justified, and also its realization as an automated system of scientific
researches.
159
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2008. № 2 (18)
Lagerev A.V., Lagerev I.A. An optimum design of the common crane roll shaft based on
simulation of fatigue fault. The problem of definition of the shaft sizes for the load-lifting
crane, providing the minimal weight at the set durability in conditions of fatigue crack growth is
considered. The optimum sizes of shafts for the cranes of various carrying capacity, modes and
operating conditions are resulted.
Gorshunova V.P., Tsvetkova T.N. Kinetic features of oxidation of molybdenum and
tungsten in the atmosphere of air at initial stages of process. The method interference
indications investigates behaviour of molybdenum and tungsten at early stages of their oxidation
in an atmosphere of air.
Kondratovich V.V., Tikhomirov V.P., Strizhenok A.G. Influence of structure of a ceramicmetal alloy on tribological characteristics frictional coupling the electric drive for slide
shift of the rails. Influence of structure is considered and are determined tribological
characteristics ceramic-metal alloy frictional coupling the electric drive for slide shift of the
rails..
Kirillov A. I., Zaitsev D. K., Smirnov E. M., Galaev S. A. Experience of test and parametric
computations of turbulent transonic flows through turbine blade rows.We present the
results of methodical, test, and parametric computations that demonstrate a real possibility of
correct numerical simulation of turbulent gas flows through turbine blade rows on the base of the
Reynolds averaged Navier-Stokes equations. Transonic flows through a row of airfoils are
computed in the framework of 2D steady-state formulation using a general purpose CFD code
under real flow conditions. The loss coefficient, the flow angle, the blade loads and torque are
evaluated from the flow fields obtained.
Buglaev V. T., Kartashov A. L., Perevezentsev V. T. Basis of final honeycomb seals usage
and advisability on nuclear power-station high-powered turbines shaft. There are given
analytical and experimental results of honeycomb ring functioning in structure of nuclear powerstation turbine low-pressure cylinder final seal.
Gogolev I.G., Drokonov A.M., Galushko A.N., Nikolaev A.D. Turbine rotor axial pressure
calculation using the experimental data. The paper offers an improved method of the turbine
rotor axial pressure calculation.
Poroshin V.V., Bogomolov D.Yu., Siromyatnikova A.A. A mathematical model of working
fluid flow in moving metal-metal seals taking into account the 3d surface’s topography.
The paper presents а mathematical model of working fluid flow in moving metal-metal seals
taking into account the 3D surface’s topography. The model is based on the Reynolds equation.
The Reynolds equation is solved by the finite element method. The influence of the surface`s
topography on leakage is characterized by the flow factors. An equation for calculation of
leakage in moving seals is given.
Martynenko A. A., Shkaberin V. A. Use of ontological approach to the intellectual search
system realization in the sphere of cals-, cad-, cam-, cae- technologies. In the article the
problem of realization of intellectual search in the sphere of CALS-,CAD-,CAM-,CAEtechnologies on the basis of ontological approach is viewed.
Averchenkov V. I., Chmihov D. V. Method of surface relief computer reconstruction by
image definition interpretation. In the article a new method of relief solid model computer
reconstruction by means of the analysis of photograph set got during the optical microscopical
investigation of surfaсes is viewed. The suggested method is orientated for the studied surfaces
checking in the sphere of nanotechnologies.
Mikhaylov V.N., Krasnyatov D.S. Application of computer modelling of steel casting "a
frame lateral" for the purpose of revealing of foundry defects. Modelling of steel casting «a
frame lateral» is made. Possible places of occurrence and kinds of foundry defects are revealed.
Recommendations about their elimination are offered.
160
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2008. № 2 (18)
Gracheva N.V. Systematical approach to the construction of macro-regulation model of
innovation investment and general social development. In this work we discuss the problem
of effective implementation of innovation investment development of managing subjects of
contemporary Russian economy. We suggest methodological approach to forming investment
resource out of additional value produced by the managing subjects for their innovation
development and resources coming to the state for fulfilling the general social function.
Shvugova K.B., Sklyar E.N. Innovative approach to management social restructuring on
industrial enterprise. Basic questions, touching forming of the program of the social
restructuring on an industrial enterprise, are examined: maintenance of the basic stages of the
social restructuring opens up on an industrial enterprise, the method of estimation of social
environment of organization is offered with the use of matrix of SWOT-analysis.
Averchenkov V.I., Malachov Y.A. The Forming of competences in the area of the
intellectual property’s protection by students of engineering specialities. The article
considers the questions of forming of competences in the area of the intellectual property’s
protection by students, who are studying in Engineering Universities.
Syakina G.E. Forming of students’ knowledgeable abilities by the means of physical
education. The questions of forming students’ knowledgeable abilities by the means of physical
education have been viewed, the system of pedagogical ways of developing the studying and the
results of the experiment have been represented.
Vorontsova Yu.A. Methods of teaching consecutive translation from foreign language
(english). There is considered one of techniques of mastering skills of consecutive translation by
means of introducing an individual approach to training students of various levels of knowing a
foreign language. There is analyzed the plan of work with tasks of different complexity levels,
their influence on developing skills of students’ consecutive translation.
Reveko L.S. Abbreviation as the way of generating lexical innovations in the terminology of
metal-working. There are considered the most common types of abbreviations in the field of
lexical innovations and the reasons for their forming.
Androsenko V. A., Kvitko E. V. On fourfold integrals represented as linear forms for the
values of the Riemann zeta – function. Transformations of quadruple integral have been
considered and its group structure has been obtained.
161
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2008. № 2 (18)
СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРАХ
Аверченков Владимир Иванович, д.т.н., профессор, зав. кафедрой «Компьютерные технологии и системы», засл. деятель науки РФ, проректор по информатизации и международному сотрудничеству БГТУ.
Андросенко Валентина Александровна, ассистент кафедры «Высшая математика»
БГТУ.
Бишутин Геннадий Александрович, к.т.н., доцент кафедры «Управление качеством,
стандартизация и метрология» БГТУ.
Бишутин Сергей Геннадьевич, д.т.н., профессор кафедры «Триботехнология» УНТИ
БГТУ.
Богданов Роман Александрович, ассистент кафедры «Машины и технология литейного
производства» БГТУ.
Богомолов Дмитрий Юрьевич, к.т.н., доцент МГИУ.
Буглаев Владимир Тихонович, д.т.н., профессор кафедры «Тепловые двигатели» БГТУ,
засл. деятель науки и техники РФ.
Воронцова Юлия Александровна, к. п. н., доцент кафедры «Иностранные языки» БГТУ.
Галаев Сергей Александрович, к.т.н., доцент кафедры «Теоретические основы теплотехники» ГОУ «СПбГПУ».
Гоголев Иван Григорьевич, д.т.н., профессор кафедры «Тепловые двигатели» БГТУ.
Голушко Андрей Николаевич, студент спец. «Газотурбинные, паротурбинные установки
и двигатели» БГТУ.
Горшунова Валентина Павловна, к.х.н., доцент кафедры «Технология и обеспечение
гражданской обороны в чрезвычайных ситуациях» ВГТУ.
Грачева Наталья Викторовна, к.э.н., доцент кафедры «Экономика и менеджмент» БГТУ.
Дроконов Алексей Михайлович, к.т.н., профессор кафедры «Тепловые двигатели»
БГТУ.
Ерохин Виктор Викторович, к.т.н., доцент, докторант кафедры «Технология машиностроения» УНТИ БГТУ.
Зайцев Дмитрий Кириллович, к. ф.-м. н., доцент кафедры «Гидроаэродинамика» ГОУ
«СПбГПУ».
Иващенков Юрий Михайлович, аспирант кафедры «Машины и технология литейного
производства» БГТУ.
Илюшкин Дмитрий Алексеевич, аспирант кафедры «Машины и технология литейного
производства» БГТУ.
Карелин Сергей Валентинович, директор металлургического производства ЗАО «УК
«БМЗ».
Карпенков Алексей Иванович, технический директор ООО «Центр технических средств
профилактики и реабилитации инвалидов».
Карташов Алексей Леонидович, к.т.н., начальник филиала ООО «Мострансгаз» Брянского ЛПУ.
Квитко Евгения Викторовна, студентка спец. «Математическое обеспечение и администрирование операционных систем» БГТУ.
Кириллов Александр Иванович, д.т.н., профессор кафедры «Теоретические основы теплотехники» ГОУ «СПбГПУ».
Кондратович Вадим Валентинович, соискатель кафедры «Детали машин» БГТУ.
Краснятов Дмитрий Сергеевич, аспирант кафедры «Машины и технология литейного
производства» БГТУ.
162
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2008. № 2 (18)
Кульбовский Иван Кузьмич, д.т.н., профессор, зав. кафедрой «Машины и технология
литейного производства» БГТУ.
Лагерев Александр Валерьевич, д.т.н., профессор, зав. кафедрой «Подъемнотранспортные машины и оборудование», ректор БГТУ.
Лагерев Игорь Александрович, студент спец. «Динамика и прочность машин» БГТУ.
Малахов Юрий Антонович, к.т.н., доцент кафедры «Компьютерные технологии и системы» БГТУ.
Мартыненко Алексей Александрович, аспирант кафедры «Компьютерные технологии и
системы» БГТУ.
Матлахов Виталий Павлович, аспирант кафедры «Триботехнология» УНТИ БГТУ.
Михайлов Вадим Николаевич, учеб. мастер кафедры «Машины и технология литейного
производства» БГТУ.
Моисеев Виталий Викторович, аспирант кафедры «Технология машиностроения» УНТИ БГТУ.
Николаев Андрей Дмитриевич, студент спец. «Газотурбинные, паротурбинные установки и двигатели» БГТУ.
Перевезенцев Виктор Тимофеевич, к.т.н., доцент кафедры «Тепловые двигатели» БГТУ.
Поддубный Анатолий Никифорович, д.т.н., профессор кафедры «Машины и технология
литейного производства» БГТУ.
Попов Евгений Владимирович, начальник металлургический лаборатории ООО «ПК
«БСЗ».
Порошин Валерий Владимирович, д.т.н., профессор МГИУ.
Прудников Максим Иванович, ассистент кафедры «Триботехнология» УНТИ БГТУ.
Ревеко Людмила Сергеевна, к. филол. н., доцент, зав. кафедрой «Иностранные языки»
БГТУ.
Скляр Елена Николаевна, к.э.н., доцент кафедры «Экономика и менеджмент» БГТУ.
Смирнов Евгений Михайлович, д. ф.-мат. н., профессор, зав. кафедрой «Гидроаэродинамика» ГОУ «СПбГПУ».
Солдатов Валерий Геннадьевич, к.т.н., доцент кафедры «Машины и технология литейного производства» БГТУ.
Стриженок Александр Григорьевич, к.т.н., профессор кафедры «Детали машин» БГТУ.
Сыромятникова Анна Алексеевна, м.н.с. МГИУ.
Сякина Галина Евгеньевна, к.п.н., доцент кафедры «Физическое воспитание и спорт»
БГТУ.
Тихомиров Виктор Петрович, д.т.н., профессор, зав. кафедрой «Детали машин» БГТУ.
Туркин Дмитрий Александрович, инженер кафедры «Машины и технология литейного
производства» БГТУ.
Цветкова Татьяна Николаевна, к.т.н., доцент кафедры «Технология и обеспечение гражданской обороны в чрезвычайных ситуациях» ВГТУ.
Чмыхов Дмитрий Владимирович, аспирант кафедры «Компьютерные технологии и системы» БГТУ.
Швыгова Карина Владимировна, соискатель кафедры «Экономика и менеджмент»
БГТУ.
Шкаберин Виталий Александрович, к.т.н., доцент кафедры «Компьютерные технологии
и системы» БГТУ, заместитель директора Областного центра новых информационных
технологий.
163
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Александру Владимировичу Хандожко – 50 лет!
Александр Владимирович Хандожко родился 5
мая 1958 г. в г. Челябинске. В 1975 г. с отличием окончил среднюю школу. В 1975-1980 гг. он являлся студентом Брянского института транспортного машиностроения (ныне Брянский государственный технический
университет), который окончил, получив диплом с отличием. После окончания института в 1980-1983 гг. работал на производстве в качестве инженера-технолога
БЗПП (ныне завод «Кремний»). С 1983 г. по настоящее
время работает в БГТУ.
За время учёбы в институте и работы на производстве А.В.Хандожко проявил склонность к научным исследованиям, следствием чего стало его поступление в
аспирантуру в 1985г. Завершив обучение в аспирантуре,
в 1989 г. успешно защитил кандидатскую диссертацию.
В 2000 г. Александр Владимирович поступил в
докторантуру, а в 2002 г. досрочно защитил докторскую
диссертацию.
За
годы
научной
деятельности
А.В.Хандожко внёс большой вклад в развитие научного направления «Инструментальное
обеспечение качества при механической обработке». Он является автором более 50 научных трудов, соавтором «Справочника технолога-машиностроителя».
Вся научная и педагогическая деятельность А.В.Хандожко с 1985 г. тесно связана с
Брянским государственным техническим университетом. С 1988 г. он ассистент кафедры
«Металлорежущие станки и инструменты» («МСиИ»), с 1991 г. – доцент кафедры
«МСиИ», а затем кафедры «Автоматизированные технологические системы» («АТС»). С
2006 г. – заведующий кафедрой «МСиИ».
За время своей педагогической деятельности А.В.Хандожко подготовил рабочие
программы и учебно-методическое обеспечение более чем по 10 дисциплинам.
Александр Владимирович участвует в подготовке научных кадров и активно проводит научную работу со студентами. Под научным руководством А.В.Хандожко защищены
две кандидатские диссертации. Студенческие научные работы, выполненные под его руководством, неоднократно награждались на различных смотрах-конкурсах.
Александр Владимирович пользуется заслуженным авторитетом у коллег по работе и
студентов. Награжден Почетной грамотой Министерства образования Российской Федерации, грамотой Брянской областной думы, неоднократно поощрялся в приказах по БГТУ.
Коллектив учебно-научного технологического института БГТУ сердечно поздравляет Александра Владимировича Хандожко с его замечательным юбилеем. Желаем Вам,
Александр Владимирович, крепкого здоровья, дальнейших больших успехов в научнопедагогической деятельности и долгих плодотворных лет работы по подготовке специалистов для промышленности России.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Почетному профессору БГТУ
Александру Ивановичу Кириллову - 75 лет!
Александр Иванович Кириллов родился 5 июня 1933 г. в
семье выдающегося ученого-турбиниста, профессора И.И. Кириллова. В 1959 г. он окончил Брянский институт транспортного
машиностроения. После окончания вуза работал на машиностроительном заводе и в Лаборатории двигателей АН СССР в
Москве. В 1964 г. окончил аспирантуру в Ленинградском политехническом институте (ныне Санкт-Петербургский государственный политехнический университет), где прошел путь от ассистента до профессора. В 1981 г. защитил докторскую диссертацию, в 1984 г. утвержден в ученом звании профессора. С 1979 по
2004 г. заведовал кафедрой «Теоретические основы теплотехники», в настоящее время – профессор этой кафедры.
А.И.Кириллов – крупный специалист в области газодинамики турбомашин, технической термодинамики и тепломассообмена. Его работы внесли
значительный вклад в исследование течения рабочей среды в лопаточных аппаратах паровых и газовых турбин, тепломассообмена при кипении многокомпонентных жидкостей, в
теорию, расчет и проектирование мощных тепловых турбин, заложили основы научного
направления, связанного с решением системы уравнений газодинамики невязкого газа с
учетом реальных особенностей течения. Им опубликовано 3 монографии, более 100 статей, получено 7 авторских свидетельств на изобретения. Созданная А.И.Кирилловым научная школа объединяет специалистов в области газодинамики и теплообмена в турбомашинах, охватывает широкий спектр теоретических и экспериментальных исследований в
данном направлении, развивает методы вычислительного эксперимента по моделированию трехмерных турбулентных течений в элементах турбомашин. Под руководством
А.И.Кириллова подготовлено более 20 кандидатов и 5 докторов наук.
Результаты исследований А.И.Кириллова и его школы используются на ведущих
предприятиях России: Ленинградском металлическом, Уральском турбомоторном, Калужском турбинном, Брянском машиностроительном и других заводах, в ЛНПО им.
В.Я.Климова. Научные достижения А.И.Кириллова широко известны за рубежами России.
Он читал лекции в университетах Бельгии, Венгрии, Германии, Кубы, Польши, выступал
с докладами на международных конференциях и симпозиумах в Москве, Минске, Гданьске, Брюсселе, Кенджу и др. А.И.Кириллов – член Санкт-Петербургского отделения Международной энергетической академии, член редколлегии журнала «Известия вузов. Энергетика», член оргкомитетов многих международных и всероссийских конференций.
А.И.Кириллов – заслуженный профессор СПбГПУ, в 2000 г. ему присвоено почетное звание «Заслуженный деятель науки Российской Федерации».
Многолетнее творческое содружество связывает А.И.Кириллова с нашим университетом. Профессор А.И.Кириллов неоднократно являлся председателем ГАК специальностей «Газотурбинные, паротурбинные установки и двигатели», «Промышленная теплоэнергетика». В 2004 г. он избран почетным профессором БГТУ.
Редакция журнала «Вестник БГТУ» поздравляет Александра Ивановича Кириллова
с 75-летием, желает ему здоровья и дальнейших творческих успехов.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ПАМЯТИ ПРОФЕССОРА А.А. КАМАЕВА
5 мая на 93-м году ушёл из жизни старейший работник
университета, бывший заведующий кафедрой «Локомотивы»,
доктор технических наук, известный учёный и педагог А.А. Камаев.
Анатолий Алексеевич Камаев родился 21 мая 1915 г. в г.
Омске в семье служащего. Трудовую деятельность он начал в 15
лет учеником слесаря с одновременной учёбой в фабричнозаводском училище. После окончания училища в 1932 г. работал
слесарем электромастерских управления Омской железной дороги. В 1933 г. комсомольская организация мастерских направила А. Камаева на учёбу в Томский электромеханический институт инженеров железнодорожного транспорта. В 1938 г. после окончания с отличием института молодой специалист был
оставлен в вузе для научно-педагогической работы ассистентом. Во время Великой Отечественной войны в 1942 г. А.А. Камаев был направлен в распоряжение Томской железной дороги, где работал инспектором и старшим инспектором группы контроля по паровозному хозяйству локомотивных депо железной дороги. За качественное выполнение работы награждён нагрудным знаком «Ударник сталинского призыва».
В 1944 г. приказом Министерства путей сообщения А.А. Камаев направляется в
Днепропетровский институт железнодорожного транспорта. Работая преподавателем на
кафедре «Паровозное хозяйство», он занимался научно-исследовательской работой в области износа паровозных колёс в зависимости от климатических условий и времени года.
Полученные им новые результаты легли в основу кандидатской диссертации, которую он
успешно защитил в 1947 г.
В 1948 г. А.А. Камаев был избран по конкурсу доцентом Брянского машиностроительного института (впоследствии Брянский институт транспортного машиностроения). В
1953 г. он стал заведующим кафедрой «Паровозостроение» БИТМа. Благодаря его кипучей энергии в институте за короткий период была создана одна из лучших учебных лабораторий, где студенты изучали инженерию паровозного конструирования. Во дворе института был построен участок железной дороги, по рельсам которой бегал действующий
паровоз. В 1956 г. в связи с прекращением выпуска отечественной промышленностью паровозов была закрыта и специальность «Паровозостроение». В 1958 г. началась подготовка инженеров по специальности «Локомотивостроение», была организована соответствующая выпускающая кафедра, которую возглавил доцент А.А. Камаев и которой он бессменно руководил до 1991 г. Трудное становление специальности происходило под его
непосредственным руководством: необходимо было сформировать учебный план специальности, разработать новые курсы, создать учебно-лабораторную базу, организовать и
сплотить одной идеей преподавательский коллектив. Все эти задачи были успешно решены в кратчайшие сроки. На кафедре интенсивно начали проводиться исследования по научному направлению «Моделирование динамики рельсовых экипажей», организатором
которого также стал Анатолий Алексеевич Камаев.
В 1959 г. А.А. Камаев успешно защитил в Ленинградском институте инженеров
железнодорожного транспорта докторскую диссертацию, в основу которой был положен
созданный им оригинальный метод физического моделирования движения железнодорожных экипажей в кривых участках пути. Этот метод рассматривался и оценивался учёными и специалистами как принципиально новое направление в исследованиях динамических процессов, возникающих при движении железнодорожных экипажей. Работы
А.А. Камаева признаны первыми в истории транспортной механики исследованиями на
моделях движения рельсовых экипажей в кривых.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Исследования методом физического моделирования, выполненные на кафедре
«Локомотивостроение» под руководством А.А. Камаева в 1962- 1987 гг., оказали неоценимую практическую помощь конструкторам локомотивов в осмыслении и оценке результатов технического поиска лучших схем и параметров экипажной части локомотивов.
За участие в работе по созданию восьмиосного маневрово-вывозного тепловоза ТЭМ7
А.А. Камаев и коллектив кафедры награждены дипломом Государственного комитета Совета Министров СССР по науке и технике и Всесоюзного центрального совета профсоюзов.
В 1962 г. А.А. Камаеву присвоено учёное звание профессора. Анатолий Алексеевич
в течение многих лет читал курсы «Динамика локомотивов» и «Основы подобия и моделирования». Под его руководством было создано учебно-методическое обеспечение этих
курсов.
А.А. Камаев – соавтор учебного пособия «Конструкция, расчёт и проектирование
тепловозов» (М.: Машиностроение, 1969) и титульный редактор и соавтор учебника
«Конструкция, расчёт и проектирование тепловозов» (М.: Машиностроение, 1981), автор
и соавтор 5 учебных пособий по курсу «Динамика локомотивов». Много и охотно А.А.
Камаев занимался со студентами, передавал им свои знания и большой опыт в научноисследовательской работе. Под его руководством успешно действовали студенческие научно-технические кружки, проводились студенческие научные конференции. Ряд работ
студентов отмечены благодарностями, грамотами, премиями, а одна из них награждена
серебряной медалью ВДНХ СССР.
А.А. Камаев – автор свыше 280 научных трудов, 14 изобретений, под его научной
редакцией
за
период
с
1969
по
1990
г.
опубликованы
14 сборников научных трудов «Вопросы транспортного машиностроения» и «Динамика
подвижного состава».
В 1964 г. профессор А.А. Камаев выступил инициатором развития физикоматематических методов решения транспортных задач механики. За период с 1964 по
1970 г. на кафедре «Локомотивостроение» был создан самый крупный среди транспортных вузов страны центр аналоговых вычислительных машин. Одновременно под руководством А.А. Камаева была сформирована научная школа специалистов в области динамики подвижного состава, которая заслужила признание как в СССР, так и за рубежом. Существенный вклад внёс А.А. Камаев в подготовку научных кадров. С 1964 по 1985 г. им
подготовлены 44 кандидата и 2 доктора технических наук.
А.А. Камаев в течение 5 лет был членом Высшей аттестационной комиссии при
Совете Министров СССР по присуждению учёных степеней и званий, членом специализированных советов БИТМа и ЛИИЖТа по защите кандидатских и докторских диссертаций.
За заслуги перед отечеством, большой вклад в развитие народного хозяйства и научно-педагогическую деятельность А.А. Камаев награждён пятью медалями, а также знаками «За отличные успехи в области высшего образования СССР», «Победитель социалистического соревнования» (1974, 1978 гг.), «Изобретатель СССР», Почётными грамотами
Минвуза СССР и РСФСР, Министерства тяжёлого, энергетического и транспортного машиностроения СССР, Президиума Центрального правления НТО Машпрома, удостоен
Благодарности Президента Российской Федерации.
Светлая память о видном учёном и педагоге, наставнике молодёжи на долгие годы
сохранится в сердцах многих поколений студентов и научно-педагогических работников.
Зав. кафедрой «Локомотивы» БГТУ,
проф., д-р техн. наук, ученик А.А. Камаева
Г.С. Михальченко
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа