close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

294.Вестник Брянского государственного технического университета №3 2012

код для вставкиСкачать
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ВЕСТНИК
БРЯНСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО
ТЕХНИЧЕСКОГО УНИВЕРСИТЕТА
Научно-технический журнал
Издается с февраля 2004 г.
Периодичность – 4 номера в год
№ 3 (35) 2012
Журнал включён в Перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, в которых
должны быть опубликованы основные научные результаты диссертаций на соискание ученых
степеней кандидата и доктора наук
Учредитель и издатель – Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального
образования «Брянский
государственный технический
университет»
Редакционная коллегия:
Главный редактор
А.В.Лагерев, д.т.н., проф.
Зам. гл. редактора
С.П.Сазонов, к.т.н., доц.
Отв. секретарь
В.А.Татаринцев, к.т.н., доц.
Члены редколлегии
В.И.Аверченков, д.т.н., проф.
В.Т.Буглаев, д.т.н., проф.
О.А.Горленко, д.т.н., проф.
Д.В.Ерохин, к.э.н., доц.
Б.Г.Кеглин, д.т.н., проф.
В.В.Кобищанов, д.т.н., проф.
В.И.Попков, к.т.н., доц.
А.Ф.Степанищев, д.ф.н., доц.
О.Н.Федонин, д.т.н., доц.
Г.А.Федяева, д.т.н., доц.
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, 2012
СОДЕРЖАНИЕ НОМЕРА
Машиностроение и транспорт
Кочевинов Д. В., Федяева Г. А. Система управления
электропривода передвижения мостового крана……..
Лагерев А.В., Лагерев И.А, Короткий А.А., Панфилов А.В. Концепция инновационной системы городского транспорта «Канатное метро города Брянска»……………………………………………………….
Евдокимов Е. Г., Болдырев Д.А., Сканцев В.М.,
Чапкова Ю.В.
Электронное строение элементов
в расплавах железа: виды межатомных связей и электронных конфигураций в металлических расплавах…………………………………………………………
Андриянов А.И. , Глазун П.И. Матричный преобразователь частоты с четырехпроводной схемой подключения нагрузки………………………………………
Ритенман В.И. Проведение испытаний модернизированного электропривода стрелочного типа СП-6М на
безотказность и ремонтопригодность………………….
Ефимова Г.В., Королькова Т.В. Методика оценки
результативности и эффективности процессов метрологического обеспечения в СМК предприятия………..
Степошина С.В. Разработка алгоритма для автоматизации выбора режима поверхностного пластического
деформирования поверхностей стальных деталей……
Болдырев А.П., Гапчин Р.Б. Совершенствование
математических моделей эластомерных поглощающих аппаратов для вагонов-цистерн…………………...
4
12
16
23
29
41
51
57
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 3(35)
Измеров М.А., Тихомиров В.П. Адекватность модели и реальной поверхности…..
Лачин В.И. , Плотников Д.А. Экспериментальное исследование метода повышения точности интеллектуального датчика вибрации……………………………………
Порошин В.В., Аносова А.А., Богомолов Д.Ю. Модельные эксперименты по расчету утечек сплошной среды в прецизионных соединениях с учетом реальной микротопографии поверхности……………………………………………………………….
Буглаев В.Т., Перевезенцев В.Т., Шилин М.А. Экспериментальное исследование
гидравлических сопротивлений в канале с сотовой структурой………………………
Вычислительная техника
и информационные технологии
Лозбинев Ф.Ю. Развитие телекоммуникационной основы формирования электронного правительства в Брянской области…………………………………………………
Рябцев Е.Н. Методы расчета минимально необходимых параметров программируемого логического контроллера для систем автоматического управления технологическим оборудованием……………………………………………………………….
Мирошников В.В., Ефимова Г.В., Королькова Е.В. Математическая модель
улучшения системы менеджмента качества организации……………………………...
Сапкина Е. А. Математическое моделирование кризисных ситуаций в сложной
самоорганизующейся социальной системе………………………………………………
Экономика и менеджмент
Горбов Н. М., Ерохин Д.В., Горностаева А.Н., Шаховская А.А. Разработка и
обоснование методики расчета готовности персонала к инновациям на промышленном предприятии…………………………………………………………………………..
Мирошников В.В., Борбаць Н.М., Дементьева Т.П. Комплексный метод многоуровневого FMEA-анализа в системе менеджмента качества организации………….
Павловская И.В. Управление качеством продукции и процессов с использованием
ранжирующих измерительных систем…………………………………………………..
64
72
78
84
90
94
101
111
114
121
130
Abstracts……………………………………………………………………………………
135
Сведения об авторах……………………………………………………………………..
138
2
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 3(35)
CONTENTS
Mechanical engineering and transport
Kochevinov D. V., Fedyaeva G. A. Control system for electric movement bridge crane...
Lagerev A.V., Lagerev I.A., Korotkiy A.A., Panfilov A.V. Innovation transport system
«Bryansk rope metro»………………………………………………………………………
Evdokimov E.G., Boldyrev D.A., Skantsev V.M., Chapkova J.V. Research of the electronic structure of elements in liquid melt. Kinds of internuclear communications and
electronic configurations in molten metal…………………………………………………..
Andriyanov A.I., Glazun P.I. Matrix frequency converter with four-wire connection to
the load……………………………………………………………………………………...
Ritenman V.I. Carrying out of tests of the modernized electric drive signal of type of SP6M on the reliability and maintainability…………………………………………………...
Efimova G.V., Korolkova T.V. Technique of the estimation of productivity and efficiency of processes of measurement assurance in the system of quality management the enterprises………………………………………………………………………………………...
Steposhina S.V. Developing an algorithm to automate the selection of surface plastic deformation mode surface of steel parts………………………………………………………
Boldyrev A.P., Gapchin R.B. Perfection of mathematical models of elastomeric shock
absorbers for tank wagons………………………………………………………………….
Izmerov M.A., Tikhomirov V.P. Adequacy of model and real surface…………………..
Lachin V.I., Plotnikov D.A. Experimental research of accuracy increasing method for
smart vibration sensors……………………………………………………………………...
Poroshin V.V., Anosova A.A., Bogomolov D.G. The model experiments of leakage calculations in seals considering its’ real surface topography………………………………..
Buglaev V.T., Perevezencev V.T., Shilin M.A. Experimental research hydraulic losses
in the channel with honeycomb structure…………………………………………………..
Сomputer engineering and information technology
Lozbinev F.Y. Development of the telecommunication basis of the electronic government
in Bryansk region……………………………………………………………………………
Ryabtsev E.N. Methods for performance calculation of programmable logic controller for
automatic control systems of technological equipment……………………………………
Miroshnikov V.V., Efimova G.V., Korolkova E.V. Mathematical model of improvement of system of quality management of the organization……………………………….
Sapkina E. A. Mathematical modeling of crisis situations in difficult to social system…
Economics, production organization and management
Gorbov N.M., Erokhin D.V., Gornostaeva A. N., Shakhovskaya A.A. Elaborating and
giving proof of staff readiness to innovation in industry calculating methodology………..
Miroshnikov V.V. , Borbact N.M. , Dementeva T.P. Complex method of multilevel
fmea-analysis in the system of quality management organization………………………….
Pavlovskaya I. Attribute Measurement Systems for quality control of products and processes…………………………………………………………………………………….
Abstracts …………………………………………………………………………………...
3
4
12
16
23
29
41
51
57
64
72
78
84
90
94
101
111
114
121
130
138
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 3(35)
МАШИНОСТРОЕНИЕ И ТРАНСПОРТ
УДК 621.874
Д. В. Кочевинов, Г. А. Федяева
СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДА ПЕРЕДВИЖЕНИЯ
МОСТОВОГО КРАНА 1
Предложен способ ограничения перекоса и поперечного смещения мостового крана с целью повышения
срока службы колес и подкрановых рельсов. Приведены структурная схема системы управления, описание
электромеханической модели крана, а также результаты моделирования, подтверждающие эффективность
разработанной системы.
Ключевые слова: мостовой кран, системы управления электроприводов, перекос, поперечное смещение,
блок коррекции, бесконтактные датчики, электромеханическая модель.
Одной из основных проблем, возникающих при эксплуатации тяжелых мостовых
кранов, является перекос фермы моста относительно подкрановых путей, неизбежно возникающий в процессе работы крана. Перекос, являясь, по сути, поворотом крана относительно вертикальной оси, сопровождается обычно поперечным смещением и обусловлен
следующими факторами: 1) разбросом параметров оборудования (электродвигателей, передаточных механизмов, пускорегулирующей аппаратуры); 2) технологической разницей
между диаметрами крановых колес; 3) переменным характером взаимодействия колес с
подкрановыми рельсами; 4) несимметричной нагрузкой на опоры крана; 5) колебаниями
груза. Перекос и поперечное смещение моста относительно направления движения, в
свою очередь, вызывают контакт реборд крановых колес с рельсами. Реборды, воспринимая нагрузку, ограничивают дальнейшее смещение крана. Тем самым предотвращается
сход крана с рельсов. При этом в точках контакта реборд с рельсами возникает процесс
трения скольжения, что способствует сокращению срока службы как крановых колес
(вследствие интенсивного износа реборд), так и подкрановых путей. Из-за сокращения
срока службы ходовой части снижается коэффициент использования оборудования, увеличиваются расходы на содержание и ремонт крана.
Для ограничения перекоса и снижения негативных последствий, вызванных взаимодействием реборд с рельсами, применяются различные системы синхронизации [1;2]. Такие системы в автоматическом режиме поддерживают равенство друг другу скоростей
приводных электродвигателей в пуско-тормозных режимах. При длительном установившемся движении синхронизация выполняется неэффективно. Кроме того, требуется установка дополнительного оборудования (электродвигателей, трансформаторов), значительно увеличивающая потребляемую мощность по сравнению с расчетной мощностью электропривода, а также стоимость системы в целом.
Существуют также системы ограничения перекоса, основанные на сравнении абсолютных перемещений опор крана [3]. Перемещение каждой опоры измеряется с помощью
прижимного ролика, на валу которого установлен энкодер. Ролик прижимается к ведомому колесу с целью исключения проскальзывания приводных колес относительно рельсов.
Перед началом работы специальное приспособление позволяет определить радиус ролика.
Система построена таким образом, что число импульсов энкодера пропорционально линейному перемещению опоры независимо от диаметра колеса. Исходя из разности пере1
РФ,
Исследования выполнены в рамках государственного задания Министерства образования и науки
НИР № 06/62 «Прогнозирование динамических процессов в электромеханотронных системах».
4
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 3(35)
мещений опор крана формируется корректирующий сигнал, который вычитается из сигнала задания скорости опережающей опоры и суммируется с сигналом задания скорости
отстающей опоры. При данном подходе точность измерения линейного перемещения опоры определяется точностью измерения радиуса прижимного ролика. Учитывая особенности конструкции устройства (пружина, соленоид, реостат, подвижный контакт), добиться
высокой точности измерения будет непросто. Даже небольшая погрешность с течением
времени приведет к накоплению ошибки и, как следствие, перекосу моста.
Основным недостатком рассмотренных систем является то, что для ограничения перекоса используется информация о косвенных величинах (скорость, перемещение), которые не определяют однозначно положение крана относительно рельсов. Процессы, происходящие при движении крана, весьма сложны и обусловлены многими факторами, учесть
которые при измерении косвенных величин практически невозможно, - это крип, кривизна рельсов, начальная установка крана и т.д. Другими словами, такие системы не реагируют непосредственно ни на перекос, ни на поперечное смещение моста.
Известны системы, непосредственно фиксирующие перекос крана с последующей
его коррекцией [4-6]. Указанные ограничители содержат пороговые датчики различного
принципа действия (бесконтактные, механические контактные), срабатывающие при достижении заданного предельного положения опоры относительно рельса. Выходы датчиков включены в систему управления привода передвижения крана. В зависимости от комбинации сработавших датчиков происходит корректировка, заключающаяся в замедлении
забегающей вперед опоры. Общим недостатком систем в [4;5] является нечувствительность к поперечному смещению крана, а также сложная конструкция датчиков. Недостатками устройства в [6] являются: низкая надежность из-за большого числа коммутационной аппаратуры, необходимость применения асинхронных электродвигателей с фазным
ротором, дополнительные потери энергии в резисторах, коррекция перекоса относительно
только одного из рельсов подкранового пути.
Целью данной работы является разработка и исследование на основе моделирования
системы управления электропривода передвижения мостового крана, обеспечивающей
непрерывную корректировку положения моста относительно рельсов таким образом, чтобы исключить контакт реборд крановых колес с рельсами во всех режимах работы крана.
При этом управление основывается на непосредственной идентификации перекоса и бокового смещения.
Для определения положения крана относительно рельсов используются четыре бесконтактных датчика, измеряющие расстояния до рельсов вблизи каждого из крановых колес. Датчики Д1, Д2, Д3, Д4 закреплены на раме крана так, как показано на рис. 1. Это позволяет с заданной точностью идентифицировать положение крана, учитывая как его перекос, так и поперечное смещение.
Рис.1. Схема расположения бесконтактных датчиков:
5
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 3(35)
М1 и М2 - электродвигатели левой и правой опор соответственно
Информация от датчиков поступает в систему управления электропривода передвижения крана, где после соответствующей обработки полученных данных формируется
корректирующее воздействие.
На рис. 2 представлена структурная схема системы управления электропривода механизма передвижения мостового крана с двигателями постоянного тока (возможно также
использование частотно-регулируемого электропривода на базе асинхронных двигателей
с короткозамкнутым ротором). Сигнал задания скорости U ЗС поступает с пульта управления из кабины крана на задатчик интенсивности ЗИ, служащий для ограничения предельных ускорений привода при разгоне или торможении. Напряжения на якоре электродвигателей постоянного тока М1 и М2 изменяются пропорционально управляющим сигналам
U у1 и U у2 преобразователей UZ1 и UZ2. Функции сбора информации с датчиков расстояния, обработки данных и формирования сигналов коррекции выполняет блок коррекции
перекоса БКП. Сигналы коррекции U k1 и U k2 поступают в сумматор, где вычитаются из
сигнала U ЗС ’. Так как в каждый момент времени активным может быть только один сигнал коррекции, корректирующее воздействие сводится к уменьшению напряжения на одном из электродвигателей, что приводит к замедлению соответствующей опоры. При этом
также учитывается текущее направление движения крана (сигнал sign(ω)), так как для эффективного устранения перекоса при различных направлениях движения требуются разные корректирующие воздействия. В случае когда кран остановлен и скорости опор равны
нулю, сигналы коррекции всегда отсутствуют, независимо от того, как кран расположен
на рельсах.
Рис. 2. Структурная схема системы управления
электропривода передвижения крана
Положение крана определяется по дифференциальным значениям, получаемым путем вычисления разности показаний бесконтактных датчиков, измеряющих расстояния от
мест их установки до рельсов, в соответствии с формулами
Δ 12 =L Д1 - L Д2 ,
Δ 34 = L Д3 - L Д4 ,
где Δ 12 , Δ 34 – дифференциальные значения; L Д1 , L Д2 , L Д3 , L Д4 – показания датчиков Д 1 , Д 2 ,
Д 3 , Д 4 соответственно. Диапазон изменения - [0… L Дi max ].
Это позволяет однозначно идентифицировать перекос крана и его поперечное смещение относительно подкрановых путей. Каждая из величин Δ 12 и Δ 34 может принимать
6
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 3(35)
три группы значений: отрицательные, положительные и ноль. В случае отрицательного
значения имеет место смещение соответствующей оси влево, при положительном значении – вправо. При нулевом значении Δ смещение отсутствует – колеса расположены практически симметрично относительно рельсов. Всего возможно 32=9 различных комбинаций
Δ 12 и Δ 34 . С учетом двух возможных направлений движения крана общее число возможных комбинаций достигает 32∙2=18, каждая из них требует определенного корректирующего воздействия. При неподвижном состоянии моста сигналы коррекции отсутствуют
(равны нулю) независимо от значений Δ 12 и Δ 34 . В таблице представлено описание всех
возможных положений крана с указанием корректирующих воздействий в зависимости от
направления движения.
Таблица
Идентификация положения крана относительно рельсов
и определение корректирующего воздействия
0
0
Направление
движения
крана
Вперед
+
0
Вперед
–
0
Вперед
0
+
Вперед
+
+
Вперед
–
+
Вперед
0
–
Вперед
+
–
Вперед
–
–
Вперед
0
0
Назад
+
0
Назад
–
0
Назад
0
+
Назад
+
+
Назад
–
+
Назад
0
–
Назад
+
–
Назад
–
–
Назад
Любое
Любое
0
Значения Δ
Δ 12
Δ 34
Положение мостового крана
относительно рельсов.
Корректирующее воздействие
Перекос отсутствует
Перекос вправо. Необходимо снизить
скорость левой опоры (двигатель М 1 )
Перекос влево. Необходимо снизить
скорость правой опоры (двигатель М 2 )
Перекос влево. Необходимо снизить
скорость правой опоры (двигатель М 2 )
Боковое смещение крана вправо.
Необходимо снизить скорость
левой опоры (двигатель М 1 )
Перекос влево. Необходимо снизить
скорость правой опоры (двигатель М 2 )
Перекос вправо. Необходимо снизить
скорость левой опоры (двигатель М 1 )
Перекос вправо. Необходимо снизить
скорость левой опоры (двигатель М 1 )
Боковое смещение крана влево.
Необходимо снизить скорость
правой опоры (двигатель М 2 )
Перекос отсутствует
Перекос вправо. Необходимо снизить
скорость правой опоры (двигатель М 2 )
Перекос влево. Необходимо снизить
скорость левой опоры (двигатель М 1 )
Перекос влево. Необходимо снизить
скорость левой опоры (двигатель М 1 )
Боковое смещение крана вправо.
Необходимо снизить скорость
левой опоры (двигатель М 1 )
Перекос влево. Необходимо снизить
скорость левой опоры (двигатель М 1 )
Перекос вправо. Необходимо снизить
скорость правой опоры (двигатель М 2 )
Перекос вправо. Необходимо снизить
скорость правой опоры (двигатель М 2 )
Боковое смещение крана влево.
Необходимо снизить скорость
правой опоры (двигатель М 2 )
Мост крана находится в неподвижном
состоянии. Сигналы коррекции отсутствуют
7
Активный
корректирующий
сигнал
Uk1
Uk2
Uk2
Uk1
Uk2
Uk1
Uk1
Uk2
-Uk2
-Uk1
-Uk1
-Uk1
-Uk1
-Uk2
-Uk2
-Uk2
-
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 3(35)
Значение корректирующего воздействия рассчитывается пропорционально максимальной из величин Δ 12 и Δ 34 по формуле
U k =k∙max(Δ 12 ; Δ 34 ),
где U k – значение корректирующего воздействия; k – коэффициент пропорциональности,
который выбирается в зависимости от уровней сигналов и заданного максимального допустимого смещения крана.
Для исследования динамических характеристик и отработки алгоритма управления,
обеспечивающего бесперекосное движение мостового крана, разработана его электромеханическая компьютерная модель, состоящая из двух подсистем.
Подсистема № 1 включает в себя собственно механическую модель мостового крана,
выполненную в программном комплексе «Универсальный механизм» [7]. ПК «Универсальный механизм» (далее «УМ») предназначен для моделирования динамики и кинематики плоских и пространственных механических объектов. Механизмы в «УМ» описываются как системы твердых тел, шарниров и силовых элементов. Каждому телу назначается соответствующий трехмерный графический образ, созданный в графическом редакторе
«УМ». Это позволяет визуально наблюдать анимацию работы модели. При этом также
возможно построение и последующая обработка временных диаграмм различных переменных состояния: перемещений, скоростей, ускорений, сил.
Мостовой кран представлен системой связанных тел с заданными инерционными
параметрами (рис. 3). Тела соединены друг с другом с помощью различного рода шарниров, которые, в свою очередь, задают положение и возможные перемещения тел. Так, рама
крана имеет все шесть степеней свободы. К раме неподвижно крепятся кабина и площадка
для обслуживания цеховых троллеев. Балансирные тележки соединены с рамой с помощью вращательных шарниров с одной степенью свободы. Таким же образом с балансирами соединены крановые колеса. Тележка
имеет одну степень свободы относительно
рамы и может перемещаться вдоль пролета
между концевыми балками. Груз представляет собой физический маятник, который может совершать пространственные колебания
относительно точки крепления каната к теРис. 3. Модель мостового крана в «УМ».
лежке.
ПК «УМ» позволяет моделировать динамику взаимодействия колес с рельсами, учитывая происходящие при этом сложные
процессы. Для этого в программе имеются средства задания профилей колес и рельсов, а
также вертикальных и поперечных неровностей подкрановых путей.
Прототипом данной модели служит мостовой кран для транспортировки слябов, выпускаемый и эксплуатируемый на одном из металлургических предприятий Украины. Вес
крана составляет 120 т. Номинальная грузоподъемность – 70 т. Размеры модели выполнены в соответствии с документацией на кран.
Подсистема №2 включает математическое описание системы управления электропривода передвижения мостового крана, выполненное средствами пакета Matlab Simulink
(рис. 4).
Рассматриваемый мостовой кран оснащен электродвигателями постоянного тока
Д810, модели которых представлены блоками D1 и D2. Функции коррекции перекоса выполняет блок BKP, представляющий собой логическую реализацию таблицы. Также в систему входят модели преобразователей UZ1 и UZ2 и задатчика интенсивности ZI.
Подсистемы № 1 и 2 объединяются в общую интегрированную модель мостового
крана. Совмещение реализуется посредством включения модели механической подсисте-
8
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 3(35)
мы крана, выполненной в «УМ», в модель электрической подсистемы, разработанную в
Matlab Simulink, с помощью S-функции (рис. 4). В процессе расчета обе подсистемы обмениваются данными, составляя единую электромеханическую модель [7]. Так, из Matlab
в «УМ» передаются значения электромагнитных моментов двигателей М1 и М2. В свою
очередь из «УМ» в Matlab передаются скорости колес, а также скорость и перемещение
моста в направлении движения, угол поворота рамы относительно вертикальной оси, силы
реакции, смещения колес относительно рельсов. При этом на каждом шаге моделирования
осуществляется синхронизация обеих подсистем.
Рис. 4. Модель системы управления электропривода передвижения мостового крана в Matlab Simulink
На рис. 5-7 представлены результаты моделирования движения мостового крана для
следующих режимов работы:
• плавный пуск (t=0…10 с), реализуемый с помощью задатчика интенсивности;
• движение с установившейся номинальной скоростью υ=1,2 м/с (t=10…100 с).
Моделирование выполнено для случаев с отсутствием коррекции и с коррекцией перекоса. В модель крана не вводился разброс параметров. Электрические и механические
параметры обеих опор идентичны друг другу. Несимметрию в рассматриваемой модели
создает положение кабины и площадки для обслуживания цеховых троллеев, которые
расположены на противоположных опорах и имеют разные инерционные параметры (рис.
3). Масса кабины составляет 1740 кг, масса площадки – 200 кг. Нагрузка на левую опору
больше, поэтому она отстает от правой опоры, что при отсутствии коррекции вызывает
перекос влево (рис. 5, кривая phi1) и боковое смещение крана в левую сторону (рис. 6,
кривая l1). При t ≈ 29 с. происходит контакт реборд с рельсами, посредством которого
прекращается смещение крана в поперечном направлении, уменьшается также и перекос.
Но дальнейшее движение крана сопровождается непрерывным трением реборд о подкрановые рельсы.
9
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 3(35)
Рис. 5. Временная диаграмма угла поворота крана
относительно вертикальной оси: phi1 – без коррекции; phi2 – с коррекцией
Рис. 6. Временная диаграмма поперечного смещения крана:
l1 – без коррекции; l2 – с коррекцией
Рис. 7. Временная диаграмма корректирующих сигналов Uk1 и Uk2
При управлении с коррекцией БКП в каждый момент времени формирует корректирующие сигналы Uk1 и Uk2 таким образом, чтобы ограничить смещение крана и вернуть
его в симметричное положение относительно рельсов. В данном случае в установившемся
режиме движения активным является сигнал Uk2 (рис. 7), который, вычитаясь из сигнала
задания на скорость опережающей правой опоры, способствует замедлению последней.
Скорости обеих опор устанавливаются так, что происходит существенное ограничение
перекоса крана (рис. 5, кривая phi2) и его поперечного смещения (рис. 6, кривая l2). При
этом в процессе дальнейшего движения не зафиксировано ни одного контакта реборд с
рельсами.
Достоверность полученных результатов обеспечивается поэтапной проверкой отдельных режимов электрической и механической подсистем (в частности, удовлетворительным совпадением результатов моделирования номинального режима двигателя Д810
со справочными данными, удовлетворительным совпадением распределения вертикальных нагрузок на колеса крана, полученных при моделировании, с результатами аналитического расчета статического режима), а также использованием хорошо себя зарекомендовавших промышленных программных комплексов.
10
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 3(35)
По работе можно сделать следующие выводы:
1. Перекос крана в процессе работы неизбежен и возникает постоянно. Даже если
пренебречь разбросом параметров электродвигателей и передаточных механизмов противоположных опор, нагрузка на них будет разной из-за особенностей конструкции мостовых кранов. В данном случае по указанной причине контакт реборд с рельсами происходит уже на 29-й секунде движения крана.
2. При достижении максимального поперечного смещения перекос несколько снижается. Однако дальнейшее движение крана при этом сопровождается трением реборд о
рельсы, т. е. бесперекосное движение не может гарантировать отсутствие контакта. Для
полного контроля необходимо учитывать также и поперечное смещение.
3. Предлагаемая система управления позволяет ограничить нагрузки на ходовую
часть мостового крана путем полного исключения контакта реборд с рельсами. Коррекция
выполняется как по перекосу, так и по поперечному смещению. При этом также учитывается направление движения крана, что позволяет обеспечить корректировку положения
крана во всех режимах работы.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Теличко, Л.Я. Снижение динамических нагрузок в ферме моста крана при помощи «электрического вала» / Л.Я. Теличко, А.А. Дорофеев, С.Г. Букарев // II Международная выставка-интернет-конференция,
посвященная 50-летию ОАО «Орелэнерго» и 10-летию кафедры «Электроснабжение» / Орл. гос. аграр.
ун-т. – 2007.
2. Теличко, Л.Я. Модель двухдвигательного асинхронного электропривода / Л.Я. Теличко, А.А. Дорофеев //
Электротехнические комплексы и системы управления. – 2008. – №4. – С. 23-28.
3. Щедринов, А.В. Система ограничения перекоса мостового крана на основе сравнения абсолютных перемещений опор / А.В. Щедринов, А.А. Коврыжкин // Электротехнические комплексы и системы управления. – 2008. – №2. – С. 76-80.
4. А. с. 998307 СССР, МПК5 В66 С9/16. Ограничитель перекоса опор крана мостового типа / М.М. Рунов,
В.И. Жильцов (СССР). – №3336582/29-11; заявл. 18.09.81; опубл. 23.02.83. Бюл. №7. – 2 с.: ил.
5. Пат. 2061645 Российская Федерация, МПК6 В66 С9/16. Ограничитель перекоса опор крана мостового
типа / Чирков А.Н., Чирков Ю.А.; заявитель и патентообладатель Оренбург. политехн. ин-т. –
№93032644/11; заявл. 21.06.93; опубл. 10.06.96.
6. Пат. 2405735 Российская Федерация, МПК В66 С9/16. Устройство для направления движения мостового
крана / Шилов А.А. – №2009124802/11; заявл. 29.06.09; опубл. 10.12.10.
7. www.umlab.ru.- Официальный сайт лаборатории вычислительной механики БГТУ.
Материал поступил в редколлегию 11.05.12.
11
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 3(35)
УДК 625.54, 625.57
А.В. Лагерев, И.А. Лагерев, А.А. Короткий, А.В. Панфилов
КОНЦЕПЦИЯ ИННОВАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ ГОРОДСКОГО ТРАНСПОРТА
«КАНАТНОЕ МЕТРО ГОРОДА БРЯНСКА»
Предложена концепция инновационной системы городского транспорта, представляющей собой адаптированную для городских условий канатную дорогу. Разработаны схемы развития сети канатного метро в Брянске.
Ключевые слова: канатное метро, пассажирские канатные дороги, канатный транспорт.
Рост объемов автомобильных перевозок сопровождается увеличением количества
автомобилей на дорогах. В 2004 году в Брянске было зарегистрировано 53 049 единиц автотранспортных средств, в 2007 году – 66 819 единиц, в 2008 – 77 429 единиц, а на 1 февраля 2009 года – 83 609 единиц. По прогнозам, к 2015 году ожидается увеличение численности легковых автомобилей на 34 %, грузовых автомобилей – на 38 %, автобусов – на 20
%. В связи с этим на основных транспортных магистралях города возникают пробки, растет количество дорожно-транспортных происшествий.
Сложившаяся транспортная инфраструктура Брянска осложняется тем, что территория города имеет значительную площадь, а четыре района отделены друг от друга реками
Десной и Болвой, железнодорожными путями, через которые проложены мосты и путепроводы. Вследствие несовершенства планировочной структуры магистральная сеть центра Брянска сильно перегружена транзитными транспортными потоками. В часы «пик»
скорость передвижения автомашин не превышает 20 км в час.
Поэтому актуальны вопросы разработки и внедрения инновационных систем городского пассажирского транспорта. В настоящее время помимо непрерывного совершенствования традиционных видов транспорта развиваются его альтернативные виды, в частности, пассажирские канатные дороги (ПКД).
Пассажирские канатные дороги относятся к непрерывным видам транспорта. Непрерывный транспорт обладает рядом преимуществ по сравнению с транспортом циклического
действия: меньшая протяженность трасс, высокий уровень механизации и автоматизации
транспортного процесса, высокая производительность транспортных установок, высокая
экологичность [1].
В настоящее время ПКД используется как основной вид транспортной инфраструктуры
в горноклиматических зонах и туристических комплексах, являясь, как правило, узловым
звеном транспортных систем.
Технической особенностью конструкции ПКД является подвижный состав (вагоны,
кабины, гондолы), перемещаемый на некотором расстоянии от поверхности земли по
стальным канатам, что позволяет соединять конечные пункты по кратчайшему расстоянию и переходить через преграды высотой до 100 метров. Бесперебойная работа ПКД
практически не зависит от погодных условий, за исключением сильного ветра (свыше 25
м/с). В условиях плотной городской застройки, пересеченной или горной местности этот
вид транспорта является единственно возможным видом логистической связи в урбанистическом пространстве по перевозке пассажиров с минимальными затратами времени.
На 2011 г. в России эксплуатируется всего 300 канатных дорог (из них пассажирских
– 121) и 3 фуникулера. В европейских странах канатные транспортные системы получили
большее распространение. В Австрии их более 2500, во Франции – более 4000, в Италии –
более 3000, в Швейцарии – более 2000. Для таких крупных городов, как Лондон, Милан,
Барселона, Каир, Каракас разработаны проекты подвесных пассажирских канатных дорог.
Их цель – снижение нагрузки на пассажирский транспорт в застроенной деловой части
12
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 3(35)
города. Проект в Милане предусматривал постройку дороги в виде замкнутого кольца
общей длиной 9 километров с пролетами 650 метров. В качестве опор предлагаются башни-гаражи высотой 70-75 метров. На дороге должны были курсировать 136 вагонов. При
вместимости вагона 50 человек и скорости движения 7 м/с, пропускная способность системы – 16 тыс. пасс./ч [2].
Для решения транспортных проблем разработана концепция развития сети канатного
метро в г. Брянск (рис. 1). Это даст возможность свести к минимуму воздействие на окружающую среду и обеспечить высокий уровень комфортности и безопасности при перевозке пассажиров, кардинально меняя логистику пассажиропотоков в пространстве и времени.
Рис. 1. Компьютерная модель канатного метро
Конструктивно канатное метро состоит из концевых и промежуточных станций, соединенных между собой путями из одного тягового и двух несущих канатов. На несущих
канатах подвешены пассажирские вагоны (рис. 2). Тележки приводятся в движение тяговым канатом, подключенным к дискретному приводу (рис. 3). Станции оборудованы конвейерами для пассажирских вагонов, а между станциями установлены промежуточные
опоры с балансирами, на которые опираются стальные канаты, высота закрепления которых варьируется в зависимости от рельефа местности и высоты строений, расположенных
под путями движения. Все станции (рис. 4) установлены на арочных опорах над проезжими частями улиц с сохранением под ними габаритов для движения городского автотранспорта и соединенными со всеми станциями в каждом направлении двумя независимыми
путями из двух несущих и тягового канатов. Тяговый канат опирается на ролики балансиров, а специальные конвейеры пересадочных станций оборудованы системой переадресации пассажирских вагонов на другие пути движения [3; 4; 5].
Применение дискретного привода для канатного метро позволяет получить инновационные преимущества по сравнению с применением классического сосредоточенного
привода: предельные условия длины канатной дороги, обусловленные прочностью каната,
не распространяются на дороги с использованием дискретных приводов; на 40% снижаются габаритные и массовые характеристики основных элементов канатной дороги (каната, шкива, опорных роликов, балансиров); снижается подвижная масса каната; на 30% повышается энергоэффективности привода; улучшаются показатели плавности хода; до 20
м/с увеличиваются скорости движения вагонов; снижаются затраты на транспортировку и
монтаж; многократное резервирование повышает безопасность и готовность системы.
Инвестиционная привлекательность канатного метро заключается в том, что стоимость его строительства на порядок ниже любого другого вида городского общественного
транспорта. Строительство не требует внешних инвестиций и может осуществляться за
счет продажи коммерческих площадей на станциях. В свою очередь, затраты на эксплуатацию покрываются стоимостью проездных билетов.
13
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 3(35)
Рис. 3. Дискретный привод
Рис. 2. Кабина канатного метро
Рис. 4. Станция канатного метро
Предлагаемая схема развития канатного метро в Брянске показана на рис. 4. Она
включает 25 станций, соединенных 5 маршрутами (линиями) [6]. Общая протяженность
системы составит порядка 46 км. Каждая станция рассчитана на прием до 3 тыс. человек в
час. Проектная скорость движения пассажирских вагонов – 40 км/ч.
Рис. 5. Схема Брянского канатного метро
14
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 3(35)
Для основных маршрутов предложены типовые архитектурно-планировочные решения станций канатного метро, интегрированные в существующую уличную и транспортную инфраструктуру (рис. 5).
Рис. 6. Внешний вид станций канатного метро
Таким образом, канатное метро может стать решением транспортных проблем Брянска, в кратчайшие сроки связав удаленные районы города доступным и быстрым внеуличным общественным транспортом.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Исследование модели организации функционирования общественного транспорта за рубежом // Экономика, управление, общество: история и современность: материалы Всероссийской научно-практической
конференции молодых исследователей, аспирантов и соискателей. – Хабаровск: Изд-во ДВАГС. – 2007. –
Ч.2. – С.59-66.
2. Короткий, А.А. О перспективах применения канатного транспорта / А.А. Короткий, В.Б. Маслов [и др.]
// Безопасность труда в промышленности. – 2005. – №6. – С.30-34.
7
3. Городская канатная дорога: пат. 2381931 Рос. Федерация: МПК B61B7/00 / авторы и заявители
Котельников В.С., Маслов В.Б., Короткий Д.А., Козловский А.Е., Иванов К.М., Допельмайер Михаэль;
патентообладатель ООО «ИКЦ «Мысль». – №2008137853 ; заявл. 22.09.2008; опубл. 20.02.2010, Бюл.
№5.
7
4. Демонстрационный стенд городской канатной дороги: пат. 97558 Рос. Федерация: МПК G09B25/04 /
авторы и заявители Короткий Д.А., Маслов В.Б., Маслов Д.В., Бондаренко Б.И., Панфилов А.В.; патентообладатель ООО «ИКЦ «Мысль». – №2010112676/22; заявл. 01.04.2010; опубл. 10.09.2010, Бюл. №25.
7
5. Городская канатная дорога: пат. 2412840 Рос. Федерация: МПК B61B7/00 / авторы и заявители
Короткий Д.А., Маслов В.Б., Маслов Д.В., Кирсанов М.В., Панфилов А.В.; патентообладатель ООО
«ИКЦ «Мысль». – № 2010106643/11; заявл. 24.02.2010; опубл. 27.02.2011, Бюл. №6.
6. Лагерев, А.В. Брянское канатное метро / А.В. Лагерев, А.А. Короткий, А.В. Панфилов, И.А. Лагерев //
Материалы научной конференции Совета МНТО / под ред. И.А. Лагерева. – Брянск: БГТУ, 2012. – С. 3639.
Материал поступил в редколлегию 5.06.12.
15
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 3(35)
УДК 532:537.311.322
Е. Г.Евдокимов, Д.А. Болдырев, В.М.Сканцев, Ю.В. Чапкова
ЭЛЕКТРОННОЕ СТРОЕНИЕ ЭЛЕМЕНТОВ В РАСПЛАВАХ ЖЕЛЕЗА:
ВИДЫ МЕЖАТОМНЫХ СВЯЗЕЙ И ЭЛЕКТРОННЫХ КОНФИГУРАЦИЙ
В МЕТАЛЛИЧЕСКИХ РАСПЛАВАХ
Приведены результаты теоретических исследований и расчётов при установлении вида межатомных связей
в системах железа, железа и углерода (железо − графит, железо − цементит, железо − алмаз), железа и легирующего элемента. Показано, что при изменении знака электротрицательности меняется вид межатомной
связи в системе. Установлено, что в металлических сплавах могут присутствовать все три вида межатомной
связи: металлическая, ионная и ковалентная.
Ключевые слова: железо, углерод, ковалентная связь, ионная связь, электроотрицательность, металлическая
связь, электронный уровень, межатомное взаимодействие, электронные оболочки.
Синергетический подход выявляет новую ситуацию, в которой условием возникновения коллективных (кооперированных) состояний элементов (в нашем случае − возникновение центров зарождения графита и кристаллизация расплава чугуна по стабильной
системе) становится сильная неустойчивость системы (для серого чугуна − концентрационная неоднородность по кремнию (локальный градиент концентрации) + возникновение
новых границ раздела и подложек для роста графита, а для высокопрочного чугуна − дополнительно концентрационная неоднородность по магнию (локальный градиент концентрации)). При сильной неустойчивости даже малое случайное отклонение - а в нашем случае оно целенаправленное - может резко усиливаться и давать макроэффект (усиление
графитизирующего эффекта и/или перевод графита в новое морфологическое состояние),
порождать новое макросвойство системы (зарождение и рост графита, изменение его
формы, регулирование соотношения перлит/феррит в микроструктуре чугуна).
В неживых системах (например, в расплаве чугуна) объединение элементов (кремний, графитизирующие добавки, магний), способствуя возникновению устойчивой структуры (матрица − перлит/феррит - и графит определённой формы), не сказывается на природе самих элементов [1]. Для реализации синергетических процессов требуется достаточно высокий уровень энергетической подпитки системы (при модифицировании делается упреждение по температуре, учитывающее её падение в связи с растворением модификатора), а также необходимо возбуждение активности её элементов сверх той меры активности, которую они проявляют в стационарном состоянии. В этом можно убедиться на
примере кремния: при вводе в качестве шихтового материала в металлозавалку кремний
не будет проявлять модифицирующего действия, однако его введение в расплав чугуна
перед заливкой форм вызывает стимулирующий графитообразование эффект. Лишь при
таком условии любой из элементов (в данном случае − кремний) потенциально может отклониться от среднего уровня концентрационной флуктуации. Но именно при этом условии очень высока вероятность возникновения новых функциональных элементов (например, карбид кремния) в системе (расплав чугуна), для которых нормой становится сверхсильная флуктуация при её сравнении с прежними порогами отклонений в поведении элементов. Подобные новые функциональные узлы (например, карбид кремния) способны
возникать благодаря распространению поля активности отдельных старых элементов (углерод, кремний), а также благодаря группировке, суммированию и умножению их действия. В нашем случае эту роль играют вносимые извне в систему вещественные компоненты, обладающие резонирующими, каталитическими свойствами.
16
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 3(35)
При вхождении в систему новых элементов и вовлечении в неё с помощью последних новых процессов абстрактно возможны 2 типа реакции старой системы:
− отторжение новых элементов;
− выживание и размножение новых элементов, возникновение нового режима
функционирования системы.
При рассмотрении в качестве системы расплава чугуна наблюдается третий тип реакции старой системы − растворение (поглощение) новых элементов (кремний, графитизирующие добавки, магний) и диалектический переход системы на качественно новый
уровень (изменение структуры чугуна).
Модель синергетической системы фиксирует процесс самопроизвольной организации как зависимый от определённого типа взаимодействия системы со средой. Данное
взаимодействие имеет открытый характер и устанавливает обмен между системой и средой потоками вещества (модификатор), энергии (температура) и информации (наследственность, предыстория шихтовых материалов). При этом система за счёт резких флуктуаций, дающих макроскопический эффект, приобретает диссипативную структуру − форму
динамической организации, выходящую за рамки динамики хаоса и обнаруживающую
законы неклассической термодинамической эволюции [2]. Наличие такой структуры свидетельствует о возможности некоторого пребывания системы в далёком от теплового равновесия состоянии (нарушение равновесия по концентрации кремния, магния). Диссипация означает рассеяние беспорядка системы в окружающую среду с одновременным ростом внутренней упорядоченности некой глобальной ситуации, обладающей неравновесностью (расплав чугуна после введения модификатора) [2]. Упорядоченность в данном случае проявляется через наложение ограничений на уровень флуктуаций. При этом для системы, находящейся в неравновесном состоянии, предзадан выбор одной из нескольких
ветвей последующей эволюции [3], т. е. один из многих или нескольких аттракторов. В
нашем случае ограничения накладываются повышением концентрационных неоднородностей, а их влияние становится параметром будущего порядка, по терминологии Г. Хакена
− информатором [4].
Проблема межатомных связей между атомами железа, железа и углерода в системах
железо − графит, железо − цементит и железо − алмаз, а также железо − легирующий элемент требует своего решения на основе исследований электронного строения элементов в
расплавах железа. Современная теория динамических систем, а также физика неравновесных состояний позволяют по-новому взглянуть на процессы, происходящие в металлических растворах на атомно-электронном уровне. Фундаментальными работами в этой области являются научные труды В. К. Григоровича [5], Л. Полинга [6], а в области нелинейной динамики - работы Г. Николиса с И. Пригожиным [7] по изучению сложных систем и процессов.
Химические и металлургические реакции протекают в металлических растворах, которые представляют собой растворы неметаллов (углерод, кремний, кислород, сера, фосфор и др.) в основном металле. Металлические растворы имеют в основном химическую
природу, и поэтому их следует рассматривать на основе химических законов и уравнений,
отражающих процессы, происходящие в химическом составе при непрерывном его изменении. Свойства растворов отражают уравнения Гиббса – Дюгема, которые связывают
парциальные молярные величины g i по числу молей n i компонента в растворе [8].
Взаимодействие между компонентами раствора происходит на атомно-электронном
уровне; с изменением состава меняется межатомное взаимодействие, что отражается на
экстенсивных свойствах атомов компонентов. Если выразить концентрацию компонентов
в растворе в атомных процентах, то сумма атомных процентов компонентов раствора равна 100% (ат.). В качестве экстенсивных свойств, отражающих взаимодействие между
компонентами на атомно-электронном уровне, можно принять радиус, диаметр или объем
атома (иона) компонента. Парциальной атомной величиной компонента g i называется частная производная от какой-либо экстенсивной величины g i по количеству компонента в
17
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 3(35)
растворе, выраженному в атомных процентах, С i % (ат.) при постоянных температуре,
давлении и количестве атомных процентов остальных компонентов (С j ), т. е. g i = (∂g/
∂C i ) p,T,Cj (j ≠ i) .
Изменение какого-либо экстенсивного свойства раствора dg будет составлять
dg ат. = (∂g/∂C 1 ) Cj dC 1 + (∂g/∂C 2 ) Cj dC 2 + ...
−
Согласно определению, (∂g/ ∂C i ) p,T,Сj (j ≠ i) = g i , поэтому
−
−
dg = g1 dC 1 + g 2 dC 2 + …
(1)
Величина dg есть приращение свойства при добавлении к раствору % (ат.) компонентов 1, 2 и т.д. в количествах, соответствующих dC 1 , dC 2 , ...
После интегрирования уравнения (1) получим:
g ат. = g 1 C 1 + g 2 C 2 + ...
(2)
Любое экстенсивное свойство может быть найдено из свойств атомов (ионов) компонентов для любого раствора путем сложения при использовании парциальных атомных
величин. При изменении количества и состава раствора изменение свойства g находится
дифференцированием уравнения (2):
−
−
−
−
dg ат. = g1 dC 1 + C 1 d g1 + g 2 dC 2 + C 2 d g 2 + …
В качестве экстенсивной атомной величины примем радиус атома (иона) компонента. Графическое построение для определения парциальных атомных величин компонентов
представлено на рис. 1, из которого следует, что:
∆RA
∆RB
= RA ;
= RB ;
xA
XB
Κ=
tgα B RB X A ∆RB X A RB
=
=
=
,
tgα A RA X B ∆RA X B RA
где R A – парциальная атомная величина компонента А; R B – парциальная атомная величина компонента В; R A – металлический радиус атома (иона) компонента А; R B – металлический радиус атома (иона) компонента В; ∆R A и ∆R В – изменение величины экстенсивного фактора в сплаве АВ по отношению к исходным величинам R A и R B для чистых
компонентов; К – отношение парциальных атомных величин компонентов В и А; Х А –
концентрация компонента А в растворе, % (ат.); Х В – концентрация компонента В в растворе, % (ат.).
Рис. 1. Определение парциальных атомных величин
компонентов при условии Х А + Х В = 100% (ат.)
18
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 3(35)
Из уравнения
 ∂ ln R A 
 ∂ ln RB
 = − X B 
Õ À 
 ∂X A  p ,T
 ∂X À
X B  ∂RB 
Х А  ∂R A 


или




=−
RB  ∂X А  P ,T
R A  ∂X A  P , T
 P ,T
(3)
вытекает, что обе зависимости отвечают прямым линиям, т. е. R A пропорционально концентрации Х А , R B пропорционально Х В . Для любого значения Х А наклоны находятся в
соотношении Х А R B /X B R A . Из условия Х А + Х В = 100% (ат.) следует, что Х А = 100 – Х В ,
Х В = 100 – Х А , отсюда
K=
X A RB
.
(100 − X A ) R A
Из выражения (3) определим Х А и Х В :
ХА =
100 KR A
;
RB + KR A
Из уравнения (3) вычислим R B :
RB =
ХB =
100 R B
.
KR A + R B
ΚR A (100 − X A )
.
XA
Если выразить К через концентрацию компонента В, то получим
(100 − Х В ) RB
К=
,
X B RA
отсюда R A =
RB (100 − X B )
.
KX B
1,4
Fe0
Fe0
1,2
1
Радиус атома, Rm
1,0
Fe1+
0,8
0,6
0,4
Fe2+
С0
С1+
С2+
0,2
С3+
С4+
6+
0,0 Ся.
0C
Fe3+
Fe4+
Fe6+ 8+
Fe
2
С0
С0
Fe20+
Fe22+
20
40
С, % (ат.)
Fe24+
60
Fe26+ Feя
80
100
Рис. 2. Изменение радиуса атома железа и углерода (R m , Å) в расплаве в зависимости от
концентрации углерода в системе Fe−C: 1 − для атома железа; 2 − для атома углерода
Таким образом, величины R A, R B , Κ, R A и R B связаны с концентрациями компонентов в растворе Х А и ХВ , выраженными в атомных процентах [9]. Рис. 2 иллюстрирует изменение атомного радиуса железа и углерода в зависимости от концентрации углерода в системе Fe – C.
19
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 3(35)
Анализ такого фактора, как разность электроотрицательностей, способствует получению данных о межатомном взаимодействии элементов в расплаве и их электронном
строении
[9; 10]. Электроотрицательность в работе рассчитывали по формуле [11]
Х m = 0,31 (V m /R m + 1) + 0,5,
(4)
где V m /R m – атомный потенциал; R m – радиус металлического иона, Å; V m – металлическая валентность.
Разность электроотрицательностей (X m = Х С – Х Fe ) иона углерода СЯО (ядерное облако) и
внешней оболочки железа FeO равна 287,25 при концентрации углерода 0,12 % (ат.). Для
иона углерода С6+ Х m = 52,476 при концентрации 0,611 % (ат.) С; для иона С5+ Х m = 35,254
при концентрации 0,762% (ат.) С. Иону С4+ соответствует Х m = 9,076 при концентрации
углерода 2,496 % (ат.). Для ионов углерода C3+, C2+, C1+, CO разность электроотрицательностей Х m равна соответственно 5,783; 3,504; 1,88 и 0 при концентрациях 3,10; 3,777;
4,716 и 8,714 % (ат.) углерода (рис. 3).
Разностьэлектроотрицательностей, Xm
60
C6+
50
40
30 C5+
1
20
2
C4+3+
C 2+
C
10
0
1+
C0
C
3
4
5
-10
4+
C
-20
3+
C
C2+
6
5
10
8
9
10
1+
C
-30
0
7
15
20
25
11
C0
30
35
C, %(ат.)
Рис. 3. Зависимость разности электроотрицательностей атомов углерода и железа от концентрации углерода
в системе Fe — C, для электронных оболочек железа: 1 — Fe0; 2 — Fe2+; 3 — Fe4+; 4 — Fe6+; 5 — Fe8+;
6 — Fe10+; 7 — Fe12+; 8 — Fe14+; 9 — Fe16+; 10 — Fe18+; 11 — Fe20+
Ионы углерода Сяо имеют со всеми электронными оболочками железа положительные значения разности электроотрицательностей, что указывает на преобладание металлической связи между атомами углерода и железа. Ионы углерода С6+ имеют положительные значения Х m со всеми оболочками, включая уровень Fe23+, где разность электроотрицательностей равна 12,496 при концентрации 4,08% (ат.) углерода. При переходе к уровню Fe24+ Х m = -19,414, что указывает на переход от металлической связи к ковалентной
между атомами (рис. 4). Ионы углерода С5+ имеют положительные значения Х m до уровня
Fe22+, где Х m = 7,594 при концентрации углерода 3,67 % (ат.), на уровне Fe23+ Х m = Х с –
Х Fe = -4,726. Для ионов углерода С4+ положительные значения разности электроотрица-
20
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 3(35)
тельностей Х m с электронными оболочками железа имеют уровни Fe0, Fe1+, Fe2+, Fe3+,
Fe4+, Fe5+, Fe6+, Fe7+, Fe8+.
1
50
[C6+]
Разностьэлектроотрицательностей, Xm
40
2
30
[C5+]
20
10
0
[C4+]
-10
3
-20
4
5
[C3+] [C2+]
[C0]
6
7
1+
[C ]
-30
0
5
10
15
20
25
30
C, %( ат.)
Рис. 4. Разность электроотрицательностей ионов углерода с электронными оболочками атома железа
в системе Fe — C, для ионов углерода: 1 — C 6+; 2 — C 5+; 3 — C 4+; 4 — C 3+; 5 — C 2+; 6 — C 1+; 7 — C 0
Для уровня Fe8+ Х m = 2,36 при концентрации 7,13% (ат.), а с уровнем Fe10+ Х m меняет знак «+» на «−», Х m = -0,644. Для ионов С3+ переход разности электроотрицательностей с «+» на «−» происходит между уровнями атома железа Fe7+ – Fe8+. Для уровня Fe7+
Х m = 0,256 при концентрации 8,04%, а для уровня Fe8+ Х m = -0,931 при концентрации
8,74% (ат.) углерода. Для ионов С2+ переход сдвигается к более низким уровням атома
железа и происходит в интервале Fe4+ – Fe5+. Для уровня Fe4+ Х m = 0,444 при концентрации 8,116 %, а для уровня Fe5+ Х m = -0,345 при концентрации 8,841% (ат.) углерода. Ионы
углерода С1+ имеют положительные значения Х m с уровнями атома железа Fe0, Fe1+, Fe2+.
Для уровня Fe2+ Х m = 0,244 при концентрации 7,677%, а с уровнем Fe3+ Х m = -0,48 при
концентрации 9,416% (ат.). Таким образом, наблюдается сдвиг перехода разности электроотрицательностей с «+» на «−» с более высоких электронных уровней на более низкие
уровни атома железа, т. е. происходит переход от преобладающих металлических связей к
ковалентным связям между атомами углерода и железа. Ионы углерода Со имеют только
отрицательные значения разности электроотрицательностей с электронными уровнями
атома железа, что указывает на преобладание ковалентных связей между ионами Со и
атомами железа. Этот переход осуществляется при концентрации 8,714 % (ат.) углерода
[12; 13].
Переход разности электроотрицательностей c «+» на «−» осуществляется в интервале концентраций от 3,67 до 8,714 % (ат.) углерода. Происходит образование ковалентных
связей между ионами углерода и внутренними оболочками атома железа. В данном интервале железоуглеродистые сплавы обладают как металлической, так и ковалентной связью.
Причем с увеличением концентрации от 3,67% (ат.) углерода доля ковалентной связи растет, а металлической - уменьшается и при концентрации 8,714% (ат.) становится равной 0.
В сплавах электронной системы Fe – C, имеющих концентрацию углерода больше 8,714%
(ат.), преобладают в основном ковалентные связи. Ион углерода С0 имеет со всеми элек21
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 3(35)
тронными оболочками атома железа ковалентные связи, усиливающиеся с приближением
к ядру атома. При переходе от металлической связи к ковалентной вероятно существование ионной связи [10].
Таким образом, можно заключить, что в металлических сплавах могут присутствовать все три вида межатомной связи: металлическая, ионная и ковалентная. При изменении температуры и концентрации также изменяются межатомные связи между элементами. Примером ионной связи между атомами углерода и железа в сплавах Fe – C является
аустенит, металлические связи между разнородными атомами характерны для феррита,
цементит отличается преобладанием ковалентных связей. Графит имеет слоистое строение, поэтому между слоями действует ионная связь между атомами углерода, а в самом
графитовом слое преобладает ковалентная связь.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Самоорганизация: кооперативные процессы в природе и обществе. - М., 1990. - Ч. 1.- С. 12.
2. Пригожин, И. Порядок из хаоса. Новый диалог человека с природой / И. Пригожин, И.Стенгерс.- М.:
КомКнига, 2005.- 296 с.
3. Болдырев, Д.А. Основные принципы экономической оценки эффективности внедрения новых типов модификаторов в чугунолитейном производстве / Д.А. Болдырев, С.В. Давыдов, В.М. Сканцев // Заготовительные производства в машиностроении.- 2007.- №9.- С. 9−16.
4. Хакен, Г. Информация и самоорганизация. Макроскопический подход к сложным системам / Г. Хакен. М., - 1991.- С. 49.
5. Григорович, В.К. Электронное строение и термодинамика сплавов железа / В.К. Григорович.- М.: Наука, 1970.292 с.
6. Полинг, Л. Природа химической связи / Л. Полинг.- М.: Изд-во хим. лит., 1947.- 440 с.
7. Николис, Г. Познание сложного / Г. Николис, И. Пригожин.- М.: Мир, 1990.- 344 с.
8. Жуховицкий, А.А.Физическая химия / А.А. Жуховицкий, Л.А. Шварцман.- М.: Металлургия, 1987.- 688 с.
9. Пирсон, У. Кристаллохимия и физика металлов и сплавов / У. Пирсон.- М.: Мир, 1977.- 420 с.
10. Полинг, Л. Общая химия / Л. Полинг.- М.: Мир, 1974.- 845 с.
11. Gordy, W. Electronegativities of the Elements / W. Gordy, W. Thomas //Journ. Chem. Phys.- 1956.- V.24.- P.
439.
12. Евдокимов, Е. Г. Электронная структура и межатомные связи в железоуглеродистых сплавах / Е. Г. Евдокимов // Литейное производство.- 1999.- № 4.- C. 19,20.
13. Евдокимов, Е.Г. Генезис электронной конфигурации в железоуглеродистых сплавах: монография / Е.
Г.Евдокимов, А.А.Баранов, А.И. Вальтер.- Тула: ТулГУ, 2004.- 192 с.
Материал поступил в редколлегию 29.05.12.
22
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 3(35)
УДК 621.314
А.И. Андриянов, П.И. Глазун
МАТРИЧНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ С ЧЕТЫРЕХПРОВОДНОЙ
СХЕМОЙ ПОДКЛЮЧЕНИЯ НАГРУЗКИ
Разработана модифицированная топология двухкаскадного матричного преобразователя частоты с искусственной нейтралью. Представлена схема силовой части, а также результаты проверки принятых технических
решений и алгоритмов управления с использованием компьютерной модели в MatLab. Выявлены основные
закономерности изменения качества потребляемого преобразователем тока в зависимости от характера нагрузки.
Ключевые слова: матричный преобразователь, непосредственный преобразователь частоты, четырехпроводная схема включения, искусственная нейтраль.
Значительная часть территории России, имеющая малую плотность населения, не
присоединена к централизованным электроэнергетическим системам. Население этих территорий получает электроэнергию от автономных дизель-генераторных установок небольшой мощности, ветроэнергетических установок, малых ГЭС и других возобновляемых источников энергии [1]. Для преобразования частоты выходного трехфазного напряжения генератора к промышленной частоте 50 Гц применяют различные частотные преобразователи. На сегодняшний день наиболее оптимальным является использование матричных преобразователей - из-за отсутствия в них крупногабаритного конденсатора звена
постоянного тока, занимающего от 30 до 50% объема инвертора [2], что делает его более
эффективным по сравнению с преобразователями со звеном постоянного тока. Особенностью преобразователей частоты, работающих в составе таких установок, является необходимость подключения к ним однофазной нагрузки, что требует наличия нейтрального
провода на выходе преобразователя.
На данный момент существует топология матричного преобразователя частоты [3],
которая обеспечивает нейтраль на выходе. К недостаткам такой топологии следует отнести в первую очередь большое количество транзисторов. Кроме того, учитывая специфику
задачи, можно отметить, что преобразователь в [3] является четырехквадрантным, т.е.
обеспечивает рекуперацию энергии, что в составе дизель-генераторных установок, обеспечивающих питанием обычные жилые дома, явно избыточно.
Основной целью данной работы является разработка модифицированной топологии,
содержащей меньшее количество силовых ключей и полностью удовлетворяющей требованиям к преобразователям в составе дизель-генераторных установок.
Разработка топологии силовой части. Матричные преобразователи частоты по виду топологии силовой части можно разделить на два класса. К первому классу относятся
преобразователи, в которых коммутация входных и выходных фаз осуществляется с помощью одного звена на ключах переменного тока, – это приводит к усложнению системы
управления и удорожанию всего устройства в целом. Ко второму классу относятся двухкаскадные преобразователи, в которых явно присутствуют звенья выпрямления и инвертирования [4; 5]. Такие преобразователи чаще всего требуют для построения силовой части меньшего количества транзисторов, чем преобразователи, относящиеся к первому
классу.
На сегодняшний день наиболее оптимальной схемой активного выпрямителя является так называемый мост Вина и его разновидности [4; 5]. Так как предлагаемый вариант
топологии матричного преобразователя будет использоваться совместно с дизельгенераторными установками, то наиболее рационально использование в его составе модифицированного моста Вина. Для возможности подключения к матричному преобразо23
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 3(35)
вателю однофазной нагрузки в качестве инвертирующего звена применяется мостовой инвертор с четырьмя стойками, обеспечивающий искусственную нейтраль. Предлагаемый
вариант силовой части требует модификации существующего алгоритма управления матричным преобразователем.
Предложенная топология приведена на рис. 1. Она относится к классу двухкаскадных преобразователей и отличается от существующей топологии [3] тем, что имеет на
входе управляемый выпрямитель, содержащий три силовых
транзистора. Таким образом,
предлагаемый вариант силовой
Рис. 1. Силовая часть матричного преобразователя с искусственной части матричного преобразованейтралью. схема электрическая принципиальная
теля с искусственной нейтраA, B, C – фазы генератора; a, b, c, n – фазы нагрузки
лью требует 11 транзисторов,
тогда как преобразователь в [3] требует 20 ключей.
Разработка алгоритма управления силовой частью преобразователя. Воспользовавшись общим подходом к анализу матричных преобразователей [6; 7], рассмотрим
отдельно инвертор и выпрямитель. Четырехпроводной инвертор может сформировать на
выходе 16 базовых векторов напряжения, каждому из которых соответствует своя комбинация ключей. Кроме того, существует два нулевых вектора, соответствующих комбинациям включенных транзисторов (4, 6, 8, 10) или (5, 7, 9, 11) (рис. 1).
На рис. 2 а показаны 14 базовых векторов, используемых для формирования вектора
выходного напряжения. Для
формирования вектора выходного напряжения, имеющего
конкретный угол и длину, необходимо использовать три соседних базовых вектора, которые образуют тетраэдр и являются его ребрами. Всего имеется 12 тетраэдров, образующих
многогранник (рис. 2 а). Проекция одного тетраэдра на
а)
б)
плоскость αβ представляет собой равносторонний треугольРис. 2. Расположение базовых векторов выходного напряжения
ник (рис. 2 б). Проекции тетраинвертора в трехмерном пространстве (a) и проекции базовых
векторов на плоскость αβ (б)
эдров разбивают плоскость αβ
на шесть секторов.
Коэффициенты заполнения, определяющие длительности формирования базовых
векторов выходного напряжения инвертора, можно найти по выражению [7]
D = (U БT ) U ОП ,
−1
(1)
где D = [d 1 d 2 d 3 ] – вектор коэффициентов заполнения инвертора; U ОП = [U α U β U z ] –
матрица проекций вектора выходного напряжения на оси координат в системе αβz; U Б –
матрица проекций базовых векторов, используемых на тактовом интервале, на оси координат в системе αβz, имеющая вид
T
24
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 3(35)
 U α1 U β1 U z1 


U Б = U α 2 U β 2 U z2  .
(2)
U α U β U z 
3
3 
 3
Здесь U αi – проекция на ось α i-го базового вектора напряжения; U βi - проекция i-го
базового вектора напряжения на ось β; U zi – проекция i-го базового вектора на ось z. Поскольку на тактовом интервале для формирования вектора выходного напряжения используется три ненулевых базовых вектора, то можно заметить, что i = 1, 2, 3. Кроме того,
используется и один из двух нулевых базовых векторов.
Выражение (1), приведенное в [7], не оптимально для использования в программах
управляющих микроконтроллеров, поскольку требует значительных вычислительных ресурсов. Для увеличения скорости вычисления коэффициентов заполнения при реализации
управляющих алгоритмов матрица (2) может быть представлена в виде
 d1   K11 K12 
 d  =  K K  µi cos ( θi )  ,
 2   21 22   µ sin ( θ ) 
i 
 d3   K 31 K 32   i
где µ i – коэффициент передачи инвертора; θ i – угол поворота вектора выходного напряжения; К 1 1 , К 12 , К 21 , К 22 , К 31 , К 3 2 – коэффициенты, вычисляемые по выражениям:
U β2U z3 − U β3U z2
;
K11 =
(3)
U α1 (U β2U z3 − U β3U z2 ) − U α2 (U β1U z3 − U β3U z1 ) + U α3 (U β1U z2 − U β2U z1 )
K12 = −
K 21 = −
K 22 =
K 31 =
U α2U z3 − U α3U z2
U α1 (U β2U z3 − U β3U z2 ) − U α2 (U β1U z3 − U β3U z1 ) + U α3 (U β1U z2 − U β2U z1 )
U β1U z3 + U β3U z1
U α1 (U β2U z3 − U β3U z2 ) − U α2 (U β1U z3 − U β3U z1 ) + U α3 (U β1U z2 − U β2U z1 )
U α1U z3 − U α3U z1
U α1 (U β2U z3 − U β3U z2 ) − U α2 (U β1U z3 − U β3U z1 ) + U α3 (U β1U z2 − U β2U z1 )
U α1U z2 − U β2U z1
U α1 (U β2U z3 − U β3U z2 ) − U α2 (U β1U z3 − U β3U z1 ) + U α3 (U β1U z2 − U β2U z1 )
K 32 = −
(4)
;
(5)
;
(6)
;
(7)
U α1U z2 − U α2U z1
U α1 (U β2U z3 − U β3U z2 ) − U α2 (U β1U z3 − U β3U z1 ) + U α3 (U β1U z2 − U β2U z1 )
Рис. 3. Расположение базовых векторов
входного тока выпрямителя
;
.
(8)
Стоит заметить, что коэффициенты, определяемые выражениями (3–8), рассчитываются только
один раз при создании программы для управляющего
микроконтроллера, тогда как сам микроконтроллер
ведет расчет только по выражению (2) с использованием заранее полученных коэффициентов – это существенно снижает требования к его ресурсам.
Три ключа выпрямителя позволяют формировать шесть векторов тока, как это показано на рис. 3.
Номера на рис. 3 соответствуют номерам открытых
ключей выпрямительного звена VT1–VT3 на рис. 1.
Коэффициенты заполнения для выпрямителя v 1
и v 2 могут быть найдены по следующим выражениям
[6]:
25
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 3(35)
=
v1
3
π

sin  − θr  ;
2
3

3
sin(θr ) ,
2
где θ r – угол поворота вектора входного тока.
Для обеспечения согласованной работы выпрямителя и инвертора, требуемой для
матричного преобразователя частоты, вычисляются шесть коэффициентов заполнения,
которые учитывают все возможные комбинации векторов входного тока и векторов выходного напряжения на тактовом интервале: γ1 =d1v1 ; γ 2 =d 2 v1 ; γ 3 =d3v1 ; γ 4 =d1v2 ;
γ 5 =d 2 v2 ; γ 6 =d3v2 .
На рис. 4 приведено распределение на тактовом интервале участков формирования
заданных векторов входного тока и
выходного напряжения на примере
первого сектора на рис. 3 и первого
сектора на рис. 2 б.
На интервале, определяемом γ 0,
формируются нулевые векторы входного тока и выходного напряжения.
Рис. 4. Распределение коэффициентов заполнения
Для формирования нулевых векторов
инвертора и выпрямителя внутри тактового интервала
должны быть разомкнуты ключи выпрямителя и замкнуты ключи верхней или нижней стоек инвертора.
Имитационное моделирование матричного преобразователя. При создании компьютерной модели преобразователя особое внимание нужно уделить проверке правильности разработанного алгоритма управления. Была разработана имитационная модель непосредственного матричного преобразователя частоты с четырехпроводной схемой подключения нагрузки в среде MatLab Simulink, использующая в своем составе программный
блок Simulink, имитирующий работу контроллера (рис. 5). На основании предложенного
алгоритма управления была
создана управляющая программа на встроенном языке высокого уровня MatLab.
Блок SwM на рис. 5 содержит как силовую часть преобразователя, так и управляющий блок, реализующий разработанный алгоритм управления.
Рис. 5. Модель матричного преобразователя частоты с нейтральной
На рис. 6 а приведена
точкой в среде Matlab Simulink
диаграмма напряжения выходной фазы а при чисто активной нагрузке, а на рис. 6 б – спектральная характеристика
этого напряжения. На рис. 6 б и далее величина гармоники по оси ординат откладывается
в процентах относительно амплитуды основной гармоники с частотой 50 Гц. На рис. 7 а и
б показаны временная диаграмма потребляемого матричным преобразователем тока входной фазы А и его спектральная характеристика соответственно. Как видно из рис. 7 б, в
спектральном составе вблизи основной частоты присутствуют кратные ей низкочастотные
гармоники с частотами 100, 150, 200, 250, 300, 350, 400, 450, 500, 550 Гц. Это связано с
тем, что ток в звене постоянного тока матричного преобразователя частоты вследствие
чисто активного сопротивления нагрузки является пульсирующим с низкой частотой, что
ухудшает качество потребляемого матричным преобразователем тока. Хотя чисто актив=
v2
26
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 3(35)
ная нагрузка встречается достаточно редко, данный спектральный состав может привести
к некоторому увеличению размеров входного фильтра, который должен быть рассчитан на
наихудший случай. Выявленный недостаток, ввиду сходства алгоритмов управления, будет присутствовать во всех существующих типах матричных преобразователей частоты,
что требует дальнейшего совершенствования методов их управления.
На рис. 7 в, г приведены вид и спектральный состав входного тока матричного преобразователя для фазы А при большой индуктивности нагрузки. Как видно из рисунка,
при активно-индуктивном характере нагрузки матричного преобразователя частоты качество потребляемого тока существенно улучшается и в его спектре практически отсутствуют низкочастотные гармоники.
Это объясняется малыми пульсациями тока, потребляемого инвертором, при выраженном индуктивном характере нагрузки.
На рис. 8 а приведены временные диаграммы входных линейных
токов матричного преобразователя
частоты при несимметричной нагрузке. Как видно из рисунка, формы тока по фазам имеют существенное отличие. Спектральный состав фазных токов можно увидеть
Рис. 6. Диаграмма напряжения на активной нагрузке (а) и
на рис. 8 б.
спектр выходного напряжения (б) при активной нагрузке
Рис. 7. Диаграмма входного тока и спектр входного тока соответственно: а, б - при активной нагрузке;
в, г - приRнb = 10Ом, Lнb = 26мГн
Как видно из рисунка, рядом с полезной гармоникой тока фазы A появляется кратная
ей низкочастотная гармоника, амплитуда которой составляет более 20% от основной.
Таким образом, моделирование показало, что спектр входного тока преобразователя
частоты при использовании входного фильтра позволяет сформировать на входе синусоидальный ток высокого качества. Кроме того, качество входного тока и выходного напряжения разработанного преобразователя аналогично качеству данных величин в существующей топологии [3]. Также можно сделать вывод, что разработанный преобразователь
полностью удовлетворят требованиям к преобразователям частоты, работающим в составе
дизель-генераторных установок.
27
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 3(35)
Рис. 8. Диаграмма входных токов (a) и спектральная характеристика входных токов (б)
матричного преобразователя при несимметричной активно-индуктивной нагрузке (Rнa =
10Ом, Lна = 26мГн; Rнb = 10Ом, Lнb = 26мГн; Rнc = 5Ом, Lнc = 1мГн)
В результате проведенных исследований:
1. Предложена усовершенствованная топология силовой части матричного преобразователя частоты с четырехпроводной схемой подключения нагрузки, требующая меньшее количество транзисторов, чем существующие топологии.
2. Разработан алгоритм управления, обеспечивающий работу предложенного преобразователя.
3. Создана компьютерная модель силовой части преобразователя с системой управления в среде имитационного моделирования технических систем MatLab Simulink, полностью подтверждающая работоспособность предложенных технических решений.
4. Выявлены основные закономерности изменения качества потребляемого преобразователем тока при изменении характера нагрузки, что может быть использовано при
дальнейшей модернизации алгоритмов управления различными типами матричных преобразователей с целью улучшения качества входного тока.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Хватов, О.С. Дизель-генераторная электростанция с переменной частотой вращения вала / О.С. Хватов,
А.Б. Дарьенков, И.М. Тарасов // Вестн. Иван. гос. энергет. ун-та. – 2010. – Вып. 2. – С. 53–56.
2. Климов, В.П. Двунаправленные ключи в матричных структурах преобразователей переменного тока /
В.П. Климов // Силовая электроника. – 2008. – Вып. 4. – C. 58–61.
3. Fan, Y. Novel Four-leg MatrixConverter / Y. Fan, W. Patrick // IEEE Industrial Electronics. IECON 2006 –
32nd Annual Conference on. – 2006. – P. 2694–2699.
4. Kolar, J.W. Novel three-phase AC – DC – AC sparse matrix converter / J.W. Kolar, M. Baumann, F.
Schafmeister, H. Ert // Proceedings of Applied Power Electronics Conference and Exposition. – 2002. – Vol. 2.
– P. 777–791.
5. Wei, L. Matrix converter topologies with reduced number of switches / L. Wei, T.A. Lipo, H. Chan // Proceedings of Power Electronic Specialists Conference.VPEC’02. – 2002. – P. 125–130.
6. Huber, L. Space Vector Modulated Three-Phase to Three-Phase Matrix Converter with Input Power Factor Correction / L. Huber, D. Brorojevic // IEEE Trans. Ind. Applicat. – 1995. – Vol. 31. – Issue 6. – P. 1234–1246.
7. Shen, D. Fixed-frequency space-vector-modulation control for three-phase four-leg active power filters / D.
Shen, P.W. Lehn // Electric Power Applications, IEE Proceedings. – 2002. – Vol. 149. – Issue 4. – P. 268–274.
Материал поступил в редколлегию 03.06.12.
28
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 3(35)
УДК 621: 620.1.05 (031)
В.И. Ритенман
ПРОВЕДЕНИЕ ИСПЫТАНИЙ МОДЕРНИЗИРОВАННОГО
ЭЛЕКТРОПРИВОДА СТРЕЛОЧНОГО ТИПА СП-6М
НА БЕЗОТКАЗНОСТЬ И РЕМОНТОПРИГОДНОСТЬ
Рассмотрены порядок и условия проведения типовых испытаний на надежность модернизированного электропривода стрелочного типа СП-6М. Установлены цели, задачи и структура документа «Программа и методика испытаний на надежность» для повышения качества проведения испытаний. Проведен сравнительный анализ аналитических и эмпирических данных.
Ключевые слова: программа и методика испытаний, стрелочный электропривод, СП-6М, ресурсные испытания, механические испытания, климатические испытания, безотказность, ремонтопригодность.
Такие показатели качества изделия, как безотказность и ремонтопригодность, являются показателями надежности. Показатели надежности определяют свойство объекта сохранять во времени в установленных пределах значения всех параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции в заданных условиях эксплуатации. Показатель безотказности характеризует свойство объекта сохранять работоспособность в
течение некоторого времени. Показатель ремонтопригодности характеризует свойства
объекта, заключающиеся в приспособлении к предупреждению и обнаружению причин
повреждений и их устранению путем проведения технического обслуживания и ремонта.
Электропривод стрелочный невзрезной типа СП-6М с внутренним замыканием
предназначен для перевода в повторно-кратковременном режиме, запирания и контроля
положения в непрерывном режиме централизованных стрелок с нераздельным ходом остряков. Электропривод обеспечивает при крайних положениях стрелки плотное прилегание
прижатого остряка к рамному рельсу, не допускает запирания стрелки при зазоре между
прижатым остряком и рамным рельсом 4 мм и более и отводит другой остряк от рамного
рельса на расстояние не менее хода шибера. Структура электропривода стрелочного типа
СП-6М показана на рис. 1, 2.
Вал электродвигателя 1 (рис. 1) имеет на одном конце квадрат для присоединения
рукоятки с целью перевода вручную, на другом конце вала на шпонке укреплена специальная муфта 3, которая одновременно соединяется с валом-шестерней 10 редуктора. Валшестерня 10 и зубчатое колесо 7 находятся в зацеплении через промежуточную пару (валшестерня 8 и зубчатое колесо 9, сидящие на одной оси). Вал-шестерня 6, находясь на одном валу с зубчатым колесом 7, находится в зацеплении с упором зубчатого колеса 11,
свободно сидящего на главном валу 2. Упор зубчатого колеса 11 заходит в вырез диска
главного вала 2. Шиберная шестерня выполнена как одно целое с главным валом 2. Она
имеет два запорных зуба и пять рабочих. Зубья шестерни входят в зацепление с зубьями
шибера 4, на котором имеется 4 рабочих зуба и два специальных запорных зуба.
В конце каждого хода перевода стрелки один специальный запорный зуб рабочего
шибера 4 запирается одним из специальных запорных зубьев шиберной шестерни главного вала 2, что соответствует ходу шибера 154 ± 2 мм.
Редуктор со встроенным фрикционом представляет собой отдельный узел (рис. 2),
монтируемый в корпусе электропривода. Редуктор состоит из чугунного корпуса 12 с
крышкой, внутри которого находятся стальные валы-шестерни 6, 8, 10, зубчатые колеса 7
и 9 нормального цилиндрического зацепления, а также фрикционной муфты, смонтированной внутри зубчатого колеса 7.
29
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 3(35)
Рис. 1. Структура электропривода стрелочного типа СП-6М
Фрикционная муфта состоит из двух подвижных металлокерамических дисков 14 и
двух неподвижных стальных дисков 15. Подвижные диски 14 соединены с зубчатым колесом 7, а неподвижные диски 15 расположены на втулке 13, которая соединена шпонкой с
валом-шестерней 6. Сжимаются диски двумя тарельчатыми пружинами 16 при помощи
регулировочной гайки 17. Усилие фрикционного сцепления регулируется в пределах от
1000 до 6000 Н.
Рис. 2. Редуктор с фрикционной муфтой электропривода стрелочного
типа СП-6М
30
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 3(35)
Основным руководящим документом при проведении испытаний является программа и методика испытаний. Она содержит следующие разделы [1] и основные положения:
- введение;
- объект испытаний;
- цель испытаний;
- общие положения;
- объем испытаний;
- условия и порядок проведения испытаний;
- требования безопасности труда;
- материально-техническое обеспечение испытаний;
- метрологическое обеспечение испытаний;
- отчетность.
Программа и методика испытаний устанавливает порядок проведения типовых испытаний модернизированного электропривода стрелочного типа СП-6М с деталями из антифрикционного самосмазывающегося материала, металлокерамическими фрикционными
дисками и ножами из порошкового композиционного материала.
Изделие находится на стадии производства. Отбор образцов для испытаний проводится после изготовления данных изделий в полном объеме партии. Изделия для испытаний отбираются случайным образом. Число отбираемых на испытания изделий определяется планом NMT, где N – число объектов испытаний, T – продолжительность испытаний.
Руководствуясь этим планом испытаний, можно сделать вывод о том, что для получения объективных результатов испытаний и оптимизации затрат необходимо взять минимально возможное количество изделий при оптимальном объеме испытаний. При этом
максимальные значения данных показателей следующие: максимально необходимое количество объектов испытаний – 29, объем испытаний находится в интервале от 1,2 · 106 до
34,8 · 106 циклов нагружения.
Целью испытаний является определение показателей безотказности и ремонтопригодности электропривода СП-6М с деталями из антифрикционного самосмазывающегося
материала, металлокерамическими фрикционными дисками, ножами из порошкового
композиционного материала, колодками с измененным углом наклона контактов при воздействии климатических факторов и механических нагрузок.
При выполнении испытаний решаются следующие задачи:
- определение величины и интенсивности износа пар трения с деталями из антифрикционного самосмазывающегося материала, пар трения ножей и контактных пружин,
пар трения фрикционной муфты с металлокерамическими дисками при отсутствии масла
в редукторе в объеме назначенного ресурса (1,2 · 106 переводов рабочего шибера);
- определение устойчивости объекта испытаний к внешним воздействующим факторам;
- определение фактических значений показателей надежности электропривода, а
также основных деталей, узлов и механизмов (ресурс, наработка до отказа);
- проведение сравнительного анализа аналитических данных возможных отказов и
результатов, полученных в процессе испытаний.
Под аналитическими данными возможных отказов электропривода стрелочного типа
СП-6М необходимо понимать FMEA-анализ конструкции – анализ видов и последствий
отказов. FMEA-анализ – один из наиболее эффективных методов аналитической оценки
результатов конструкторской деятельности и процессов [2]. Прогнозирование дефектов и
предупреждение их появления является важнейшей задачей этого метода. С помощью
данного метода получена информация о том, на какие элементы конструкции необходимо
обратить внимание в первую очередь, а главное – выявлены причины потенциальных несоответствий и разработаны мероприятия по их устранению [3].
31
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 3(35)
Показателями надежности, как уже отмечалось, являются безотказность и ремонтопригодность изделия. Для проверки этих показателей изделие подвергается воздействию
внешних факторов и механических нагрузок, сопоставимых с действующими на него в
процессе эксплуатации. В связи с этим проверяется постоянство значений выходных параметров (табл. 1).
Выходные параметры электропривода стрелочного типа СП-6М
Параметр
Значение параметра
Ход шибера, мм
154 ± 2
Ход контрольных линеек,
мм
154 ± 2
Ток перевода, А (не более)
3,9
Время перевода, с (не более)
2,8
Ток фрикции, А
8
Усилие фрикции, Н
–
Таблица 1
Примечание
Расстояние, которое проходит шибер при выдвижении
Расстояние, которое проходят контрольные линейки
при выдвижении
Ток срабатывания электропривода
Время срабатывания электропривода
Ток срабатывания фрикционной муфты
Усилие, на которое настроена фрикционная муфта
Виды испытаний, которым подвергается модернизированный электропривод типа
СП-6М: ресурсные, механические, климатические. Выбран форсированный режим испытаний, т.е. более тяжелый, чем эксплуатационный.
Правила принятия решения определяются по соответствию или несоответствию выходных параметров: если значения проверяемых параметров изделия находятся в диапазоне допустимых значений, то изделие соответствует требованиям нормативной документации и идентифицируется как годное, в этом случае испытания прекращаются после того, как все запланированные мероприятия будут выполнены в полном объеме для всей
партии изделий; если значения выходных параметров вышли за пределы диапазона допустимых значений, то изделие не соответствует требованиям нормативной документации и
не может выполнять свои функции, в этом случае испытания прекращаются, выясняются
причины наступившего отказа и по возможности он устраняется в кратчайшие сроки.
Испытания проводятся в помещении в нормальных условиях с искусственным отоплением и вентиляцией. Отдельные этапы испытаний и проверок изделия не должны прерываться, пока они не будут выполнены в полном объеме и не будут сняты показания выходных параметров. Ремонт изделий в процессе испытаний предусмотрен. Испытания
проводятся на стенде проверки электропривода (рис. 3).
Испытательный стенд состоит из пульта управления 1, устройства нагрузки электропривода 2, гайки 3, шайбы 4. Устанавливаем электропривод на стенд, закрепляя его резьбовым соединением. Подсоединяем его к нагружающему устройству следующим образом:
к шиберу электропривода через корпус с помощью пальцев подсоединяем шток гидроцилиндра, который и будет создавать нагрузку на электроприводе. Также необходимо подключить электрическую систему электропривода к испытательному стенду для управления электроприводом.
32
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 3(35)
Рис. 3. Стенд проверки электропривода стрелочного типа СП-6М (главный вид)
Порядок проведения и последовательность отдельных этапов испытаний приведены
в табл. 2.
Соответствие электропривода конструкторской документации и программе и методике проверяют в процессе его изготовления.
Контрольные проверки размеров деталей электропривода и их осмотр проводят с целью определения величины износа деталей. Проверки размеров отдельных деталей могут
проводиться также в ходе испытаний в случае отказа для анализа причин отказа. Внешний
осмотр деталей проводят визуально. При этом обращают внимание на наличие трещин,
царапин, сколов и отслоений (выкрашивания) материала металлокерамических дисков,
антифрикционного самосмазывающегося материала, на целостность и состояние ножей и
контактных пружин, наличие следов их износа и подгорания, на состояние подшипников
редуктора.
Проверку электромеханических и временных характеристик проводят на стенде проверки электроприводов ЭЦ. Для каждой нагрузки регулируют фрикционную муфту и измеряют время и ток перевода шибера. При каждой нагрузке параметры электропривода
должны соответствовать требованиям, а перевод шибера в крайние положения должен
осуществляться плавно, без рывков, пробуксовывания и заклинивания.
Проверку ступенчатой регулировки фрикционной муфты проводят на стенде проверки электроприводов ЭЦ на втягивание шибера. Корончатую гайку 17 устанавливают в положение, обеспечивающее минимально возможное усилие, передаваемое фрикционной
муфтой на шибер. Последовательно поворачивая гайку на одно деление (шаг) и фиксируя
ее винтом, измеряют усилие и силу тока фрикции при каждом положении гайки. Испытание проводят до достижения значения усилия фрикции 7500 Н или до полного сжатия тарельчатых пружин.
33
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 3(35)
Таблица 2
Перечень и последовательность проводимых проверок и этапов испытаний
Проверка (испытание)
1. Проверка соответствия требованиям конструкторской документации и программе и методике
2. Измерение размеров деталей. Внешний осмотр
3. Проверка электромеханических и временных
характеристик в полном объеме
4. Проверка электромеханических и временных
характеристик при нагрузке на шибере 3500 Н
Время проведения и периодичность
До начала испытаний
До и после ресурсных испытаний
До и после ресурсных испытаний
До и после ресурсных испытаний, а
также через каждые 100000 переводов в
ходе ресурсных испытаний
5. Проверка величины хода шибера
До и после ресурсных испытаний, а
также через каждые 100000 переводов в
ходе ресурсных испытаний
6. Проверка величины хода контрольных линеек До и после ресурсных испытаний, а
также через каждые 100000 переводов в
ходе ресурсных испытаний
7. Проверка ступенчатой регулировки фрикциДо и после ресурсных испытаний
онной муфты
8. Проверка глубины врубания ножей
До и после ресурсных испытаний, а
также через каждые 100000 переводов в
ходе ресурсных испытаний
9. Проверка равномерности и величины отжима До и после ресурсных испытаний, а
контактных пружин
также через каждые 100000 переводов в
ходе ресурсных испытаний
10. Проверка электрической прочности изоляДо и после ресурсных испытаний
ции
11. Проверка электрического сопротивления
До и после ресурсных испытаний
изоляции
12. Проверка электрического сопротивления
До и после ресурсных испытаний, а
изоляции между контактными пружинами котакже через каждые 100000 переводов в
лодок автопереключателя
ходе ресурсных испытаний
13. Проверка переходного сопротивления конДо и после ресурсных испытаний
тактов автопереключателя
14. Проверка усилия и тока фрикции
До и после ресурсных испытаний, а
также через каждые 100000 переводов в
ходе ресурсных испытаний
15. Испытание на воздействие холода
Перед началом ресурсных испытаний
16. Испытание на воздействие инея и росы
Перед началом ресурсных испытаний
17. Испытание на воздействие тепла
Перед началом ресурсных испытаний
18. Испытание на воздействие смены темпераПеред началом ресурсных испытаний
туры
19. Испытание на воздействие верхнего значеПеред началом ресурсных испытаний
ния относительной влажности
20. Испытание на вибростойкость
Перед началом ресурсных испытаний
21. Испытание на назначенный ресурс
–
34
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 3(35)
Проверку переходного сопротивления контактов автопереключателя проводят с целью оценки надежности электрических контактов на стенде проверки электрического сопротивления перемычек методом ампервольтметра.
Перед каждым этапом испытаний проводят внешний осмотр электропривода и проверку времени и тока перевода при нагрузке на шибере 3500 Н. Усилие и ток фрикции устанавливают в соответствии с требованиями.
После окончания каждого этапа испытаний электропривод устанавливают на стенд
проверки электроприводов ЭЦ, проводят внешний осмотр, проверку функционирования
узлов и механизмов, наличия устойчивого контроля положения, измеряют время и ток перевода на втягивание и выдвижение шибера, усилие и ток фрикции на втягивание.
Электропривод считают выдержавшим испытание, если перевод в крайние положения осуществляется плавно, без рывков, пробуксовывания и заклинивания, имеет место
устойчивый контроль положения, время и ток перевода соответствуют требованиям, ток
фрикции составляет не более 5 А, усилие фрикции – не менее 3500 Н и не более 7500 Н,
все узлы и механизмы нормально функционируют, отсутствуют механические повреждения.
Испытание на стойкость к воздействию холода проводят методом Аа по ГОСТ
28199-89. Электропривод с закрытой крышкой устанавливают в камеру холода и тепла и
выдерживают при температуре -60°С в течение 6 часов с включенным обогревом.
Испытание на стойкость к воздействию инея и росы проводят в период восстановления после испытания на стойкость к воздействию холода. После выдержки в камере холода электропривод с закрытой крышкой устанавливают на стенд проверки электроприводов
ЭЦ, включают обогрев контактов автопереключателя и подключают к пульту управления.
В течение периода восстановления (6 часов) через 5, 10, 15, 30 минут после извлечения из камеры и в дальнейшем через каждый час выполняют перевод шибера из одного
крайнего положения в другое и контролируют наличие контакта в контрольных цепях автопереключателя по загоранию лампочек «Втянут» и «Выдвинут» на пульте управления.
Электропривод считают выдержавшим испытание, если при и после воздействия
инея и росы обеспечивается непрерывный электрический контроль после каждого перевода шибера и в паузах между переводами.
Испытание на стойкость к воздействию тепла проводят методом Ва по ГОСТ 2820089. Электропривод устанавливают в камеру холода и тепла и выдерживают при температуре +55°С в течение 6 часов. После окончания выдержки электропривод извлекают из
камеры и измеряют электрическое сопротивление изоляции.
Испытание на стойкость к изменению температуры проводят методом Na по
ГОСТ 28209-89. Электропривод подвергают воздействию трех непрерывно следующих
друг за другом температурных циклов.
Устанавливают температуру: в камере холода – -60 ± 3°С; в камере тепла – +65 ±
3°С.
Длительность выдержки при каждом значении температуры – 6 часов. Испытание
начинают с камеры холода. После окончания последнего температурного цикла электропривод извлекают из камеры и выдерживают в нормальных климатических условиях
(НКУ) в течение 6 часов.
Испытание на стойкость к воздействию верхнего значения относительной влажности
проводят методом Dв по ГОСТ 28216-89. Перед испытаниями проводят проверку электрической прочности и сопротивления изоляции в нормальных климатических условиях. Затем электропривод устанавливают в камеру тепла и влаги и подвергают воздействию четырех непрерывно следующих друг за другом 12 + 12 часовых циклов.
35
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 3(35)
После окончания последнего цикла электропривод извлекают из камеры и в течение
не более 15 минут проводят проверку электрической прочности и электрического сопротивления изоляции. После окончания периода восстановления в НКУ (6 часов) также проводят проверку электрической прочности и электрического сопротивления изоляции.
Электропривод считают выдержавшим испытание, если электрическая прочность и
электрическое сопротивление изоляции соответствуют требованиям, отсутствуют коррозия и нарушения защитных покрытий.
Испытание на вибростойкость проводят методом Fc по ГОСТ 28203-89. Устанавливают электропривод на вибростенд, надежно закрепляют на плите и подключают к пульту
управления стенда проверки электроприводов ЭЦ.
Нормы испытательного режима:
- ускорение в вертикальном направлении – 5g;
- диапазон частот вибрации – от 5 до 400 Гц;
- фиксированные частоты: 10; 20; 40; 100; 200; 400 Гц;
- продолжительность воздействия вибрации на каждой фиксированной частоте – 2
часа;
- общая продолжительность воздействия вибрации – 12 часов.
Параметры испытательного режима измеряют в контрольной точке на плите стенда
рядом с одной из точек крепления электропривода. Испытание проводят методом фиксированных частот во включенном положении без нагрузки. В конце выдержки на каждой
фиксированной частоте шибер переводится из одного крайнего положения в другое от
пульта управления.
Испытания на назначенный ресурс проводят путем наработки электроприводом назначенного ресурса (1,2 · 106 переводов рабочего шибера). Перед началом ресурсных испытаний и после их окончания проводят измерения и внешний осмотр деталей электропривода, а также проверки параметров электропривода, переходного сопротивления замкнутых контактов автопереключателя.
Наработку проводят на стенде проверки электроприводов ЭЦ в автоматическом режиме круглосуточно при нагрузке на шибере 3500 ± 10% Н. Частоту переводов устанавливают от 3 до 8 переводов в минуту. При этом обращают внимание на тепловой режим
электродвигателя.
Не реже одного раза в неделю проводят визуальный осмотр электропривода. При
этом обращают внимание на степень нагрева электродвигателя, кулачковой муфты, контактов автопереключателя, наличие посторонних шумов и плавность работы электропривода, целостность и состояние ножей и контактных пружин, наличие следов их износа и
подгорания, интенсивность искрения контактов, регулярность и легкость вращения роликов и степень их износа, наличие продуктов износа деталей электропривода.
Через каждые 105 переводов проводят проверки электропривода при нагрузке на шибере 3500 Н, проверки электрического сопротивления изоляции между контактными пружинами колодок автопереключателя. Контролируют ток и усилие фрикции на втягивание
и при необходимости регулируют фрикционную муфту. При этом записывают число шагов поворота корончатой гайки 17. Время включения электропривода на фрикцию должно
составлять от 8 до 10 с.
При обнаружении отказов и дефектов испытания приостанавливают. Решение о продолжении испытаний принимают после анализа и устранения отказа (дефекта).
Электропривод считают выдержавшим испытания на назначенный ресурс, если выполняются следующие условия:
- при всех проверках в ходе испытаний и после их окончания параметры электропривода соответствуют требованиям, перевод шибера в крайние положения осуществляется
плавно, без рывков и заклинивания;
36
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 3(35)
- после окончания испытаний электропривод находится в работоспособном состоянии, отсутствуют механические повреждения деталей, а их износ не достиг критических
значений и не привел к нарушению функционирования электропривода.
Результаты испытаний оформлены протоколом испытаний, в котором представлены
значения выходных параметров (табл. 3 и 4) и виды отказов со степенью износа соответствующих элементов. Данные по видам отказов представлены в сравнительной таблице
аналитических данных и эмпирических результатов (табл. 5).
Таблица 3
Выходные параметры электропривода после наработки назначенного ресурса
Усилие нагрузки на шибере
№ пункта ТУ
1.2.2
1.2.3
1.2.4
3500 Н
1.2.4
1.2.5
1.2.5
Значение параметра
По
Фактическое
ТУ
154±2
153
Параметр
Ход шибера, мм
Ход контрольных
154±2
линеек, мм
Ток перевода, А
(не более):
на втягивание
3,9
на выдвижение
3,9
Время перевода,
с (не более):
на втягивание
на выдвижение
Ток фрикции, А
Усилие фрикции,
Н
Результат проверки соответствия
Да
152
Да
3,2
3,0
Да
Да
2,8
2,8
–
2,66
2,41
4,5
Да
Да
–
–
5200
–
Таблица 4
Результаты проверки плавности регулировки усилия фрикции электропривода после наработки назначенного ресурса
№
шага
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Усилие
фрикции, Н
400
450
900
1100
1300
1600
1800 – 1900
1900 – 2200
2000 – 2300
–
Ток фрикции, А
1,3
1,5
1,7
1,8
2,0
2,2
2,3
2,5
2,65
3,0
Шаг усилия
фрикции, Н
–
50
350
200
200
300
300
300
100
–
Результат проверки
соответствия
–
Да
Да
Да
Да
Да
Да
Да
Да
–
Примечание
–
–
–
–
–
–
–
–
–
Вибрация
Исходные данные, полученные аналитическим методом, для построения диаграммы
Парето электропривода стрелочного типа СП-6М приведены в табл. 6. Данные, получен37
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 3(35)
ные эмпирически, для построения диаграммы Парето электропривода стрелочного типа
СП-6М приведены в табл. 7. Диаграмма Парето изображена на рис. 4 (блоки Б 21 и Б 23 входят в состав блока А 2 ; КПР – коэффициент приоритетного риска).
Таблица 5
Сравнительная таблица аналитических данных и эмпирических результатов
Вид отказа
Износ первичного валашестерни
Износ подвижного диска
Износ неподвижного
диска
Износ зубчатого колеса
Износ прокладки шибера
Смятие отверстия кулачковой шайбы
Износ контрольных рычагов
Износ осей
Износ переключающих
рычагов
Износ пальцев
Износ роликов
Износ линеек остряка
Порядковый номер
в таблице приоритетных отказов
Обозначение
вида отказа
Индекс
блока (элемента)
Численное
значение
параметра
отказа
6
С 54
Б 21
0,06
10
С 14
Б 23
0,27
10
С 19
Б 23
0,21
29
С 139
А3
0,03
30
С 200
А7
0,02
31
С 175
А1
0,05
35
С 103
А5
0,12
35
С 106
А5
0,01
35
С 107
А5
0,06
35
35
Не учитывается
С 109
С 117
С 183
А5
А5
А6
0,04
0,20
0,04
Таблица 6
Исходные аналитические данные для построения диаграммы Парето электропривода
стрелочного типа СП-6М
Индекс блока (элеΣ
%
Блок (элемент)
КПР
Σ%
мента)
КПР
КПР
Редуктор
А2
14316 14316 49,90 49,90
Электродвигатель с муфтой
А1
3622 17938 12,63 62,53
Автопереключатель
А5
3298 21236 11,50 74,02
Блок главного вала
А3
1928 23164
6,72
80,74
Блок шибера
А7
999 24163
3,48
84,23
Накладка сальника с кожухом
А9
935 25098
3,26
87,49
откидным
Блок линеек остряка
А6
819 25917
2,85
90,34
Блок упора
А4
736 26653
2,57
92,91
Корпус
А 11
496 27149
1,73
94,64
Крышка шибера
А8
484 27633
1,69
96,32
Панель освещения
А 12
455 28088
1,59
97,91
Крышка корпуса
А 13
320 28408
1,12
99,02
Крышка корпуса боковая
А 10
280 28688
0,98 100,00
38
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 3(35)
а)
б)
а)
б)
Рис. 4. Диаграмма Парето электропривода стрелочного типа СП-6М: а – аналитический метод; б – эмпирический метод
Таблица 7
Исходные эмпирические данные для построения диаграммы Парето электропривода стрелочного типа СП-6М
Блок (элемент)
Выходной вал-шестерни
Автопереключатель
Первичный вал-шестерни
Электродвигатель с муфтой
Блок линеек остряка
Блок главного вала
Блок шибера
Б 23
А5
Б 21
Численное
значение
параметров
блока (элемента)
0,48
0,43
0,06
А1
0,05
1,02
4,50
91,89
А6
А3
А7
0,04
0,03
0,02
1,06
1,09
1,11
3,60
2,70
1,80
95,49
98,19
100,00
Индекс блока
(элемента)
39
Σ значений
% значений
Σ%
0,48
0,91
0,97
43,24
38,74
5,41
43,24
81,98
87,39
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 3(35)
Так как при построении диаграммы Парето на приоритет одного блока над другим
большое влияние оказывает количество элементов в блоке, то получаемые данные могут
не совпадать с реальной ситуацией, но зато это позволяет упорядочить поиск наступившего отказа в процессе эксплуатации.
Как показывают результаты сравнения, в данных, полученных аналитическим путем,
приоритет имеют те отказы, которые связаны с заменяемыми в процессе испытаний и эксплуатации элементами. А при испытаниях, т.е. при получении данных эмпирическим путем, внимание в основном обращается на те элементы, которые, по мнению проектировщиков изделия, будут воспринимать наибольшие нагрузки. Поэтому сложно оценить реальную картину, которая может возникнуть в процессе эксплуатации.
После испытаний было предложено рекомендовать модернизированный электропривод СП-6М с деталями из антифрикционного самосмазывающегося материала, ножами из
порошкового композиционного материала, металлокерамическими фрикционными дисками к эксплуатации. Следует рассмотреть вопрос по доработке конструкции контактной
группы с целью обеспечения равномерного врубания ножей.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. ГОСТ 27.410-87. Методы контроля показателей надежности и планы контрольных испытаний на надежность.
2. Анализ видов и последствий потенциальных отказов. FMEA: справ. рук.: [пер. с англ.] / «Крайслер корпорэйшн», «Форд мотор компани», «Дженерал моторс корпорэйшн». – Н. Новгород: НИЦ КД; Приоритет, 1997. – 67 с.
3. Ритенман, В.И. Результаты внедрения метода FMEA-анализа конструкции для повышения качества электропривода стрелочного типа СП-6М / В.И. Ритенман // Вестн. БГТУ. – 2011. – № 4. – С. 20-25.
Материал поступил в редколлегию 5.06.12.
40
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 3(35)
УДК 658.562
Г.В. Ефимова, Т.В. Королькова
МЕТОДИКА ОЦЕНКИ РЕЗУЛЬТАТИВНОСТИ И ЭФФЕКТИВНОСТИ
ПРОЦЕССОВ МЕТРОЛОГИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ В СМК ПРЕДПРИЯТИЯ
Предложено создание системы менеджмента метрологического обеспечения. Разработано методическое
обеспечение, позволяющее оценить результативность и эффективность системы менеджмента метрологического обеспечения. Разработан механизм внедрения системы менеджмента метрологического обеспечения.
Предложены показатели для оценки результативности процессов.
Ключевые слова: система менеджмента метрологического обеспечения, результативность, эффективность,
процесс, СМК, методика оценки.
Любое современное производство, независимо от его специфики, неразрывно связано с измерениями, которым подвергаются как режимы технологических процессов, так и
параметры заготовок и готовой продукции. По результатам измерений обычно делаются
выводы о состоянии исследуемых объектов и соответствии их заданным требованиям. За
обеспечение необходимого качества измерений ответственность несет метрологическая
служба предприятия, поскольку любое измерение входит в комплекс работ по метрологическому обеспечению (МО) производства.
Международный стандарт ИСО 9001 [1] регламентирует управление контрольным и
измерительным оборудованием. Согласно разделу 7.6 ИСО 9001, организация должна определить, какие виды мониторинга и измерений будут осуществляться, а также соответствующее контрольное и измерительное оборудование, необходимое для предоставления доказательств соответствия продукции установленным требованиям.
Важнейшим элементом системы менеджмента качества (СМК) предприятия является
система его метрологического обеспечения. Поскольку управление средствами измерений
является одной из составляющих процесса производства продукции, то перед предприятиями встает задача периодической оценки результативности и эффективности МО производства.
Однако в настоящее время методика оценки результативности и эффективности работ по метрологическому обеспечению остается недостаточно разработанной. В связи с
этим актуальными являются исследования, посвященные разработке механизмов оценки
эффективности и результативности метрологического обеспечения систем менеджмента
качества.
Авторами разработаны модель системы менеджмента метрологического обеспечения (СММО), алгоритм внедрения разработанной системы, а также методика оценки результативности процессов метрологического обеспечения.
При реализации на предприятии требований ГОСТ Р ИСО 9001-2008 возникает необходимость оценки результативности и эффективности СМК, в том числе и процессов
метрологического обеспечения. Применение процессного подхода позволяет деятельность
по обеспечению качества и достоверности измерений рассмотреть как процесс. На основе
интеграции требований ГОСТ Р ИСО 9001-2008, ГОСТ Р ИСО 10012-2008 [2], ГОСТ
Р/МЭК 17025-2006 [3] авторами предлагается создание системы менеджмента метрологического обеспечения, структурная модель которой представлена на рис.1.
Под системой менеджмента метрологического обеспечения понимается совокупность взаимосвязанных и взаимодействующих элементов, направленных на метрологическое подтверждение пригодности оборудования, документации и управления процессом
измерений и испытаний в течение жизненного цикла продукции.
41
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 3(35)
Построение общей системы менеджмента качества предприятия осуществляется на
основе ГОСТ Р ИСО 9001-2008, а для организации деятельности испытательной лаборатории предприятия следует применять ГОСТ Р ИСО/МЭК 17025-2006. Если испытательные и калибровочные лаборатории выполняют требования ГОСТ Р ИСО/МЭК 17025-2006,
то их СМК для деятельности по проведению испытаний и калибровки также соответствует 9001.Таким образом, ГОСТ Р ИСО/МЭК 17025-2006 содержит требования к технической компетентности лабораторий, которых нет в ГОСТ Р ИСО 9001-2008.
Рис. 1. Модель системы менеджмента метрологического обеспечения
Важным элементом разработанной модели является понимание и удовлетворение
потребностей потребителя. В качестве одного из входных параметров системы следует
определить требования потребителя к оборудованию и процессам измерений, а выходным параметром будет являться удовлетворенность потребителя.
Блок «Ответственность руководства» определяет требования к руководству по установлению, документальному оформлению и поддержанию в рабочем состоянии СММО.
Руководству необходимо определить и установить измеримые цели в области качества.
Согласно пункту 5.2 ГОСТ Р ИСО 10012-2008, «руководство метрологической службы
должно обеспечить определение требований потребителя к измерениям и перевод их в
метрологические требования, выполнение системой менеджмента измерений требований
потребителя, демонстрацию соответствия измерительного оборудования и процессов измерений метрологическим требованиям, установленным потребителем». На руководство
также возлагается ответственность за проведение анализа СММО. Результаты анализа
следует использовать для внесения изменений в работу метрологической службы, что позволит повысить результативность и эффективность ее функционирования.
Блок «Менеджмент ресурсов». Для обеспечения эффективного функционирования
СММО следует осуществлять менеджмент ресурсов, необходимых для реализации деятельности по обеспечению качества и достоверности измерений. Высшее руководство
должно обеспечивать необходимые ресурсы для функционирования метрологической
службы.
42
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 3(35)
Блок «Обеспечение пригодности оборудования, документации и процессов измерений». Основным процессом СММО является организация работ по метрологическому
подтверждению пригодности оборудования и процессов измерений. Требования к организации этих процессов определяют пункты 7.1 и 7.2 ГОСТ Р ИСО 10012-2008 и 7.6
ГОСТ Р ИСО 9001-2008.
Пункт 7.6 ГОСТ Р ИСО 9001-2008 регламентирует необходимость управления устройствами для мониторинга и измерений, т. е. оборудование, которое используется в организации, в соответствии со своим статусом должно быть поверено или откалибровано.
Согласно пункту 7.6, «организация должна устанавливать процессы для обеспечения того,
что мониторинг и измерения могут быть выполнены и выполняются способами, совместимыми с требованиями к мониторингу и измерениям». В качестве таких процессов следует рассматривать метрологическое подтверждение пригодности и управление процессом измерений, требования к которым установлены в пунктах 7.1 и 7.2 ГОСТ Р ИСО
10012-2008. Метрологическое подтверждение пригодности оборудования проводится с
целью подтверждения соответствия метрологических характеристик оборудования метрологическим требованиям, предусмотренным процессом измерений. Периодичность данной процедуры устанавливается в документации. При этом средства и приборы, используемые для метрологического подтверждения пригодности, должны быть опломбированы.
Результатом проведения метрологического подтверждения пригодности также являются
записи, отражающие тип оборудования, дату, результат метрологического подтверждения
пригодности, максимально допустимую погрешность и ряд других характеристик. Помимо метрологического подтверждения пригодности оборудования, управления процессом
измерений в состав работ в рамках СММО также входят процессы метрологического подтверждения документации, проверки пригодности продукции. При проведении измерений
в рамках СММО (пункт 7.2 ГОСТ Р ИСО 10012-2008) следует идентифицировать используемое оборудование, определять измеряемые характеристики и методы измерений, навыки и квалификацию персонала.
Блок «Анализ СММО». Необходимо проводить анализ системы менеджмента метрологического обеспечения. В ходе анализа оценивается удовлетворенность потребителя
на основе данных, полученных в результате обратной связи с ним. Эти данные позволяют
сформировать один из выходных параметров системы - удовлетворенность потребителя.
Следует проводить аудит СММО, позволяющий выработать рекомендации по внесению
изменений в функционирование системы, а также мониторинг системы, позволяющий выработать предупреждающие действия. Результаты анализа СММО следует оформить документально.
Блок «Улучшение». На основе информации, полученной в ходе анализа СММО, в
результате обратной связи с потребителем, метрологической службе следует проводить
постоянное улучшение СММО. Улучшение осуществляется на основе анализа системы и
проведения корректирующих мероприятий по устранению несоответствий, а также мероприятий, направленных на повышение результативности и эффективности функционирования системы и удовлетворенности потребителей.
Для СММО была построена структурная схема (рис.2). На основе анализа содержания метрологического обеспечения предлагаются следующие основные элементы СММО:
1. Метрологическое подтверждение пригодности оборудования.
2. Метрологическое подтверждение пригодности документации.
3. Проверка пригодности продукции.
4. Управление процессом измерений.
5. Документирование СММО.
Каждый из основных блоков системы включает комплекс работ, направленных на
обеспечение и поддержание требуемой точности и достоверности результатов измерений.
Содержание блоков СММО определяется с учетом специфики деятельности предприятия.
Блок 1. К элементам метрологического подтверждения пригодности оборудования
следует отнести процессы, направленные на обеспечение соответствия измерительного
43
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 3(35)
оборудования требованиям, отвечающим его назначению. Следовательно, элементами
блока 1 являются калибровка средств измерений, аттестация испытательного оборудования, проверка программного обеспечения, используемого для обработки результатов измерений, организация поверки средств измерений.
Рис. 2. Структурная схема системы менеджмента метрологического обеспечения
Блок 2. Блок «Метрологическое подтверждение пригодности документации» включает метрологическую экспертизу и метрологическую проработку документации.
Под метрологическим подтверждением пригодности документации будем понимать
совокупность операций, необходимую для обеспечения соответствия документации метрологическим требованиям, отвечающим ее назначению.
Метрологическая экспертиза должна осуществляться на всех этапах разработки документации (чем раньше, тем меньше вреда принесут имеющиеся ошибки) [4; 5].
Блок 3.Элементами блока 3 являются испытания продукции, разработка методик испытаний и проведение измерений.
Блок 4. Элементами блока 4 являются разработка методик выполнения измерений и
аттестация этих методик, а также выбор средств измерений.
Блок 5 представляет собой систему документирования СММО. К элементам блока 5
относятся руководство СММО, нормативная база в области измерений, записи регистрации и учета процессов измерений.
Для эффективного функционирования СММО требуется наличие системы записей,
отражающих результаты работ, проводимых в рамках СММО, и документов, обеспечивающих нормативную основу реализации деятельности в области менеджмента измерений.
Организация должна установить последовательность и взаимодействие процессов
СММО, т.е. построить правильную, логичную и позволяющую развиваться организацион44
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 3(35)
Рис. 3. Функциональная модель системы менеджмента метрологического обеспечения
ную структуру, а также определить, как процессы взаимосвязаны между собой. Методика
описания процессов IDEF0 позволяет выделить, идентифицировать и описать процессы
СММО, построить схемы последовательности и взаимодействия процессов. На основе методологии IDEF0 строятся функциональные схемы взаимодействия основных процессов
СММО. Функциональная модель взаимодействия процессов СММО представлена на рис.
3.
45
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 3(35)
Рассмотрим процесс функционирования СММО. Его можно представить как совокупность шести подпроцессов:
− процесс обеспечения ответственности руководства (А1);
− процесс обеспечения менеджмента ресурсов (А2);
− процесс обеспечения пригодности оборудования и процессов измерений (А3);
− процесс анализа СММО (А4);
− процесс управления несоответствиями (А5);
− процесс улучшения СММО (А6).
Для оценки функционирования разработанной системы предлагается методика
оценки результативности [6; 7], основанная на определении результативности основных
процессов, входящих в систему.
Показатель R СММО (результативность системы менеджмента метрологического обеспечения) является комплексным и включает в себя множество групповых и единичных
показателей, характеризующих составляющие элементы СММО.
В качестве групповых показателей оценки результативности целесообразно использовать показатели результативности основных процессов СММО.
Иерархия показателей результативности СММО представлена на рис.4.
Рис. 4. Граф-модель зависимости комплексного показателя оценки результативности СММО от
групповых и единичных показателей: R отв - результативность процесса «Ответственность руководства»; R мр - результативность процесса «Менеджмент ресурсов»; R МО - результативность процесса «Обеспечение пригодности оборудования и процессов измерений»; R ан - результативность процесса «Анализ СММО»; R упр - результативность процесса «Управление несоответствиями»; R ул - результативность процесса «Улучшение СММО»
Оценка результативности системы менеджмента метрологического обеспечения в
предлагаемой методике осуществляется на основе анализа результативности основных
процессов, входящих в систему.
Групповые показатели рассчитываются суммированием единичных показателей. Это
позволяет получить значение группового показателя, отличное от нуля, даже при нулевом
значении одного из единичных показателей.
Полученные значения групповых показателей перемножаются между собой, что
обеспечивает достоверность и адекватность полученной оценки результативности СММО,
поскольку в случае равенства нулю одного из групповых показателей, характеризующих
результативность основных процессов системы, невозможно говорить о результативном
функционировании всей системы.
Комплексный показатель результативности СММО определяется как отношение
произведений фактических и плановых групповых показателей:
46
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 3(35)
m
RСММО =
∏R
i =1
m
ф
i
∏R
i =1
,
(1)
пл
i
где Riф - фактическое значение группового показателя результативности каждого процесса
СММО; Riпл - плановое значение группового показателя результативности каждого процесса СММО; m – количество процессов СММО.
Для определения плановых и фактических значений групповых показателей результативности, входящих в формулу (1), предлагаются следующие формулы:
n
Riф = ∑ k фj ,
j =1
ф
j
где k - фактическое значение единичного показателя результативности i-го процесса
СММО; n – количество единичных показателей результативности i-го процесса СММО;
n
Riпл = ∑ k пл
j ,
j =1
пл
j
где k - плановое значение единичного показателя результативности i-го процесса
СММО.
Результативность каждого процесса предлагается определять как отношение фактического и планового показателей результативности:
Rф
Ri = iпл .
Ri
Выделенные единичные показатели результативности процесса «Менеджмент ресурсов» и их плановые значения представлены в табл. 1.
Таблица 1
Единичные показатели результативности процесса
«Менеджмент ресурсов»
Единица
Обоизмерения,
знаНаименование
целевое
Формула расчета
чение
показателя
значение
Коэффициент дефект- Количество несоответствий, выявлен- Отн.ед,
k 21
ности покупных ма- ных при входном контроле/ общее коли- стремится к
териалов
чество проверок на входном контроле
0
Коэффициент соблю- Число поставок, выполненных в уста- Отн.ед,
k 22
дения сроков поставок новленные сроки/ общее число поставок стрем. к 1
Коэффициент текуче- Нормативный уровень текучести персо- Отн.ед,
k 23
сти персонала
нала/ фактический уровень текучести стремится к
персонала
1
Коэффициент выпол- Количество сотрудников организации, Отн.ед.,
нения годового плана прошедших обучение за год/ количество стремится к
k 24
обучения персонала
сотрудников, прошедших обучение по 1
плану
Коэффициент затрат Фактические затраты на обучение/ пла- Отн.ед,
k 25
на обучение персонала нируемые затраты на обучение
стремится к
0
Коэффициент
свое- Число работников, не прошедших атте- Отн.ед,
k 26
временной аттестации стацию/общее количество производст- стремится к
персонала
венного персонала
0
47
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 3(35)
На основе рассчитанного показателя результативности делается вывод о степени результативности функционирования СММО.
Шкала результативности системы менеджмента метрологического обеспечения приведена в табл. 2.
Если в результате анализа оказалось, что система функционирует результативно, то
разрабатываются мероприятия по улучшению функционирования системы с целью повышения её результативности.
Если по результатам анализа выявлено, что система функционирует нерезультативно, то необходимо определить несоответствия и причины их возникновения, а также разработать и внедрить комплекс корректирующих мероприятий.
Таблица 2
Шкала результативности системы менеджмента метрологического обеспечения
Значение показателя
Оценка результативности системы
результативности
Система не результативна. Цели и задачи не были достигнуты. Необходимо принятие срочных корректирующих
действий для выявления и устранения причин несоответст0<R СММО <0,3
вий. Требуется полное переосмысление процессов, необходимо провести: анализ требований, предъявляемых к процессам; анализ выбора критериев; анализ взаимодействия
процессов
Низкий уровень результативности системы. Система требует глубокого анализа. Необходимо принятие срочных
0,31<R СММО <0,5
корректирующих действий для выявления и устранения
причин несоответствий
0,51<R СММО <0,75
0,76<R СММО <0,85
0,86<R СММО <1
Средний уровень результативности. Цели и задачи были
частично достигнуты. Необходимо разработать корректирующие действия для выявления и устранения причин несоответствий, провести анализ с использованием статистических методов
Система результативна. Цели и задачи близки к достижению. Необходимо проведение мероприятий для предупреждения появления несоответствий, а также проведение
анализа с использованием статистических методов
Высокий уровень результативности. Поставленные цели и
задачи практически достигнуты либо выполнены в полной
мере. Регулярное проведение статистических исследований
необходимо для разработки мероприятий, направленных на
улучшение процесса. Возможно увеличение критериев
Авторами был разработан алгоритм создания системы менеджмента метрологического обеспечения (рис. 5).
Результаты исследований были применены на примере ЗАО «Группа Кремний Эл».
Для ЗАО «Группа Кремний Эл» была разработана система менеджмента метрологического обеспечения. С учетом специфики деятельности предприятия были определены основные элементы системы.
На основе данных, полученных в ЗАО «Группа Кремний Эл», по предлагаемой методике была рассчитана результативность основных процессов, выделенных в системе.
48
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 3(35)
Оценка результативности процессов позволяет выявить процессы в системе, требующие улучшения. Графическое представление результативности выделенных процессов показано на рис.6.
Рис. 5. Алгоритм разработки и внедрения системы менеджмента
метрологического обеспечения
На основании анализа рис. 6 можно сделать вывод, что наименьшей результативностью обладает процесс «Менеджмент ресурсов». Это свидетельствует о том, что требуется
разработка мероприятий, направленных на повышение результативности всей СММО, но особое
внимание следует уделить разработке мероприятий, которые повысят результативность процесса
«Менеджмент ресурсов».
Применение разработанной
методики оценки результативности позволяет выявить не только
недостаточно
результативный
процесс СММО, но и возможности для улучшения каждого отдельного процесса системы. После проведения анализа результативности процессов, входящих в СММО, необходимо определить область для улучшения.
49
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 3(35)
Целью разработанной методики оценки результативности является определение возможностей для улучшения системы менеджмента метрологического обеспечения. Поэтому
разработка мероприятий по улучшению является необходимым этапом применения методики, направленным на повышение результативности функционирования системы.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. ГОСТ Р ИСО 9001-2008. Системы менеджмента качества. Требования.- М.: Стандартинформ, 2010. 68 с.
2. ГОСТ Р ИСО 10012-2008 Системы менеджмента измерений. Требования к процессам измерений и измерительному оборудованию. - М.: Стандартинформ, 2009.-23 с.
3. ГОСТ Р ИСО/МЭК 17025-2006. Общие требования к компетентности испытательных и калибровочных
лабораторий.- М.: Стандартинформ, 2007.-25 с.
4. РМГ 63-2003. ГСИ. Обеспечение эффективности измерений при управлении технологическими процессами. Метрологическая экспертиза технической документации. - М.: Изд-во стандартов, 2004. -13 с.
5. Метрологическая экспертиза технической документации / Ю.Н. Яковлев, Н.Г. Глушкова, Н.Я. Медовикова, Л.В. Бесфамильная, Н.И. Столярова. - М.: Изд-во стандартов,1992. - 184 с.
6. Мезин, И.Ю. Оценка результативности метрологического обеспечения производства автокомпонентов/
И.Ю. Мезин, Е.С. Яковлева // Вестн. Магнитог. гос. техн. ун-та им. Г.И. Носова. - 2009. - №3. - С. 49-52.
7. Ефимова, Г.В. Методика повышения результативности системы менеджмента качества / Г.В. Ефимова,
Я.В. Агеенко // Материалы Международной научно-практической конференции «Проблемы инновационного биосферно-совместимого социально-экономического развития в строительном, жилищнокоммунальном и дорожном комплексах»( г.Брянск, 8-9 окт. 2009 г.). – С. 331-336.
Материал поступил в редколлегию 0.06.12.
50
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 3(35)
УДК 621.787.4
С.В. Степошина
РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМА ДЛЯ АВТОМАТИЗАЦИИ ВЫБОРА
РЕЖИМА ПОВЕРХНОСТНОГО ПЛАСТИЧЕСКОГО
ДЕФОРМИРОВАНИЯ ПОВЕРХНОСТЕЙ СТАЛЬНЫХ ДЕТАЛЕЙ
Разработана программа, позволяющая автоматически заполнять технологическую документацию для операции поверхностного пластического деформирования (ППД) и тем самым сокращать время на технологическую подготовку производства.
Ключевые слова: отделочно-упрочняющая обработка, поверхностное пластическое деформирование, алгоритм оптимизации, метод штрафных функций, метод градиентного спуска.
При обзоре технической литературы по вопросу оптимизации отделочноупрочняющей обработки (ОУО) ППД цилиндрических поверхностей были определены
основные параметры, влияющие на выбор метода обработки:
- форма и материал детали;
- параметры качества поверхностного слоя детали;
- размеры детали, жесткость;
- исходные параметры качества поверхностного слоя заготовки.
Определяющее влияние при выборе метода для ОУО ППД оказывают форма
обрабатываемой поверхности детали, материал, его твердость. Жесткость детали влияет
на допустимые усилия обработки, крутящие моменты. При обработке алмазным
выглаживанием для получения определенного давления в зоне обработки требуются
меньшие усилия, что применимо для тонкостенных и маложестких деталей. Детали
высокой твердости (>50 HRCэ) также могут быть обработаны только алмазом (ввиду его
твердости). Детали с шероховатостью Ra 0,02…0,04 мкм тоже рекомендуется
выглаживать. Детали с другими параметрами можно обрабатывать как алмазными
выглаживателями, так и инструментами со стальными деформирующими элементами[2;
3].
Требуемые параметры качества поверхностного слоя определяют параметры режима
обработки - P, S, V. Исходные параметры качества поверхностного слоя заготовки
определяют возможности для обработки детали ППД. Был разработан алгоритм
оптимизации условий ОУО ППД, блок-схема которого представлена на рис.1.
Блок 0- ввод исходных данных (известных из чертежа детали).
В блоке 1 выбираем метод ППД, который может быть применим в данных условиях.
Dн
l
= 12,5...40 ), нежестких ( > 12 ) деталей и деталей высокой
Для тонкостенных (
S
D
твердости ( HRCэ > 50 ) может быть применимо только алмазное выглаживание. Для
остальных методов применимы как алмазное выглаживание, так и обработка
инструментами со стальным деформирующим элементом.
Далее (блок 2) определяем вид ОУО ППД в зависимости от требуемого
коэффициента упрочнения (отделочная, отделочно-упрочняющая или упрочняющая
обработка).
В блоке 3 вычисляем усилие обработки, допустимое по жесткости детали. В основе
ограничения лежит условие, при котором величина прогиба заготовки под действием радиальной силы должна быть не более допустимого прогиба.
В блоке 4 выбираем метод обработки в соответствии с тем, какое качество поверхности можно с помощью него обеспечить.
51
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 3(35)
Далее (блок 5) рассчитываем усилие и номинальное давление в зоне обработки по
теории контактирования твердых тел [9].
В блоке 6 сравниваем допустимое усилие с рассчитанным.
Дальше (блок 7) назначаем параметры деформирующей части инструмента
(радиус алмаза либо диаметр стального
шарика в накатнике) в зависимости от
требуемого значения Ra поверхности детали.
В блоке 8 рассчитываем продольную
подачу и назначаем скорость обработки.
В блоке 9 выполняем оптимизацию.
В данной работе будет проводиться расчет
оптимальной скорости резания и подачи
по критериям наибольшей производительности и наименьшей себестоимости. Как
правило, наиболее производительный режим является и наиболее затратным. Поэтому необходимо решить задачу многокритериальной оптимизации путем построения компромиссной целевой функции.
Различные методы оптимизации
применяются для конкретных условий задачи. Был проведен обзор методов оптимизации (табл. 1 - 3) [4 - 6]. Для написания
алгоритма используем метод штрафных
функций для преобразования условной
задачи оптимизации в безусловную (это
позволяет использовать для последующей
оптимизации более простые методы). Далее применяем метод градиентного спуска
Рис. 1. Блок-схема алгоритма оптимизации выбора
с постоянным шагом.
инструмента и режимов обработки
Таблица 1
Методы, применяемые для безусловной оптимизации функции одной переменной
Метод оптимизации
Решаемые задачи
1. Классический метод
Детерминированные задачи, заданные
дифференцируемой функцией
2. Методы исключения интервалов (одномер- Детерминированные унимодальные
ные методы поиска):
функции, как непрерывные, так и раз2.1. Метод перебора.
рывные
2.2. Метод дихотомии (деление отрезка пополам).
2.3. Метод Фибоначчи.
2.4. Метод золотого сечения
3. Методы полиномиальной аппроксимации:
Детерминированные унимодальные не3.1. Использование квадратичной аппроксипрерывные функции
мации.
3.2. Метод Пауэлла
52
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 3(35)
Таблица 2
Методы, применяемые для условной оптимизации
Метод оптимизации
Решаемые задачи
1. Методы линейного программирования
Целевая функция линейна
2. Методы штрафных функций (метод Задачи нелинейного программирования,
множителей Лагранжа, метод последова- преобразование условной задачи оптимительной безусловной оптимизации, метод зации в безусловную
барьерных поверхностей)
3. Методы поиска (метод Бокса, метод Задачи нелинейного программирования
Холтона)
Таблица 3
Методы, применяемые для безусловной оптимизации функции многих переменных
Метод оптимизации
Решаемые задачи
1. Классический метод
Детерминированные задачи, заданные
дифференцируемой функцией
2. Методы прямого поиска:
Детерминированные унимодальные функ2.1. Методы, основанные на вычислении ции, как непрерывные, так и разрывные
только целевой функции (метод поиска по
симплексу, метод поиска Хука-Дживса,
метод сопряженных направлений Пауэлла,
метод Нелдера-Мида, метод случайного
поиска)
2.2. Градиентные методы, в которых ис- Детерминированные унимодальные непрепользуются точные значения производ- рывные функции
ных(метод Коши, метод Ньютона)
2.3. Методы второго порядка, где исполь- Детерминированные унимодальные непрезуется вторая производная (метод Мар- рывные функции
квардта)
Расчет зависимостей для оптимизации технологического процесса ОУО ППД по
критериям наибольшей производительности и наименьшей себестоимости велся по методу приведенных затрат [1; 7; 8].
Штучная производительность технологической операции (шт/мин) обратна штучнокалькуляционному времени на эту операцию:
П=
1
t шт.к
,
где t шт.к - штучно-калькуляционное время, мин.
При введении в данную зависимость составляющих, которые зависят от режима обработки, целевая функция для минимизации штучного времени обработки поверхности
ППД примет вид
tшт. р =
lπd  Tсм pSV 2 HV
1+
1000VS 
7 ⋅10 6 P


 → min ,


(1)
где l- длина заготовки, мм; d- диаметр заготовки, мм; V- скорость резания, м/мин; S- подача, мм/об; Т см - время, затрачиваемое на каждую смену инструмента, мин; р- контактное
давление, МПа; HV- твердость обрабатываемого материала; Р – усилие, Н.
В конечном итоге целевая функция для минимизации себестоимости примет вид
53
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 3(35)
Cоп. р = R +
lπdpVHV
→ min ,
9
7 ⋅ 0,05 ⋅10 P
(2)
где R = C з.с + С а + С пр + С эн + С п ; С з.с - заработная плата станочника (с начислением в
фонд соцстраха); С а - амортизационные отчисления на замену станка; С пр - затраты на
амортизацию и ремонт универсальных приспособлений; С эн - затраты на силовую
электроэнергию; C п - затраты по эксплуатации помещений.
Для получения совмещенного аддитивного критерия из зависимостей (1) и (2),
имеющих различную размерность, одним из методов свертки необходимо привести величины t шт.р и С оп.р к безразмерному виду. Для этого делим правые и левые части выражений (1) и (2) на некоторые условно принятые средневзвешенные нормирующие делители
t шт.ср и С оп.ср . Значения t шт.ср и С оп.ср наиболее удобно вычислять при заранее известных значениях скорости и подачи, определяемых по справочным данным для данного метода обработки [3].
При дискретном множестве значений скорости и подачи в качестве t шт.cр и С оп.cр
берем среднее арифметическое значение t шт.р и С оп.р числа пар kl значений V и S:
 T lπdpV 2 HV 
lπd
1 k l
см


i
t шт.ср =
1+
∑ ∑

;
9
kl i =1 j =11000Vi S j 

7
⋅
10
P


lπdpVi HVS j 
1 k l 
.
Cоп.ср =
∑ ∑ R+
kl i =1 j =1

7 ⋅ 0,05 ⋅109 P 
После приведения критериев оптимальности к безразмерному виду получим:
Соп. р ,
t шт. р ,
F = τCτ + σCσ → min ,
σ=
τ=
t шт.ср
Соп.ср
где Cτ и Cσ - весовые коэффициенты производительности и себестоимости (зависят от
степени влияния на значение целевой функции).
В конечном итоге целевая функция примет вид

 T pSV 2 HV
lπd
1 + см
F (V , S ) = 
1000VStшт.ср 
7 ⋅10 6 P





lπdpVHV
С +  R +
C .
 τ  Соп.ср
9
 σ
PС
⋅
⋅
,
05
10
7
0
оп
ср
.



Далее выполняем оптимизацию с помощью метода штрафных функций. Основная
цель данного метода - преобразование задачи нелинейного программирования (с ограничениями V < 200; S < 0,5 ) в последовательность задач безусловной минимизации.
Вводим штрафные функции g (V, S) , которые подбираются так, чтобы ∇Fg (V , S )
2V − 400
2S − 1
, g2 =
.
2
2
Новая целевая функция примет вид
мало отличалась от ∇F (V , S ) : g1 =

lπd
F (V , S ) = 
1000VSt шт.ср

 T pSV 2 HV
1 + см

7 ⋅ 10 6 P




lπdpVHV
С +  R +
C +
σ
 τ  Соп.ср
9
7 ⋅ 0,05 ⋅ 10 PСоп.ср 


2
2
 2V − 400 
 2S − 1 
+ k
 + k
 → min .
2


 2 
54
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 3(35)
Далее минимизируем данную функцию методом градиентного спуска при
различных значениях k (рис.2).
На рис.2:
e - заданный параметр, характеризующий точность нахождения экстремума;
вектор-градиент целевой
∇F (V , S ) функции;
 dF (V , S ) dF (V , S )  ;
∇F (V , S ) = 
;

dS 
 dV
∇F (V , S ) - модуль вектора-градиента
целевой функции;
Рис. 2. Блок-схема оптимизации методом градиентного спуска

T pSHV
dF (V , S ) 
− lπd
1 − см
= 

2
dV
 1000V Stшт.ср
7 ⋅10 6 P

∇F (V , S ) =
dF 2 (V , S ) dF 2 (V , S )
.
+
dV
dS



lπdpHV

C + k 2 (2V − 400);

+
С
 τ 
9
 σ

7
0
,
05
10
⋅
⋅
PС
.
оп
ср





− lπd
dF (V , S ) 
С + k 2 (2S − 1) .
=
 τ
1000VS 2t
dS
.
шт
ср


Результатом выполненной работы стала программа, написанная в среде Borland
C++Builder, которая позволяет автоматически заполнять операционную карту и дает рекомендации по выбору наиболее оптимального вида ОУО ППД, применимого к данным
условиям обработки. В программе использовался механизм автоматизации OLE для подключения объектов Microsoft Office (подключение таблиц баз данных, разработанных Microsoft Excel, заполнение операционной карты). Интерфейс окна программы представлен
на рис.3.
Рис. 3. Интерфейс программы и операционная карта
55
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 3(35)
Исходные данные, вводимые для расчета (согласно чертежу детали):
- тип поверхности (внутренняя/ наружная);
- размеры (диаметр, длина);
- материал детали;
- требуемые параметры качества поверхностного слоя детали (шероховатость поверхности, коэффициент упрочнения, глубина упрочнения, квалитет детали);
- радиус инструмента.
Выходные данные:
- рекомендуемый наиболее оптимальный вид обработки;
- значения режимов упрочнения (Р, S, V);
- требуемое качество после предшествующей обработки;
- автоматически заполненная операционная карта для операции ППД.
Таким образом, данная программа, учитывающая физико-механические свойства
материала заготовки, качество ее поверхности и параметры деформирующей части инструмента, позволит сократить время на технологическую подготовку производства при обработке и восстановлении деталей машин, обрабатываемых методами ППД.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Оптимизация технологических условий механической обработки деталей авиационных двигателей/ В.Ф.
Безъязычный [и др.].-М.: Изд-во МАИ, 1993.- 184с.
2. Одинцов, Л. Г. Упрочнение и отделка деталей поверхностным пластическим деформированием: справочник/ Л.Г. Одинцов.- М.: Машиностроение, 1987.- 328с.
3. Рыжов, Э.В. Оптимизация технологических процессов механической обработки/ Э.В. Рыжов, В.И. Аверченков.- Киев: Наукова думка, 1989.-192с.
4. Реутов, А.А. Методы оптимизации в инженерных расчетах: учеб. пособие/ А.А. Реутов.- Брянск: БГТУ,
2004.- 111с.
5. Реклейтис, Г. Оптимизация в технике: [пер. с англ.]/ Г. Реклейтис, А. Рейвиндран, К. Рэгсдел.- М.: Мир,
1986.- Кн. 1.-350с.
6. Реклейтис, Г. Оптимизация в технике: [пер. с англ.]/ Г. Реклейтис, А. Рейвиндран, К. Рэгсдел.- М.: Мир,
1986.- Кн. 2.-320с.
7. Расчеты экономической эффективности новой техники: справочник/ под общ. ред. К.М. Великанова.- 2-е
изд., перераб. и доп.- Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1990.- 448с.
8. Тверской, М.М. Автоматическое управление режимами обработки деталей на станках/ М.М. Тверской.М.: Машиностроение, 1982.- 208с.
9. Федонин, О.Н. Научное обоснование выбора режимов обработки при поверхностном пластическом деформировании/ О.Н.Федонин, С.В.Степошина// Вестн. БГТУ.- 2011.- №1.- С. 4-8.
Материал поступил в редколлегию 4.07.12.
56
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 3(35)
УДК 629.4
А.П. Болдырев, Р.Б.Гапчин
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ ЭЛАСТОМЕРНЫХ
ПОГЛОЩАЮЩИХ АППАРАТОВ ДЛЯ ВАГОНОВ-ЦИСТЕРН
Исследованы математические модели эластомерных поглощающих аппаратов, устанавливаемых на вагонахцистернах. Разработана методика расчета динамических процессов, происходящих при соударении вагонов
и переходных режимах движения поездов.
Ключевые слова: поглощающий аппарат, наливной поезд, вагон-цистерна,силовая характеристика, скорость
восстановления, численное интегрирование, математическая модель.
В транспортной системе России железные дороги занимают ведущее место [5-7].
Около 80% грузооборота (без учета трубопроводного транспорта) выполняется
железнодорожным транспортом. На данный момент на российских железных дорогах
эксплуатируетсясвыше 1млн грузовых вагонов, принадлежащих ОАО «РЖД» и
российским операторским компаниям. С 2000 г. начали заметно увеличиваться объемы
перевозок. Это отразилось на увеличении масс вагонов и поездов, увеличении скоростей
соударений вагонов при маневровых горочных операциях, что привело к росту
продольной нагруженности вагонаи, следовательно, потребности в разработке
эффективных устройств защиты подвижного состава от продольных ударов –
поглощающих аппаратов.
В результате совместной работы ряда научных организаций и предприятий
разработан ОСТ 32.175 – 2001, который предусматривает разделение поглощающих
аппаратов по основным техническим показателям на 4 класса: Т0, Т1, Т2, Т3.
По сравнению с динамикой сухогрузного поезда динамика железнодорожного
состава, содержащего цистерны, частично заполненные жидкостью, существенно
усложняется. Это обусловлено появлением бесконечного числа дополнительных степеней
свободы, связанных с волновым движением жидкости.
Рассмотрим конструкцию эластомерного аппарата ЭПА-120. Поглощающий аппарат
(рис. 1) состоит из корпуса 1, выполненного заодно с тяговым хомутом автосцепки, и
днища
с дополнительной камерой6, называемой камерой постоянного объема,
размещенной в пространстве между задними упорами автосцепки.В корпусе 1
располагаются поршень 3 с полым штоком и полый плунжер 9, междукоторыми имеется
калиброванный
зазор
8
переменной
величины,
являющийся
каналом
дросселирования.Камеры сжатия (2) и расширения (7) внутри плунжера 9, полость 5
внутри штока поршня 3 и камера постоянного объема 6 заполнены объемно сжимаемым и
текучим телом – эластомерной композицией. Уплотнения 4 обеспечивают герметичность
подвижного соединения штока и плунжера.
Поглощающий аппарат работает
следующим образом. Под действием
сжимающей
нагрузки,
передаваемой
упорной
плитой
10
автосцепного
устройства, плунжер 9 перемещается
внутрь корпуса 1, сжимая эластомер
вкамере сжатия, а также в полости штока
поршня 3 и камере постоянного объема 6
через отверстия 5, одновременно заставляя
перетекать эластомер через калиброванный
зазор 8 между плунжером 9 и поршнем 3 в
Рис. 1. Поглощающий аппарат ЭПА-120
57
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 3(35)
Усилие на аппарате, Н
камеру расширения 7 за поршнем. Восстановление аппарата после удара происходит под
действием давления на плунжер 9 объемно сжатого эластомера в камерах 6 и 2[2].
Расчетные силовые характеристики аппарата ЭПА-120 для случая 3 ударов
одиночного вагона, оборудованного этим амортизатором,
в неподвижный
недеформируемый упор, повторяющихся с интервалом 4 секунды, приведены на рис.2.
Видно, что для повторных
1-й удар
ударов при одинаковых начальных
условиях силовая характеристика
описывается разными кривыми,
причем
последующие
удары
протекают
с
меньшей
2-й удар
3-й удар
максимальной силой на аппарате и
большим ходом, чем предыдущие.
На обратном ходе график силовой
характеристики
уходит
в
отрицательную область, чего на
практике быть не может, так как
конструкцией
автосцепного
Ход плунжера, м
устройства предусмотрена работа
амортизатора только на сжатие
[4].
Рис. 2. Силовая характеристика аппарата ЭПА-120
Причина данной неточности
заключается в том, что в
математических моделях для эластомерных аппаратов точно описать все протекающие в
амортизаторах физические процессы затруднительно, а иногда и невозможно (например,
попадание в эластомер при заправке аппарата пузырьков воздуха, отрыв эластомера от
дроссельного отверстия и т.п.).
Вследствие этого традиционная математическая модель не точно описывает
изменения давлений в камерах аппарата для повторяющихся ударов (рис. 3). Давления в
камерах после первого удара не восстанавливаются до начального значения, которое
было задано при заправке (для ЭПА-120 это значение 34 МПа). Каждый последующий
удар протекает с неверными начальными значениями давлений, в результате чего сила на
аппарате уменьшается от удара к удару.
Такая неточность традиционной математической модели практически не влияет на
результаты моделирования динамики сухогрузного поезда, но приводит к погрешности
при моделировании наливных составов и маневровых операций с вагонами-цистернами.
Как известно из практики эксплуатации вагонов-цистерн [3], максимальные усилия на
автосцепках возникают не при первом рывке локомотивом наливного поезда (или ударе в
сцеп, состоящий из вагонов-цистерн, накатывающихся вагонов на сортировочных горках),
а при возникающих вследствие этого колебаниях жидкого груза. Это подтверждается и
результатами численного моделирования [1;7].
Для устранения описанной неточности в математической модели аппарата была
разработана специальная методика.
Введем некоторые определения:
-восстановление аппарата – приведение давлений в камерах эластомерногоаппарата
к исходным значениям (34 МПа для ЭПА-120);
-время восстановления аппарата (или давлений) tвосст (с) – это заданное время, за
которое давления должны принять исходное значение;
58
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 3(35)
Давление в камерах, Па
удар 1
3
удар 2
1
удар 3
4
2
Время, с
Рис.3. Давления в камерах аппарата ЭПА-120 при повторных ударах:
1 – начальное давление закачки эластомера в камерах; 2 – давление в камере сжатия;3 – давление в
камере расширения; 4 – давление в камере постоянного объема
 Па 
vq 
 – это скорость
 с 
приведения давлений эластомера в камерах аппарата к исходному значению (для каждой
камеры своя скорость).
Выберем время восстановления аппарата tвосст как показано на рис.4, на котором
изображен совмещенный график силы на аппарате (верхняя кривая) и давлений в камерах
аппарата (3 нижние кривые). Для трех значений давлений (в камерах сжатия, расширения
и постоянного объема) примем его одинаковым.
Вычислим скорости восстановления давлений vq .
Для камеры расширения:
q ' расш 6, 2 ⋅107 Па
Па
vq =
=
= 1,53 ⋅109
,
расш
tвосст
0, 04 с
с
q расш − q0 – разница между давлением в камере в момент, когда сила на
где q '=
расш
аппарате меняет знак, и начальным давлением закачки эластомера (рис. 4).
Аналогично для камер сжатия и постоянного объема:
q'сж 3, 66 ⋅107 Па
Па
;
v=
=
= 9,14 ⋅108
qсж
0, 04 с
с
tвосст
q 'пост.об 5,3 ⋅106 Па
Па
.
vq =
=
= 1,36 ⋅108
пост.об
tвосст
0, 04 с
с
-скорость восстановления эластомерного аппарата
59
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
время, с
2
1
t восст
3
q`расш
4
0
Усилие на аппарате, Н
Давление в камерах аппарата, Па
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 3(35)
5
Время, с
Рис. 4. Фрагмент силовой характеристики и изменения давления в камерах аппарата ЭПА-120:
1 – усилие на аппарате; 2 – давление в камере сжатия; 3 – давление в камере расширения; 4 – давление в
камере постоянного объема; 5 – начальное давление заправки в камерах
Модифицируем систему дифференциальных уравнений, описывающих работу
эластомерного поглощающего аппарата, введя в нее условные операторы и
дополнительную функцию Qвосст (q) :
xV + PA =
0;
 M V 
 P = q S − q S + C x − 0.12 σ x − 0.12 ;
) 0( V
)
C C
P P
K ( V
 A

если qC SC − qP S P < 0 или xV < δ ,
Q ( q ) ,
 dqC  восст C
=
E0 + aqC


 dt иначе V − x S (QC + xV SC ) ;

C0
V C


Qвосст ( qP ) , если qC SC − qP S P < 0 или xV < δ ,
 dqP 
=
E0 + aqP

(QP − xV S P ) ;
 dt иначе
VP 0 + xV S P



если ( qC SC − qP S P < 0 ) или ( xV < δ ) ,
Q ( q ) ,
 dq1  восст 1
=
E0 + a ⋅ q1

Q1 ;
 dt иначе
V1


QC =
− QCP − QC 1 ;

QP = QCP ;

Q1 = QC1 .
60
(1)
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 3(35)
3
2
4
1
Давление в камерах аппарата, Па
Давление в камерах аппарата, Па
Усилие на аппарате, Н
Здесь δ – зазор в автосцепном устройстве.
если q < 0;
vq ,

Qвосст (q) =
(2)
−vq , если q > 0;

если q = 0.
0,
Рассмотрим последовательные удары вагона в неподвижный недеформируемый
упор с одинаковыми начальными условиями с использованием модифицированной
системы дифференциальных уравнений (1).
На рис.5 показана силовая
характеристика аппарата. Видно,
что изменение силы на аппарате
при
повторных
ударах
происходит по одной и той же
кривой, которая не переходит в
отрицательную область. Нарис.6
показано изменение давлений в
камерах аппарата в момент
первого (рис.6а) и третьего
(рис.6 б) ударов. Давления в
камерах возвращаются к своему
начальному
значению,
что
Ход плунжера, м
соответствует
реальным
Рис. 5. Силовая характеристика аппарата при повторных ударежимам
эксплуатации
рах с использованием модифицированной системы (2):
эластомерных аппаратов.
– 1-й удар;
Сравним
результаты
– 3-й удар
расчетов
динамических
процессов для традиционной математическоймодели и модели, описанной системой (1).
Время, с
Время, с
а)
б)
Рис. 6. Давления в камерах аппарата ЭПА-120 при повторных ударах:
1 – начальное давление закачки эластомера в камерах; 2 – давление в камере сжатия; 3 – давление в камере расширения; 4 – давление в камере постоянного объема
61
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 3(35)
На рис.7 приведены графики изменения продольных сил при накатывании вагонацистерны на сцеп, состоящий из заполненных цистерн, на маневровой горке. На рис.7 а
представлено начало процесса соударения, на рис. 7 б – начиная с 4-й секунды. Видно, что
картина изменения усилий для моделей различна. Значения сил, полученные с
использованием модели (1), в среднем на 10% выше, чем при использовании
традиционной модели.
352 кН
312 кН
Время, с
Усилие на аппарате, кН
Усилие на аппарате, кН
309 кН
Время, с
а)
б)
Рис. 7. Маневровое соударение цистерн:
– традиционная математическая модель;
– усовершенствованная математическая модель, описываемая системой (1)
Время, с
Усилие на аппарате, кН
Усилие на аппарате, кН
Аналогичный результат (рис. 8) получаем при моделировании трогания с места
состава весом 3150 т, состоящего из 31 вагона (17 цистерн и 13 полувагонов). Для данного
случая усилие на аппарате, полученное с использованием модели (1), почти на 20%
больше, чем при использовании традиционной модели.
216 кН
Время, с
,
202 кН
250 кН
а)
б)
Рис. 8. Трогание с места смешанного состава:
– традиционная математическаямодель;
ская модель, описываемая системой (1)
62
– усовершенствованная математиче-
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 3(35)
Итак, в результате проведенных исследований выявлены несовершенства
традиционных математических моделей эластомерных поглощающих аппаратов,
вносящие
погрешность
в
результаты
моделирования
динамики
наливных
составов.Разработанамодифицированная
математическая
модель
эластомерных
амортизаторов.
Сравнение результатов расчетов при использовании традиционной и
модифицированной математических моделейэластомерного аппаратапоказало, что усилия
на автосцепках при повторных ударах больше на 10-20%, что хорошо согласуется с
результатами натурных испытаний [3].
Новуюметодику возможно применять как для чисто эластомерных поглощающих
аппаратов, так и для аппаратов смешанного типа, имеющих в своей конструкции
эластомерные вставки.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Богомаз, Г.И. Динамика железнодорожных вагонов-цистерн / Г.И. Богомаз. – Киев: Наукова думка, 2004.
– 224 с.
2. Болдырев, А.П. Расчет и проектирование амортизаторов удара подвижного состава/ А.П. Болдырев, Б.Г.
Кеглин. - М.: Машиностроение -1, 2004. - 199 с.
3. Долматов, А.А. Динамика и прочность четырехосных железнодорожных цистерн/ А.А. Долматов, Н.Н.
Кудрявцев – М.: Трансжелдориздат, 1963. – 124 с.
4. Коломийченко,В.В.Автосцепное
устройство
железнодорожного
подвижного
состава/
В.В.
Коломийченко, Н.А. Костина, В.Д. Прохоренков, В.И.Беляев. – М.: Транспорт, 1991. – 232с.
5. Гарг, В.К.Динамика подвижного состава:[пер.с англ.] / В.К. Гарг, Р.В. Дуккипати.– М.: Транспорт, 1988.
- 391с.
6. Шахнюк, Л.А. О влиянии измененияраспределения масс грузовых вагонов и скоростей соударения на
спектрыпродольных сил, действующих на вагон / Л.А. Шахнюк, О.В. Фетисов, Е.Г. Шахнюк // Вопросы
транспортного машиностроения. - Брянск: Приок. кн. изд-во, 1974. - Вып. III. - С. 142-147.
7. Андриянов, С.С. Нагруженность элементов специализированных вагонов, оборудованных
амортизаторами повышенной энергоемкости: автореф. дис…. канд. техн. наук С.С. Андриянов. – М.,
2006.
Материал поступил в редколлегию 27.07.12.
63
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 3(35)
УДК 621.891
М.А. Измеров, В.П. Тихомиров
АДЕКВАТНОСТЬ МОДЕЛИ И РЕАЛЬНОЙ ПОВЕРХНОСТИ
Представлен критерий, позволяющий оценить адекватность реальной поверхности и её модели в процессе
компьютерного моделирования, и показан пример его расчёта. Рассмотрены методы, с помощью которых
можно создавать на ЭВМ модели поверхностей деталей машин, наиболее полно отражающие микрогеометрию поверхностного слоя.
Ключевые слова: фрактал, фрактальная размерность поверхности,моделирование, инженерные поверхности.
Использование моделей инженерных поверхностей при решении контактных задач в
настоящее время является обычной практикой и позволяет получить требуемые параметры кантактного взаимодействия с достаточной точностью. Важной является оценка адекватности моделии реальной поверхности. В этой работе предлагаются критерии сравнения
модели поверхности с оригиналом. На рис. 1 представлены реальная поверхность и ее модель. Сравнение спектральной плотности реальной поверхности и модели (рис. 2) - одно
из оснований для оценки адекватностиреальной поверхности и её модели.
а)
б)
Рис. 1. Моделирование инженерной поверхности: а – реальная поверхность; б - модель
а)
б)
Рис. 2. Спектральная плотность:
а - реальная поверхность; б - модель
64
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 3(35)
Так как важную роль играют такие параметры, как среднее квадратическое отклонение высот неровностей поверхности Ra и фрактальный фактор D, то в дополнение к фрактальной размерности, определяемой с помощью спектральной плотности, для фрактального фактора предлагаются следующие критерии адекватности.
1. Условием подобия реальной поверхности и ее модели является фрактальная размерность:
(1)
Здесь k – угловой коэффициент в уравнении lgP(ω)=C - k·lg(ω)(рис.2).
2. Другим критерием будет безразмерный критерий
где Ra – среднее арифметическое отклонение ординат; Rq – среднее квадратическое отклонение.
Критерий можно представить в виде следующего выражения:
тота.
Здесь G – фрактальный фактор; γ – величина, равная (по Маджумдару) 1,5; ω – часФрактальный фактор Gопределяется по следующей формуле:
Где R q – оценка среднего квадратического отклонения ординат профиля; ω max , ω min – наивысшая и низшая частоты профиля как случайного процесса.
На рис. 3 представлены в качестве примера реальная поверхность (эрозия) и её модель, а также их параметры шероховатости.
Ra X =2,02, Ra Y =2,11;Rp X =5,45, Rp Y =5,98;
Rq X =2,52,Rq Y =2,63
Ra X =2,04, Ra Y =2,09;Rp X =5,42, Rp Y =5,61;
Rq X =2,49,Rq Y =2,42
а)
б)
Рис. 3. Пример реальной поверхности (а) и её модели (б)
65
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 3(35)
На рис. 4 для реальной поверхности и её модели показаны зависимости спектральной плотности мощности от частоты (фрактальные размерности Dfопределялись по формуле (1)).
ω max =0,43;ω min =0,03;
D f =2,37;π =0,085816
ω max =0,5;ω min =0,027;
D f =2,37;π =0,08248
а)
б)
Рис. 4. Сравнение спектральных мощностей
Критерий πдаёт хорошую сходимость полученных результатов, т.е. эти две поверхности идентичны. Покажем в сравнении ещё и такую характеристику, как опорная поверхность исследуемого объекта по высоте. На рис. 5 видно, что модель имеет практически такую же характеристику, как и у реальной поверхности.
Адекватность реальных поверхностей их моделям еще не
решает вопроса, связанного с определением таких параметров
контактного взаимодействия, как
сближение, площадь фактического контакта, контактная жесткость и др. Эти параметры взаимодействия обычно оценивают,
решая задачу контакта гладкой
поверхности с шероховатой. В
случае контакта двух шероховатых поверхностей рассматривают
Рис. 5. Опорные кривые поверхности и модели
задачу контактирования гладкой
поверхности с шероховатой,
имеющей эквивалентные параметры шероховатости. В работах Н.Б. Демкина[1] на основании параметров опорных кривых приведены формулы подобного приведения. В зарубежной литературе на базе статистического описания поверхности также приводятся
формулы определения параметров эквивалентной шероховатости. В случае описания поверхности с позиций фракталов не рассматривался вопрос о замене контакта двух фрактальных поверхностей на контакт гладкой поверхности с эквивалентной фрактальной.
Сформулируем следующую задачу.Рассматривается контакт двух фрактальных поверхностей, имеющих соответственно разные (или даже одинаковые) фрактальные размерности. Требуется оценить эквивалентную фрактальную размерность, которая после
приведения задачи к контакту гладкой поверхности с эквивалентной фрактальной будет
иметь параметры контактного взаимодействия такие же, как и при контакте двух исходных фрактальных поверхностей.
66
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 3(35)
Для решения этой задачи используем следующий подход. Контакт двух фрактальных поверхностей при решении задач, связанных с уплотнительной техникой для разъемных неподвижных соединений, дискретен. Более того, поверхностный слой не должен
иметь пластические деформации, хотя отдельные неровности при первых нагружениях
могут деформироваться пластически. Полагаем, что фрактальная размерность может быть
измерена с помощью соотношения «периметр − площадь», которое отражает фрактальные
особенности контактирующих поверхностей. Следует заметить, что при увеличении
сближения закон распределения площадок контакта относительно максимальной площадки остается неизменным. Таким образом, представляется возможным определить фрактальную размерность эквивалентной поверхности и рассмотреть процесс ее контактирования с гладкой поверхностью.
Для обоснования такого подхода рассмотрим экспериментальные данные, полученные в результате контакта некоторых сочетаний шероховатых поверхностей. Отметим,
что волнистость профиля поверхностине является фрактальным объектом и ее учет необходим для оценки контурной площади касания.
Для определения эквивалентной фрактальной размерностиD fЕ , требуемой для решения задачи контактного взаимодействия поверхностей, имеющих свои фрактальные размерности D f1 и D f2 , необходимо знать соотношения между фрактальной размерностью и
стандартными (ГОСТ 2789-73)параметрами шероховатости. К ним отнесемсреднее арифметическое отклонение профиля Raи высоту сглаживанияRp – параметр, широко используемый в инженерной практике.
Измерения, проведенные для оценки параметров шероховатости анизотропной поверхности в двух взаимно перпендикулярных направлениях, дают возможность оценить
приведенные параметры шероховатости. Так, приведенное значение среднего арифметического отклонения профиля определяется следующим выражением [2]:
.
– максимальЗдесьi– обозначение поверхности (первая или вторая);
ное и минимальное значения высотного параметра во взаимноперпендикулярных направлениях.
Аналогичное соотношение даётсядля приведенного параметра сглаживания. Полагаем, что существует определенная функциональная зависимость между фрактальной размерностью и приведенным значением высотного параметра. Подобная зависимость приведена в работе [3] и имеет вид
В работе Т. Бармана [4] приведена другая зависимость:
(2)
В соответствии с критериями подобия фрактальная размерность модели и реальной
поверхности будет одинаковой при выполненииусловия
67
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 3(35)
Формула, предложенная в работе Бармана [4], график которой представлен на рис. 6,
не учитывает отношения
и поэтому не в полной мере отражает особенности структуры поверхностного слоя.
Рис. 6. Зависимость фрактальной размерности D f анизотропной поверхности
от приведенного среднегоарифметического отклонения Ra V
График построен на основе данных измерения инженерных анизотропных поверхностей (таблица).
Таблица
Геометрические параметры шероховатых поверхностей
Условный номер поверхности
Направление с
максимальными
значениями
параметров
Направление с
минимальными
значениями
параметров
Приведенные
значения
Фрактальная
размерность
Df
(расчет по формуле (2))
1
Ra max ,
мкм
1,94
Rp max ,
мкм
6,82
Ra min ,
мкм
0,61
Rp min ,
мкм
3,11
Ra V ,
мкм
1,275
Rp V ,
мкм
4,965
2
1,25
5,05
0,90
2,83
1,075
3,940
1,25
3
1,37
3,82
0,45
2,11
0,910
2,965
1,20
4
1,32
3,41
0,58
1,37
0,950
2,690
1,18
5
1,59
5,01
0,88
3,06
1,240
4,040
1,13
6
1,57
4,74
0,68
2,91
1,120
3,820
1,10
1,27
Модели фрактальных поверхностей строятся с помощью разных методов: случайного сложения, срединного смещения и функции Вейерштрасса - Мандельброта.
Функция Вейерштрасса–Мандельброта[5] представлена в виде
68
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 3(35)
где с z –сомножитель;q–параметр пространственно-частотного масштабирования (q>1);D –
фрактальная размерность (2<D<3);N,M – число гармоник;Kp – основное пространственное
волновое число; φ n,m ~Rav[0,π] – случайное число, равномерно распределенное на отрезке
от 0 до π.
Сомножитель c z определяется из соотношения
Данная функция содержит в себе как случайную структуру, так и детерминированную составляющую, отражая особенности некоторых инженерных поверхностей.
На рис. 7 представлена модель поверхности, построенная в разработанной нами
программе с учетом следующих данных: q=2,7; Kp=1; N1=M=10; D=D f +1=1,17+1=2,17.
Метод последовательного случайного сложения предложен Р.Ф.
Фоссом[6].
Вначале зафиксируем высоту Z
= 0 в четырех углах сетки из l x l
элементов. Необходимо использовать подпрограмму, генерирующую
независимые гауссовы случайные
числа £ с нулевым средним и единичной дисперсией. На первом этапе
мы просто получаем одно значение £
и используем его как уровень поверхности в центре сетки. На втором
этапе сначала проводим интерполяРис. 7. Модель поверхности по Вейерштрассуцию и находим возвышения в четыМандельброту
рех точках с координатами (0,25l,
0,25l), (0,75l, 0,25l), (0,25l, 0,75l), (0,75l, 0,75l). Это означает, что возвышение в нужной
нам точке равно среднему арифметическому возвышений в ближайших по диагоналям известных точках. Возвышения в двух ближайших точках на границе принимались равными
среднему арифметическому возвышений в ближайших углах области. Таким образом, на
этом этапе процесса задавались интерполированные возвышения в 13 точках - в пяти исходных положениях, четырех новых внутренних точках и четырех новых точках на границе (рис.8).Следующим шагом 13 независимых значений £ n=1 прибавлялись к уже
имеющимся возвышениям. При этом гауссовы
случайные числа имеют дисперсию £2 n = σ2 n =
r2Hn , где r =
.
Рис. 8. Схема построения точек по методу
Фосса
Применение этой процедуры продолжается,
и в следующем цикле добавляются точки (0,5l,
0,25l), (0,25l, 0,5l), (0,75l, 0,5l), (0,5l, 0,75l). Возвышения в этих точках определяются как среднее
арифметическое возвышений в ближайших к ним
узлах, т. е. в узлах, которые лежат в направлениях, параллельных осям. В точках, лежащих на
границе, возвышения вновь определяются специальным образом. После каждого цикла этот алгоритм удваивает число точек, в которых задано
69
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 3(35)
возвышение, и уменьшает на множитель r =
расстояние между такими точками.
В результате, варьируя фрактальную размерность, размеры площадки и точность
построения, можно получить поверхности с разной шероховатостью, очень похожие на
реальные поверхности (на рис. 9 показана модель поверхности с той же фрактальной размерностью, что и на рис. 7, построенная по методу последовательного случайного сложения, предложенному Р.Ф. Фоссом).
Метод срединного смещения
более понятен на примере построения
фрактальной кривой - профиля поверхности. Фиксируем точки на границах области, т.е. точки 0 и 1 при
условной длине отрезка, равной 1.
В середине отрезка определяем высоту по формуле
.
Рис. 9. Модель поверхности с фрактальной
размерностью Df =2,17
Здесьn – номер уровня смещения; σ – масштаб по высоте z, который не оказывает влияния на фрактальную размерность; g − случайная величина, имеющая нормальное распределение с математическим ожиданием, равным 0, и дисперсией,
равной 1; H − показатель Хёрста;
.
Процедура смещения и образования фрактальной кривой показана на рис. 10.
Рис. 10. Последовательность создания фрактальной кривой
Применительно к модели поверхности метод срединного смещения требует немного изменить алгоритм. На рис. 11 показана процедура смещения точек на квадратной решётке. Точки A, B, C, D, E и F задаются произвольным образом (в нашем случае они равны нулю). Точки в середине квадратной решётки определяются по представленному алгоритму, за исключением того, что середина берётся как среднее
четырёх соседних точек по диагонали:
.
Рис. 11. Процедура образования
фрактальной поверхности
В точке Hвысота определяется аналогично. В
точке пересечения отрезков BE и GH высота будет
определяться как среднее арифметическое точек B,
E,GиH с уменьшенной дисперсией (n=2).
Применяя этот алгоритм на квадратной сетке
большого размера, мы получили поверхность, представленную на рис. 12.
Метод с использованием функции Вейерштрас70
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 3(35)
са-Мандельброта позволяет создать модели, адекватные реальнымповерхностям. В процессе создания модели обнаруживается периодичность образования выступов и впадин,
что не всегда характерно для реальных поверхностей. Исключить эту явно видимую периодичность можно путём правильного подбора значений Mи Nв уравнении Вейерштрасса-Мандельброта,
но это приводит к нарушению других параметров, таких как Ra, Rq и
т.д.
Два последних алгоритма
очень похожи друг на друга, за исключением некоторых моментов
применения случайной составляющей и граничных условий. Они дают довольно реальные карты поверхностей, но их недостатком является кривизна карты даже в маРис. 12. Фрактальная поверхность (Df =2,17)
леньком масштабе моделирования и
неравномерность высот пиков, что
не характерно для реальных поверхностей деталей машин, у которых высота вершин примерно одинакова. Важной задачей является доработка этих методов для повышения степени идентичности моделей реальным поверхностям.
Таким образом, использование моделей поверхностей и эквивалентных поверхностей при проектировании различных сопряжений оправдано и может давать приемлемые
результаты. Но при этом необходимо контролировать степень адекватности поверхностей,
например с помощью критерия подобия , представленного в данной статье.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Демкин, Н.Б. Контакт шероховатых волнистых поверхностей с учетом взаимного влияния неровностей/
Н.Б. Демкин, С.В. Удалов, В.А. Алексеев, В.В. Измайлов, А.Н. Болотов//Трение и износ.- 2008.-Т.29.№3.- C. 231-237.
2. Маккул, Дж. Распределение площади, нагрузки, давления и локального повышения температуры в микроконтактах по модели Гринвуда-Вильямсона /Дж. Маккул// Проблемы трения и смазки.- 1988.- № 4.С.99-105.
3. Тихомиров, В.П. Контактное взаимодействие фрактальных поверхностей/ В.П. Тихомиров//Трение и износ.- 1997.-Т. 18.- № 3. – С. 369-374.
4. Barman, T.K. Fractal relation with conventional roughness harameers for surface topography generated in grinding / T.K. Barman, P. Sahoo // Proceedings of the International Conference on Mechanical Engineering, 28-30
December, 2005. – Dhaka, Bangladesh, 2005. – P. 1-5.
5. Потапов, А.А. Теория рассеяния волн фрактальной анизотропной поверхностью / А.А. Потапов, А.В.
Лактюнькин// Нелинейный мир.- 2001.-Т. 6.- № 6. – С. 3-36.
6. Федер, Е. Фракталы:[пер. с англ.]/ Е.Федер. – М.: Мир, 1991. – 254 с.
Материал поступил в редколлегию 16.05.12.
71
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 3(35)
УДК 004.021:621.11
В.И. Лачин, Д.А. Плотников
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДА ПОВЫШЕНИЯ
ТОЧНОСТИ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОГО ДАТЧИКА ВИБРАЦИИ
Представлены и проанализированы результаты исследования зависимости параметров свободных колебаний
чувствительного элемента пьезоакселерометра от текущего значения его коэффициента преобразования.
Показано, что упомянутая зависимость может быть использована для повышения точности интеллектуального датчика вибрации путём компенсации влияния температуры на его коэффициент передачи.
Ключевые слова: пьезоэлектрический акселерометр, интеллектуальный датчик вибрации, температурная
погрешность, экспериментальные исследования, повышение точности.
В [1] автором предложен метод повышения точности интеллектуального датчика
вибрации (ИДВ), основанный на периодическом измерении текущего значения коэффициента преобразования (КП) пьезоэлектрического акселерометра (ПА) и соответствующей
коррекции коэффициента передачи измерительного канала ИДВ. При этом для измерения
КП ПА использовалась теоретически обоснованная зависимость параметров затухающих
свободных колебаний чувствительного элемента (ЧЭ) ПА, вызванных воздействием на
него тестового импульса напряжения, от текущего значения КП ПА:
−
t
q (t ) = Qe cos(ωt )
где q – мгновенное значение заряда на выводах ПА; t – время; Q – амплитудное (начальное) значение заряда; τ – постоянная времени затухания переходного процесса; ω– круговая частота свободных колебаний ЧЭ.
С целью подтверждения корректности предложенного метода выполнены экспериментальные исследования ПА двух типов: АПЭ-1 (однокомпонентные, 2 экземпляра) и
АПЭ-2 (двухкомпонентный, 1 экземпляр).
Вид осциллограммы переходного процесса, полученной под воздействием тестового
импульса, показан на рис. 1. Из рисунка видно, что сигнал содержит существенную высокочастотную шумовую составляющую. Это объясняется тем, что используемый осциллограф TDS3034 имеет избыточно широкую полосу пропускания (300 МГц). На входе реальной аппаратуры контроллера ИДВ (КИДВ) для предотвращения эффекта наложения
спектров обязательно включается аналоговый фильтр низких частот (ФНЧ), ограничивающий полосу пропускания канала на уровне 15 – 20 кГц. В связи с этим для исключения
шумов, которые не будут регистрироваться КИДВ, все полученные с TDS3034 осциллограммы были подвергнуты предварительной фильтрации в пакете программ LabVIEW
SignalExpress при помощи ФНЧ с частотой среза 15 кГц. В результате осциллограмма
приобрела вид, показанный на рис. 2 (масштаб времени увеличен). Таким образом, выполненные исследования подтвердили возможность возбуждения и регистрации свободных затухающих колебаний ЧЭ ПА.
Для исследования зависимости параметров переходного процесса от амплитуды тестового воздействия было получено несколько семейств осциллограмм при различной величине амплитуды тестового импульса U (по 5 – 7 осциллограмм для каждого значения
U). На рис. 3 показано по одной осциллограмме каждого семейства. Из рисунка видно, что
частота установочного резонанса (УР) f 0 всех осциллограмм практически совпадает, а амплитуда колебаний меняется в соответствии с напряжением тестового импульса U.
Для каждой осциллограммы семейства методом наименьших квадратов определялись параметры экспоненциальной огибающей Q и τ, а также частота УР f 0 , после чего
выполнялась статистическая обработка этих значений – определялись математическое
ожидание и границы случайной погрешности (при значении доверительной вероятности
P=0,95).
τ
72
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 3(35)
Рис. 1. Осциллограмма отклика на тестовый импульс
Рис. 2. Осциллограмма отклика на тестовый импульс после обработки ФНЧ с частотой среза 15 кГц
Рис. 3. Осциллограммы отклика на тестовый импульс для различных значений U
73
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 3(35)
0.8
0.8
0.7
0.7
0.6
0.6
Значение
Значение
Различные этапы обработки осциллограмм показаны на рис. 4. Из рисунка, в частности, видно, что огибающая переходного процесса представляет собой не просто экспоненциальную функцию, а экспоненту, промодулированную затухающей синусоидой. Частота
этой синусоиды (3 – 4 кГц) даёт основания предположить, что форма огибающей обусловлена затухающими поперечными колебаниями ЧЭ с частотой поперечного резонанса. Результаты обработки осциллограмм (табл. 1 – 3) показывают, что использование метода
наименьших квадратов для получения параметров экспоненциальной огибающей Q и τ
достаточно эффективно исключает влияние синусоидальной составляющей.
0.5
0.4
Экстремумы
Аппроксимация
0.5
0.4
0.3
0.3
0.2
0.2
0.1
0.1
0
0
0.5
1
1.5
2
Время, с
2.5
0
3 x10-3
0
0.5
1
1.5
а)
2
Время, с
2.5
3
x10-3
б)
Рис. 4. Этапы обработки осциллограммы: а – модуль фрагмента переходного процесса; б – точки
экстремумов и результат аппроксимации
Таблица 1
Зависимость частоты переходного процесса
от напряжения тестового импульса
Измерение
1
2
3
4
5
6
7
Среднее
СКО
Погр.,%
4,0
9169,878
9164,459
9159,275
9161,475
9164,503
–
–
9163,918
3,990
0,09
3,5
9157,043
9161,920
9163,369
9155,011
9165,886
9161,535
9164,833
9161,371
3,997
0,09
Напряжение импульса, В
3,0
2,5
2,0
9159,135 9164,546 9164,619
9162,443 9162,040 9164,880
9164,364 9156,707 9163,805
9162,201 9156,830 9160,159
9162,128 9163,049 9165,872
9164,513 9159,926 9160,506
9160,629 9166,358 9163,100
9162,202 9161,351 9163,277
1,913
3,712
2,192
0,04
0,08
0,05
1,5
9161,934
9160,748
9158,906
9162,588
9160,019
9161,114
–
9160,885
1,322
0,03
1,0
9161,984
9158,033
9165,151
9163,137
9167,054
9176,317
9141,688
9161,909
10,567
0,23
Из табл. 1 следует, что регистрируемая частота свободных колебаний f 0 для всех
рассмотренных значений напряжения равна 9162,13 Гц с относительной случайной погрешностью ±0,2 % при доверительной вероятности 0,95. Отсюда можно сделать вывод,
что регистрируемая частота f 0 не зависит от величины тестового воздействия U в рассмотренном диапазоне напряжений.
74
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 3(35)
Таблица 2
Зависимость постоянной времени затухания переходного процесса
от напряжения тестового импульса
Измерение
1
2
3
4
5
6
7
Среднее
СКО
Погр.,%
4,0
0,0015090
0,0014911
0,0014864
0,0014997
0,0014990
–
–
0,0014970
0,0000087
1,14
3,5
0,0014879
0,0015004
0,0014902
0,0015032
0,0014912
0,0015005
0,0015000
0,0014962
0,0000062
0,81
Напряжение импульса, В
3,0
2,5
2,0
0,0015027 0,0014768 0,0014677
0,0014804 0,0014844 0,0015052
0,0014892 0,0014678 0,0014957
0,0015046 0,0014890 0,0014680
0,0014782 0,0014904 0,0014733
0,0014912 0,0014730 0,0014801
0,0014915 0,0014799 0,0015109
0,0014911 0,0014802 0,0014859
0,0000100 0,0000083 0,0000180
1,32
1,10
2,37
1,5
0,0014638
0,0014544
0,0014561
0,0014593
0,0014607
0,0014847
–
0,0014632
0,0000111
1,48
1,0
0,0014972
0,0015069
0,0015054
0,0014771
0,0015135
0,0014908
0,0015129
0,0015005
0,0000132
1,72
Из табл. 2 следует, что измеренная постоянная времени затухания переходного процесса τ для всех рассмотренных значений напряжения равна 1,488 мс с относительной
случайной погрешностью ±2,4 % при доверительной вероятности 0,95. Таким образом,
постоянная времени затухания переходного процесса также не зависит от величины тестового воздействия U в рассмотренном диапазоне напряжений.
Таблица 3
Зависимость амплитуды переходного процесса
от напряжения тестового импульса
Измерение
1
2
3
4
5
6
7
Среднее
СКО
Погр.,%
Лин.аппрокс.
Откл., %
4,0
0,52565
0,53286
0,53041
0,52947
0,52710
–
–
0,52910
0,00282
1,05
0,52891
0,04
3,5
0,46527
0,46231
0,46125
0,46113
0,46246
0,45949
0,46163
0,46193
0,00177
0,75
0,46300
-0,20
Напряжение импульса, В
3,0
2,5
2,0
0,39426 0,33217 0,26555
0,39765 0,33073 0,26529
0,39712 0,33627 0,26552
0,39496 0,32974 0,26748
0,39900 0,32993 0,26522
0,39833 0,33302 0,26500
0,39809 0,33272 0,26379
0,39706 0,33208 0,26541
0,00178 0,00226 0,00109
0,88
1,34
0,81
0,39709 0,33119 0,26528
-0,01
0,17
0,02
1,5
0,20215
0,20210
0,20058
0,20003
0,20057
0,19909
–
0,20075
0,00119
1,17
0,19937
0,26
1,0
0,13122
0,13366
0,13163
0,13397
0,13087
0,13183
0,13064
0,13197
0,00132
1,97
0,13347
-0,28
Из табл. 3 очевидна зависимость амплитуды переходного процесса Q от напряжения
тестового импульса U. Поскольку в [1] обоснован линейный характер этой зависимости,
методом наименьших квадратов были получены коэффициенты a и b полинома Q=aU+b, с
помощью которых затем были вычислены аппроксимированные значения Q A (строка
«Лин. аппрокс.»). Расчёты показывают, что для любого из рассмотренных значений напряжения U отклонение фактического значения Q от ожидаемого Q A не превышает 0,3 %
75
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 3(35)
(строка «Откл.,%»). Следовательно, можно считать, что значение амплитуды переходного
процесса Q действительно линейно зависит от напряжения тестового импульса U в рассмотренном диапазоне.
Таким образом, результаты исследований не противоречат теоретическим выводам,
сделанным в [1], и подтверждают справедливость предположений, лежащих в основе
предложенного метода определения КП ПА, в части независимости параметров f 0 , τ и линейной зависимости параметра Q от напряжения тестового импульса U. Кроме того, выполненные исследования показывают хорошую повторяемость результатов измерений
всех параметров переходного процесса.
На следующем этапе эксперимента авторами исследовалась зависимость между КП
ПА и параметрами переходного процесса. При этом ПА подвергался воздействию различных температур в диапазоне 20…140 °С, а текущее значение КП ПА определялось как по
методике, предложенной авторами в [1], так и с помощью непосредственных измерений
(путём воздействия на ПА вибрацией с известными параметрами и измерения значений
заряда на выходе ПА). Анализ результатов измерений и вычислений позволяет сделать
следующие выводы:
1. Значения КП ПА при различных значениях температуры K i , полученные путём
непосредственного измерения, существенно зависят от температуры: в диапазоне от 20 до
140 °C изменение достигает 33 %. Этого же значения достигает дополнительная температурная погрешность измерения среднеквадратичного значения (СКЗ) виброускорения без
применения способов компенсации температурной зависимости КП ПА (рис. 5а).
Погрешности измерений виброускорения
(без коррекции)
Погрешности измерений виброускорения
(c коррекцией)
1,50
35,00
1
1
2
2
30,00
1,00
Погрешность, %
Погрешность, %
3
4
25,00
20,00
15,00
3
4
0,50
0,00
-0,50
10,00
-1,00
5,00
0,00
-1,50
20
40
60
80
100
120
20
140
40
60
80
Температура, °С
Температура, °С
а)
б)
100
120
140
Рис. 5. Дополнительная температурная погрешность измерительного канала:
а – без коррекции; б – с коррекцией путём использования разработанного метода; 1–4 – кривые для
различных экземпляров ПА
2. Значения КП ПА, вычисленные по предложенной методике повышения точности
ИДВ [1] при различных температурах, отличаются от значений, полученных путём непосредственного измерения, не более чем на 1,5 %, причём для трёх из четырёх исследованных ПА отличие не превысило 1 %.
3. Использование вычисленного по предложенной методике значения КП ПА для
компенсации температурной зависимости коэффициента передачи ИДВ позволяет существенно уменьшить дополнительную температурную погрешность измерительных каналов системы вибромониторинга [2; 3]. Для исследованных образцов ПА она не превысила
±1,5 %, причём для трёх из четырёх составила не более ±1 % (рис. 5б).
76
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 3(35)
4. Характер зависимости частоты УР f 0 и постоянной времени затухания переходного процесса τ от температуры различается у разных экземпляров ПА и не позволяет сделать вывод о наличии взаимосвязи полученных значений и текущей величины КП ПА.
Факторы, влияющие на эти параметры, могут служить предметом дальнейших исследований.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Плотников, Д.А. Повышение точности интеллектуального датчика вибрации / Д.А. Плотников // Компьютерные технологии в науке, производстве, социальных и экономических процессах: материалы XI Междунар. науч.-практ. конф. (г.Новочеркасск, 30 нояб. 2010г.) / Юж.-Рос. гос. техн. ун-т (НПИ).
– Новочеркасск: ЮРГТУ, 2010. – С. 19-22.
2. Плотников, Д.А. Система вибрационного контроля турбоагрегатов / Д.А. Плотников // Изв. вузов. Электромеханика. – 2000. – № 3. – С. 96.
3. Лачин, В.И. Многоуровневая распределенная система мониторинга вибрационного состояния и защиты
турбоагрегатов / В.И. Лачин, А.К. Малина, Д.А. Плотников // Информационные технологии и управление: юбилейн. сб. науч. тр. фак. информ. технологий и упр. / Юж.-Рос. гос. техн. ун-т. – Новочеркасск:
Ред. журн. «Изв. вузов. Электромеханика», 2001. – С. 69-74.
Материал поступил в редколлегию 13.08.12.
77
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 3(35)
УДК 517.958:532.5
В.В. Порошин, А.А. Аносова, Д.Ю. Богомолов
МОДЕЛЬНЫЕ ЭКСПЕРИМЕНТЫ ПО РАСЧЕТУ УТЕЧЕК СПЛОШНОЙ СРЕДЫ
В ПРЕЦИЗИОННЫХ СОЕДИНЕНИЯХ С УЧЕТОМ РЕАЛЬНОЙ
МИКРОТОПОГРАФИИ ПОВЕРХНОСТИ 1
Представлены результаты модельных экспериментов по расчету утечек сплошной среды в прецизионных
соединениях с учетом микротопографии поверхности. Приведены результаты расчета коэффициентов потока для поверхностей с шероховатостью после различных технологических методов обработки.
Ключевые слова: прецизионные соединения, микротопография поверхности, математическая модель
течения, модельные эксперименты, утечки сплошной среды, коэффициенты потока.
Математическое моделирование течения сплошной среды в прецизионных
соединениях является важной фундаментальной задачей, все чаще возникающей в
различных областях знания, таких как машиностроение, транспорт, энергетика, механика
и т.п. Решение данной задачи позволит уменьшить гидравлические потери в
энергетических машинах, снизить потери на трение рабочих сред в трубопроводах и
утечки в герметизируемых соединениях, обеспечить условия смазки триботехнических
узлов, улучшить функциональные характеристики изделия (прежде всего надежность,
безопасность и работоспособность).
Имеющиеся экспериментальные исследования показывают, что одним из основных
факторов, оказывающих существенное влияние на характер течения сплошной среды в
прецизионных соединениях, является микротопография их рабочих поверхностей. Причем
если в трубах и макроканалах ее влияние ярко проявляется на турбулентных режимах
течения, то в узких каналах оно существенно и на ламинарных режимах.
Предложенная математическая модель течения сплошной среды в подвижных
прецизионных соединениях с учетом трехмерной топографии поверхности основана на
стационарном уравнении Рейнольдса для течения в тонких пленках. Расчетная схема
разработана с использованием метода конечных элементов [1]. Учет влияния
микротопографии поверхности основан на применении коэффициентов потока [2; 3].
Представлены результаты расчета статических и динамических коэффициентов
потока для поверхностей с естественной шероховатостью после различных
технологических методов обработки и результаты модельных экспериментов по расчету
утечек сплошной среды в подвижных прецизионных соединениях. При проведении
расчетов в качестве исходных данных о топографии поверхности в соединении
использовались результаты измерения реальных поверхностей.
Математическая модель течения. В работе использована модель участка соединения с учетом трехмерной шероховатости рабочих поверхностей (рис. 1).
В разработанной модели для расчета течения рабочей среды в герметизируемых
подвижных соединениях используется уравнение Рейнольдса для течения в тонких пленках:
∂  3 ∂p  ∂  3 ∂p 
∂h
 = 6μU T ,
(1)
 hT
 +  hT
∂x  ∂x  ∂y  ∂y 
∂y
Исследование выполнено в рамках государственного контракта № 16.740.11.0305 федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 гг.
1
78
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 3(35)
где p – давление; μ – динамическая вязкость.
Для данной характерной прямоугольной области S размером Lx × L y
численно решается уравнение (1) с граничными условиями:
1) p = p A при y = 0 ;
2) p = p B при y = L y ;
3) ∂p / ∂x = 0 при x = 0 , x = Lx .
Для решения уравнения (1) применялся метод конечных элементов.
Полученные в результате расчетов карты
Рис. 1. Модель участка соединения: U – скорость
относительного движения поверхностей вдоль
давлений используются для нахождения
оси Oy ; H – средний зазор; hT – текущий зазор;
утечек на участке соединения и расчета
Q – утечки
коэффициентов потока.
Значения коэффициентов потока рассчитываются на небольшом характерном участке соединения и далее могут быть использованы для расчета утечек в соединении в целом.
В каналах с неподвижными стенками ( U = 0 ) вычисляется только статический коэффициент потока. При наличии относительного движения стенок канала коэффициенты
потока вычисляются отдельно для статической и динамической составляющих потока.
При вычислении коэффициента статического потока ϕ принимаются условия наличия градиента давления и отсутствия скорости. Он находится как отношение утечек, рассчитанных с учетом шероховатости ( Q ys ) и без ее учета ( Q ys ) ( Q ys рассчитывается по известной аналитической зависимости [4]):
ϕ = Q ys / Q ys ;
(
 (h ) m
T i
Q ys = ∑  −
12μ
i =1

)
( pim − pim −1 ) 
;
∆x
∆y

3
H ∂p
,
Q ys = − Lx
12μ ∂y
где n – количество разбиений сетки по оси Ox ; m – количество разбиений сетки по оси
Oy .
При нахождении коэффициента динамического потока θ принимаются условия наличия скорости и отсутствия градиента давления. Он вычисляется как отношение утечек,
рассчитанных с учетом шероховатости ( Q yd ) и без ее учета ( Q yd ) ( Q yd рассчитывается по
известной аналитической зависимости [4]):
n
3
θ = Q yd / Q yd ;
(
)
( pim − pim−1 ) U (hT ) im 
∆x ;
+
2 
∆y

 H 3 ∂p UH 
.
Q yd = Lx  −
+
2 
 12μ ∂y
Оба коэффициента потока безразмерны и не зависят от конкретных значений давления, вязкости и скорости относительного перемещения стенок. Значения коэффициентов
 (h ) m
T i
Q yd = ∑  −

12μ
i =1

n
3
79
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 3(35)
определяются отношением среднего зазора к высоте шероховатости и формой шероховатости. Если исследуемый канал не имеет других видов неровностей поверхности стенок,
кроме шероховатости, 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 N , утечка будет определяться по формуле
 H 3 p A − pB
UH 
 .
+θ
Q = N  ϕ
(2)
µ
2
12
L


Модельные эксперименты по расчету коэффициентов потока в каналах
прецизионных соединений. В качестве исходных данных о топографии поверхности
канала были использованы результаты измерения реальных технологических
поверхностей. Исследования проводились для изотропных поверхностей после притирки
и электроэрозионной обработки (рис. 2а, б), а также для поверхностей с ярко
выраженными следами обработки – после токарной обработки и фрезерования (рис. 2в, г).
Неровности поверхностей после токарной обработки при проведении расчетов
располагались как вдоль, так и перпендикулярно градиенту давления. Это позволило
оценить коэффициенты потока для трех характерных областей значения коэффициента
анизотропии ( γ < 1 , γ ≈ 1 , γ > 1 ). Электроэрозионная, токарная обработка и фрезерование
представлены только с целью усиления оценки влияния анизотропии поверхности, так как
данные методы не используются в качестве финишных методов обработки.
Расчет проводился в условиях гарантированного зазора. Значение среднего зазора H
варьировалось таким образом, чтобы относительный параметр H / σ менялся от 2,3 до
19,5 ( σ – среднеквадратичное отклонение неровностей поверхности от средней линии);
размер анализируемого участка составлял 0,5×0,5 мм.
a)
б)
в)
г)
Рис. 2. Топографические карты поверхностей: а − после притирки;
б − после электроэрозионной обработки; в − после токарной обработки; г − после фрезерования
80
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 3(35)
Результаты модельных экспериментов по расчету коэффициентов потока на
участке подвижного соединения. На рис. 3а и 3б представлены графики изменения
статического и динамического коэффициентов потока соответственно в зависимости от
величины значения H / σ для рассмотренных методов обработки рабочих поверхностей.
Общая форма зависимостей, полученных для статического и динамического
коэффициентов потока, аналогична. В общем случае влияние топографии поверхности на
динамический коэффициент потока выражено несколько слабее, чем на статический
коэффициент потока.
а)
б)
Рис. 3. Влияние параметра H / σ на статический (а) и динамический (б)
коэффициенты потока для каналов с различными топографиями поверхности:
1 – после токарной обработки (следы обработки вдоль потока);
2 – после фрезерования (следы обработки вдоль потока);
3 – после электроэрозионной обработки; 4 – после притирки;
5 – после токарной обработки (следы обработки перпендикулярны потоку)
81
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 3(35)
В случае ориентации неровностей перпендикулярно потоку ( γ < 1 ) коэффициенты
потока имеют малые значения, кривая − выпуклой формы, асимптотически стремящаяся к
единице. Это связано с тем, что при малых значениях зазора вершины неровностей почти
перекрывают поток. С увеличением зазора влияние шероховатости уменьшается. В случае
изотропных поверхностей ( γ ≈ 1 ) кривая имеет выпуклую форму, что объясняется возрастанием извилистости каналов. Влияние шероховатости значительно более слабое, чем в
предыдущем случае, однако значения коэффициентов потока близки к единице. В случае
ориентации неровностей вдоль потока ( γ > 1 ) значение коэффициента потока больше единицы, кривая − вогнутой формы, асимптотически стремящаяся к единице. Неровности рабочих поверхностей ориентированы вдоль потока и оказывают ему малое сопротивление,
средний зазор между впадинами больше номинального, и, как следствие, итоговый расход
превышает расход через аналогичный зазор, образованный гладкими поверхностями.
Наименьшие значения коэффициентов потока наблюдаются в случае поверхности с
сильной анизотропией при γ < 1 – после токарной обработки, ориентированной перпендикулярно направлению течения. Максимальные значения коэффициенты потока принимают для поверхности после фрезерования с неровностями, ориентированными вдоль направления потока ( γ > 1 ).
Таким образом, можно сделать вывод, что показатель анизотропии шероховатости
поверхности является одним из определяющих параметров при расчете герметичности
прецизионных соединений.
Результаты расчета утечек сплошной среды в прецизионных соединениях
с учетом микротопографии поверхности. На основании проведенных авторским коллективом исследований разработан вычислительный комплекс для расчета утечек сплошной среды в подвижных прецизионных соединениях с учетом трехмерной топографии поверхности. С использованием разработанного комплекса проведена серия численных экспериментов по расчету утечек в плунжерной паре.
Расчет проводился для пары со следующими техническими характеристиками: диаметр поршня Dпор =10мм; диаметр цилиндра Dцил варьировался таким образом, чтобы в
паре не возникал контакт неровностей, от 10,0001 до 10,006мм; длина рабочей части
поршня L =15мм; скорость движения поршня U =0,5м/с; давление в системе pсист =1МПа;
давление в камере нагнетания pнагн =8МПа. Использовались жидкости с различными коэффициентами динамической вязкости.
Расчет герметичности плунжерной пары основан на использовании зависимости (2)
для канала, составленного из двух параллельно расположенных прямоугольных шероховатых пластин (ввиду того, что величина зазора в плунжерной паре значительно меньше
диаметра плунжера). С учетом направления утечки, градиента давления и скорости движения плунжера формула (2) записана в виде
Dцил + Dпорш  H 3 Pнагн − Pсист
UH 
.
 ϕ
−θ
2 
2
L
 12µ
Из представленного на рис. 4 графика видно, что при малых значениях среднего
зазора утечки отрицательные. Это означает, что составляющая потока, обусловленная
движением поршня, преобладает над составляющей потока, обусловленной наличием
градиента давления, и направление результирующего потока совпадает с направлением
скорости движения поршня, что с технологической точки зрения означает отсутствие
утечек. С ростом зазора поток напорного движения жидкости начинает доминировать, что
приводит к росту утечек. На практике это может быть связано с износом плунжерной
пары.
Q=π
82
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 3(35)
Рис. 4. График зависимости утечек в плунжерной паре от величины
среднего зазора при различных коэффициентах динамической вязкости
жидкости µ : 1 – 0,25·10-9 МПа·с; 2 – 1·10-9 МПа·с; 3 – 1,25·10-9 МПа·с
Проведенные исследования для соединений с шероховатостью рабочих поверхностей после различных технологических методов обработки свидетельствуют, что показатель анизотропии шероховатости поверхностей является одним из определяющих параметров при расчете утечек.
Предложенная математическая модель течения сплошной среды в прецизионных соединениях с учетом трехмерной топографии их рабочих поверхностей может быть использована при проектировании прецизионных соединений для предварительной оценки
их герметичности.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Порошин, В.В. Математическое моделирование течения сплошной среды в прецизионных соединениях с
учетом микротопографии рабочих поверхностей / В.В. Порошин, А.А. Аносова, Д.Ю. Богомолов //
Машиностроение и инженерное образование. − 2011. − № 3. − C. 58–63.
2. Patir, N. An average flow model of determining effects of three dimensional roughness on partial hydrodynamic
lubrication / N. Patir, H.S. Cheng // ASME Journal of Lubrication Technology. − 1978. − Vol. 100. − № 1. − P.
12–17.
3. 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.
4. Лойцянский, Л.Г. Механика жидкости и газа / Л.Г. Лойцянский. – М.: Наука, 1973. – 848 с.
Материал поступил в редколлегию 13.08.12.
83
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 3(35)
УДК 532.5
В.Т. Буглаев, В.Т. Перевезенцев, М.А. Шилин
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ
СОПРОТИВЛЕНИЙ В КАНАЛЕ С СОТОВОЙ СТРУКТУРОЙ
Приведены результаты экспериментального исследования гидродинамического сопротивления канала с сотовой структурой на одной из поверхностей при турбулентном режиме течения. Показана зависимость коэффициента гидравлического сопротивления от режимных и геометрических параметров.
Ключевые слова: сотовая структура, гидравлическое сопротивление, турбулентный режим течения, интенсификация трения, коэффициент гидравлического сопротивления.
Важной инженерной проблемой является разработка теплообменных поверхностей,
эффективных как с точки зрения интенсификации теплообмена, так и с точки зрения снижения гидравлического сопротивления аппаратов. Практически требуют решения задачи
выбора и оптимизации структуры теплопередающих поверхностей в широком диапазоне
режимов их обтекания.
В настоящее время широко обсуждаются особенности течения на поверхностях с
упорядоченными рельефами из сферических углублений (лунок) [1] с возможной самоорганизацией смерчевых структур в потоке.
В ряде работ, например в [2], делается попытка исследования особенностей течения
в каналах с сотовой структурой на стенках с целью интенсификации уплотняющего эффекта в зазорах, оптимизации величин радиальных зазоров в турбинах и компрессорах и в
конечном счете повышения экономичности и надежности турбомашин.
В настоящей статье обсуждаются результаты исследования гидравлического сопротивления каналов, одной из поверхностей которых является ячеистая (сотовая) структура,
в широком диапазоне режимных и геометрических параметров.
Рабочий участок и стенд для исследования гидравлических характеристик канала с сотовой структурой. Для исследования гидродинамического сопротивления канала с сотовой структурой была создана экспериментальная установка, газодинамический
тракт рабочего участка которой представлял собой канал прямоугольного сечения шириной B=60 мм и длиной L0 =230 мм
(рис. 1).
Основными элементами рабочего участка являются сменные металлические пластины с напаянной сотовой структурой, имеющей 5 рядов по
14 ячеек в каждом.
Геометрические характеристики
экспериментальных моделей для исследования сопротивления щелевого
тракта имели следующие значения:
диаметр вписанной в ячейку окружности d ˙ =12 мм, глубина ячейки
h ˙ =2,4…15 мм. Высота канала δ изРис. 1. Схема щелевого канала с сотовой структурой
менялась от 6 до 12 мм за счет перена одной из стенок
движения нижней стенки рабочего
участка.
Для обработки опытных данных использовались следующие геометрические комплексы:
84
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 3(35)
h = h˙
d˙
– относительная глубина сотовых ячеек;
δ= δ
– относительная высота канала над поверхностью с сотовой структурой.
d˙
Необходимо отметить, что относительная площадь поверхности, занимаемая сотами
3d 2˙
и вычисляемая по формуле F =
, имеет значение 1,0 ( S x и S y – поперечный и про2S x S y
дольный шаги сотовых ячеек).
Набор изготовленных пластин с сотовой структурой позволил исследовать гидравлическое сопротивление при следующих значениях определяющих параметров:
h =0,2…1,25; δ =0,5…1,0. Также он позволил выявить влияние каждого из этих факторов
в отдельности. Такое сочетание конструктивных параметров стенда обеспечивало исследование гидравлического сопротивления в диапазоне режимов течения Red = 104...105 .
Пластины с сотовой структурой, формирующие щелевой тракт, препарировались отборами статического давления p потока в двух фронтальных сечениях канала: на расстоянии 20 ⋅10 −3 м до начала контрольного участка длиной L=170 мм (p вх ) и на выходе из него
на расстоянии 20 ⋅10 −3 м (p вых ). В каждом сечении устанавливалось шесть отборов статического давления – по три на каждой противоположной пластине. В рабочий канал воздух
попадал непосредственно из атмосферы с регистрируемым давлением p н . Температура
потока на входе в рабочий участок измерялась лабораторным термометром, перепад статических давлений – наклонными спиртовыми дифференциальными манометрами. Величина массового расхода воздуха определялась при помощи стандартного суживающего
устройства.
Методики обработки и обобщения опытных данных. Целью экспериментальных
исследований являлось определение коэффициента гидравлического сопротивления λ Σ
контрольного участка канала с сотовой структурой на одной из поверхностей.
Для этого использовалось уравнение Бернулли для сжимаемых потоков в дифференциальной форме [1]
λΣ
 ρW 2 
dL ρW 2
 = 0,
+ dp + d 
 2 
dг 2


которое с учетом уравнения неразрывности и состояния после интегрирования для случая
изотермического потока в канале постоянного сечения Fę приобретает вид
−1
−2


∆p ( pвх + pвых )  G 
pвх  L 





λΣ =
 F  − ln p
d  ,


RT
вых  г 
 к


где G и Fę – величина массового расхода воздуха и площадь поперечного сечения канала
соответственно; L – длина контрольного участка канала; d ă – гидравлический диаметр канала; R, T – газовая постоянная и температура рабочего тела; p вх , p вых – давления рабочего
тела на входе и выходе рабочего канала; ∆p = pвх − pвых – изменение (потери) статического давления в потоке рабочего тела на контрольной длине L канала.
Экспериментальные исследования проводились в изотермических условиях без теплообмена продувкой воздухом с температурой Т н окружающей среды. Изменение коэффициента гидравлического сопротивления λ Σ на контрольном участке канала представлялось в виде зависимости от числа Red = ρWd г , где W = G
– массовая скорость потоµ
Fк ρ
85
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 3(35)
ка, вычисленная по исходной площади канала Fк = Bδ ; d г = 2 Bδ – гидравлический
B +δ
диаметр канала, вычисленный без учета влияния сотовой структуры на объем и поверхность канала.
Для проведения квалификационных опытов и отладки стенда перед каждой серией
экспериментов использовались гладкие каналы, аналогичные по своим геометрическим
параметрам (ширина канала B, высота канала δ , суммарная протяженность канала L0 )
трактам с сотовой поверхностью. Результаты измерения коэффициентов трения в этих испытаниях использовались для определения искомых величин интенсификации трения
в каналах с сотовой структурой.
ψ λ = λΣ
λ0
Результаты опытного исследования коэффициентов трения:
Квалификационные опыты. Полученные результаты измерений коэффициентов
трения λ 0 в каналах с гладкими стенками показаны на рис. 2 в виде зависимости
λ0 = f ( Red ) . Там же показана известная экспериментальная зависимость Блазиуса
λ0 = 0,3164 Red−0,25 (линия а), рекомендуемая для расчетов гидравлического сопротивления в гладкостенных каналах в диапазоне чисел Red = 103...105 . Совпадение полученных
значений λ 0 с зависимостью Блазиуса свидетельствует о достоверности выполненных
экспериментальных исследований трения в прямоугольном канале с сотовой структурой.
Влияние режима течения потока (чисел Red ) на гидравлическое сопротивление
в канале с сотами. Выполненные испытания образцов № 1-7 с различной относительной
глубиной ячеек h показали, что размещение сотовой поверхности на одной из стенок
прямоугольного канала приводит к увеличению коэффициента гидравлического сопротивления λ на поверхности с сотами и коэффициента гидравлического сопротивления λΣ
канала в целом при любых исследованных значениях h и δ сотовой структуры по сравнению с аналогичными характеристиками для канала с гладкими стенками во всем диапазоне чисел Red . Полученные значения коэффициента гидравлического сопротивления
λΣ = f ( Red ) канала с сотовой структурой на одной из поверхностей показаны на рис. 2.
На этом же рисунке приведены для сравнения некоторые результаты экспериментальных исследований поверхностей с лунками [1], сравнимыми по глубине ( h = 1,0 ) с
сотами.
Характер зависимости коэффициента гидравлического сопротивления λΣ = f ( Red )
на трактовой поверхности с сотами на начальном участке практически аналогичен характеру зависимости λ0 = f ( Red ) для гладких каналов до значений Red кр = (3,2...3,8) ⋅10 4 .
Зависимость λ0 = f ( Red ) для гладкого канала состоит из двух характерных участков: степенного (вида λ0 = C Re n с n ≠ 0 ) в области Red < Red кр и автомодельного (вида
d
λ0 = λкр = const ) в области Red > Red кр . Анализ зависимостей λΣ от числа Red для
каналов с сотовой структурой при различных значениях параметра h показал, что характерный участок автомодельности у всех образцов, за исключением образца с h =0,5, начинается при Red кр = (3,2...3,8) ⋅10 4 . Следует отметить, что при экспериментальных исследо-
ваниях гидравлических сопротивлений каналов с лунками авторы [1] описали подобное
явление на образцах с большой относительной глубиной лунок ( h =1,0; F =0,35), для ко86
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 3(35)
торых коэффициент сопротивления во всем исследуемом авторами диапазоне чисел
Red = 2 ⋅ 10 4...1,2 ⋅ 105 оказался практически независимым от Red (линия б на рис. 2).
Рис. 2. Результаты измерения коэффициента гидравлического сопротивления λΣ контрольного участка канала с сотовой структурой на
одной из стенок: а – гладкостенные квалификационные модели;
б – сферические углубления ( F = 0,35 ; h = 1,0 ) [1]; в – сферические
углубления ( F = 0,67 ; h = 1,0 ) [1]; группа 1 ( δ = 1,0 ): г – h = 0,8 ;
д – h = 1,0 ; e – h = 1,3 ; ж – h = 0, 2 ; з – h = 0,3 ; и – h = 0,5 ;
к – h = 0, 42 ; группа 2 ( δ = 0,5 ): л – h = 0,3 ; м – h = 1,3 ;
н – h = 0, 42 ; о – h = 0,5 ; п – h = 0, 2 ; р – h = 0,8 ; с – h = 1,0
группа 3 ( δ = 0,75 ): т – h = 0,55 ; у – h = 1,0
Зависимость коэффициента сопротивления канала с сотами λ Σ для образца с h =0,5
при Re d ≤ 3,2 ⋅ 104 имеет такой же, как для остальных образцов, начальный участок, однако
87
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 3(35)
затем возрастает и входит в зону автомодельности при Red кр = 105 . Данное явление можно объяснить особенностями течения в канале и характером вихреобразования в сотовой
ячейке указанной относительной глубины.
Также принципиально иной характер зависимости λΣ = f ( Red ) можно наблюдать
при уменьшении величины относительного зазора δ до 0,5 (группа 2 на рис. 2). При увеличении числа Red коэффициент гидравлического сопротивления увеличивается, кроме
образца с h = 1,3 . Увеличение сопротивления канала может быть связано с изменением
характера вихреобразования в сотовых ячейках вследствие влияния на течение в зоне
смешения вблизи сот противоположной стенки канала.
Во всем исследуемом диапазоне Red = 10 4...105 коэффициенты гидравлического сопротивления каналов с сотовой структурой λ Σ всегда превышают аналогичные коэффициенты сопротивления λ0 в гладкостенных каналах, а также коэффициенты сопротивления для рельефов со сферическими углублениями (линии б, в на рис. 2). Степенью этого
превышения является показатель интенсификации трения ψ λ = λΣ
λ0 в условиях
Red = idem , зависящий только от сочетаний параметров рельефа и канала ( h и δ ). При
этом для всех исследованных образцов (за исключением сотовой структуры с h =0,5) зависимости λ Σ в диапазоне Red ≤ Red кр располагаются выше базовой зависимости
λ0 = f ( Red ) для каналов с гладкими стенками со смещением по линии Red кр .
Указанные особенности экспериментальных зависимостей коэффициента гидродинамического сопротивления λΣ = f ( Red ) дают возможность находить закон трения в каналах с сотовой структурой в виде зависимости
λΣ = ψ λ λ0 .
Учитывая известные зависимости гидродинамического сопротивления в гладких каналах для переходной ( Red ≤ Red кр ) и автомодельной ( Red > Red кр ) областей режимов
течения
можно записать:
λ0 = 0,3164 Red− 0,25 при Red ≤ Red кр ,
λ0 = 0,018 при Red > Red кр = 105 ,
λΣ = 0,3164ψ λ Red− 0,25 при Red ≤ Red кр ,
λΣ = 0,018ψ λ кр при Red > Red кр .
Следует отметить, что указанные показатели интенсификации трения для переходной (ψ λ для Red ≤ Red кр ) и автомодельной (ψ λ кр для Red > Red кр ) областей режимов
течения отличаются друг от друга (ψ λ ≤ψ λ кр ), причем ψ λ при увеличении числа Red
монотонно увеличивается до ψ λ кр .
Влияние относительной глубины h сотовых ячеек на гидродинамическое сопротивление канала. На основе полученных экспериментальных данных были построены
зависимости степени интенсификации ψ λ − 1 сопротивления в канале с сотовой структурой при различной ее относительной глубине h (рис. 3).
88
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 3(35)
Как видно из рисунка, степень интенсификации сопротивления не прямо пропорциональна величине h , а имеет максимум (при h = 0,3...0,45 ), зависящий от величины
относительного зазора δ Особенно указанное явление заметно при малых зазорах
( δ =0,5), что объясняется усилившимся влиянием противоположной стенки на течение в
канале и деформацией характерноψ λ −1
го для сотовой поверхности поля
скоростей [2].
δ =0,5
δ =1,0
Re d = 5 ⋅10 4
Проведенные исследования
показали, что при малых зазорах
( δ ≤0,5) прослеживается взаимное
влияние трения потока о гладкую и
сотовую поверхности. Поэтому
зависимость ψ λ = f (λΣ , λ0 ) для
Re d = 3 ⋅10 4
разных зазоров имеет вид, отличный от приведенного в работе [1],
h
что также объясняется перестройкой потока в ячейках сот при наРис. 3. Влияние относительной глубины сотовой структуры
личии противоположной стенки.
на гидродинамическое сопротивление канала
На основе экспериментальных данных можно сделать вывод о том, что характер течения и гидродинамическое сопротивление в канале с сотовой структурой значительно зависят от режима течения ( Red )
и геометрических параметров канала ( δ ) и самой структуры ( h ). В зависимости от относительного зазора δ изменяется не только величина сопротивления канала, но и максимальное ее значение при различной относительной глубине h . Описанные явления указывают на необходимость дальнейшего детального исследования влияния режимных и геометрических параметров на течение в канале с сотовой структурой.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Ануров, Ю.М. Опытное исследование гидравлических сопротивлений в прямых щелевых каналах с упорядоченными системами сферических углублений / Ю.М. Ануров, К.Д. Андреев, В.Г. Полищук [и др.] //
Теплоэнергетика. – 2007. – №7.
2. 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. – 192 с.
Материал поступил в редколлегию 29.02.12.
89
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 3(35)
ВЫЧИСЛИТЕЛЬНАЯ ТЕХНИКА
И ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ
УДК 322.146.2
Ф.Ю. Лозбинев
РАЗВИТИЕ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННОЙ ОСНОВЫ ФОРМИРОВАНИЯ
ЭЛЕКТРОННОГО ПРАВИТЕЛЬСТВА В БРЯНСКОЙ ОБЛАСТИ
Приведены основные этапы создания мультисервисной корпоративной сети органов власти на территории
Брянской области: системный проект сети и её начальный кластер, управление сетью и система видеоконференцсвязи. Показаны перспективы дальнейшего развития телекоммуникационной инфраструктуры электронного правительства в регионе.
Ключевые слова: электронное правительство, государственные услуги, телекоммуникационная сеть, радиодоступ, радиочастотный ресурс, видеоконференцсвязь.
В декабре 2009 года Президентом Российской Федерации Д.А.Медведевым органам
государственной власти субъектов Российской Федерации было поручено разработать и
утвердить планы мероприятий по развитию информационного общества и формированию
электронного правительства. Под термином «электронное правительство» в настоящее
время понимается процесс оказания государственных и муниципальных услуг гражданам
и организациям в электронном виде.
Инфраструктура электронного правительства регионального уровня (рис.1) разработана Министерством связи и массовых коммуникаций России и включает в себя следующие основные компоненты:
Рис. 1. Инфраструктура электронного правительства (региональный уровень)
90
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
- информационно-коммуникационную основу, представляющую собой средства связи (телекоммуникации) для обмена информацией;
- региональный реестр, региональный портал и Единый (федеральный) портал государственных и муниципальных услуг;
- единое цифровое пространство доверия электронной цифровой подписи, в которое
входят удостоверяющий центр органов государственного и муниципального управления
Брянской области и удостоверяющие центры федеральных органов исполнительной власти;
- центр обработки данных органов исполнительной власти субъекта, соединённый
защищённым каналом связи с центром обработки данных федерального оператора электронного правительства;
- региональный узел системы межведомственного электронного взаимодействия,
предназначенный для реализации сервисов электронного правительства в процессе оказания государственных и муниципальных услуг;
- систему управления информационной безопасностью, обеспечивающую разграничение прав доступа к региональным и федеральным информационным ресурсам при сверке сведений граждан, необходимых для получения государственной или муниципальной
услуги;
- центры общественного доступа, обеспечивающие гражданам возможность обращаться к порталу государственных и муниципальных услуг;
- центры телефонного обслуживания, предназначенные в качестве справочной службы давать информацию населению по всем вопросам получения государственных и муниципальных услуг;
- автоматизированные информационные системы органов власти и других участников процесса.
Создание телекоммуникационной основы инфраструктуры электронного правительства в регионе началось в 2008 году в рамках действующей тогда областной целевой программы «Информатизация Брянской области (2007—2010 годы)».
В начале 2008 года Координационным советом по информатизации при администрации Брянской области были рассмотрены несколько вариантов технологических схем организации такой сети: на основе волоконно-оптических линий связи, систем спутниковой
связи, сотовой связи и систем наземного радиодоступа. Принято решение остановить выбор на последнем из перечисленных вариантов.
В июне 2008 года был проведен открытый конкурс на разработку системного проекта сети. Конкурс выиграла московская компания «Интеллект Телеком». Системный проект прошел экспертизу в Институте проблем передачи информации Российской академии
наук (ИППИ РАН), был рассмотрен Координационным советом по информатизации и получил одобрение.
Более подробная информация о системном проекте и реализованном в декабре 2008
года пусковом комплексе сети на основе технологии preWiMAX опубликована ранее в работе [1].
В 2009 году был завершен монтаж оборудования Северной магистрали единой телекоммуникационной сети и системы видеоконференцсвязи (ВКС). В сеть были включены
администрации Жуковского, Выгоничского, Дятьковского, Дубровского, Клетнянского,
Рогнединского районов и г. Фокино. Монтаж оборудования был осуществлен на вышках
Брянского филиала оператора мобильной связи «Мегафон».
В 2010 году завершено подключение к сети всех администраций муниципальных
районов и городских округов Южной и Западной магистралей (рис. 2). Одновременно с
построением магистральных участков к сети были подключены уже смонтированные студии видеоконференцсвязи в администрациях районов и городов области.
91
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 2. Структурная схема организации мультисервисной корпоративной сети
на основе технологии preWiMAX на территории Брянской области
В 2011 году работа по совершенствованию сети осуществлялась в рамках долгосрочной целевой программы «Развитие информационного общества и формирование
электронного правительства в Брянской области (2011 – 2015 годы)», утвержденной постановлением администрации Брянской области № 571 от 7 июня 2010 года в соответствии с поручением Президента Российской Федерации, упомянутым в начале данной статьи. На ряде магистральных участков установлены радиомаршрутизаторы DreamStation
5n-24D с канальной скоростью передачи данных 300 Мб/с производства НПО «Рапира» (г.
Москва). Обновлено программное обеспечение видеосервера, добавлены новые функции.
В 2011 году проведено более 60 видеоконференций с районными центрами Брянской
области, в том числе оперативные совещания у губернатора области, совещания вицегубернатора по вопросам сельского хозяйства, совещания заместителей губернатора по
профильным вопросам, совещания федеральных структур.
Администрацией Брянской области выполнен весь предусмотренный законодательством комплекс мероприятий (рис. 3) и в декабре 2011 года от Федеральной службы по
надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций на период
10 лет получено разрешение на использование радиочастот в диапазоне 5,6 … 5,7 ГГц (3
номинала) на территории всей Брянской области.
В 2011 году к уже работающей радиосети посредством волоконно-оптических линий
связи подключены органы исполнительной власти на территории города Брянска, а также
администрация Брянского района и Брянская областная дума. Создана первая очередь
корпоративной телефонной IP-сети органов государственной власти. В настоящее время
администрации муниципальных районов и городских округов уже могут установить у себя средства IP-телефонии и общаться между собой и с региональными службами через
единую корпоративную сеть.
92
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 3. Порядок присвоения радиочастот в Российской Федерации
Также в 2010-2011 годах к областной сети подключен многофункциональный центр
«Боровое», куда проведен высокоскоростной канал и подключён Интернет на скорости 20
Мб/с.
В 2011 году этап опытной эксплуатации сети и системы ВКС завершён. С 2012 года
сеансы ВКС осуществляются в штатном режиме.
В марте-апреле 2012 года с целью повышения надёжности сети ряд районных центров Западной магистрали переведен на волоконно-оптические линии связи. Практически
вся Северная магистраль оснащена 300-мегабитными радиомаршрутизаторами
DreamStation 5n-24D.
В 2012 году запланирован перевод на эти радиомаршрутизаторы и всей Южной магистрали, а также подключение к сети служб социальной защиты населения для оказания
государственных и муниципальных услуг в рамках электронного правительства.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Лозбинев, Ф.Ю. Состояние и перспективы развития информационных технологий в органах власти Брянской области / Ф.Ю. Лозбинев, Н.М. Рощина, Е.В. Осмаковская // Вестн. БГТУ. –2009. –№4. –С.85-94.
Материал поступил в редколлегию 26.07.12.
93
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 3(35)
УДК 681.5
Е.Н. Рябцев
МЕТОДЫ РАСЧЕТА МИНИМАЛЬНО НЕОБХОДИМЫХ ПАРАМЕТРОВ
ПРОГРАММИРУЕМОГО ЛОГИЧЕСКОГО КОНТРОЛЛЕРА
ДЛЯ СИСТЕМ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМ ОБОРУДОВАНИЕМ
Приведены способы расчета минимально необходимых характеристик программируемого логического контроллера при его применении в системах автоматического управления технологическим оборудованием.
Представлена последовательность расчета данных характеристик исходя из вида движения, реализуемого
рабочими органами оборудования. Описаны возможности снижения требуемых характеристик элементов
системы автоматического управления при ее разработке.
Ключевые слова: система автоматического управления, ПЛК, СЦПУ, процессор, тактовая частота, позиционное управление.
В настоящее время основным способом повышения качества и производительности
обработки материалов является автоматизация производственного оборудования. Практика показывает, что наибольший экономический эффект приносит автоматизация однообразных, постоянно повторяющихся технологических операций. Данный вид операций
обычно выполняется на технологическом оборудовании, работающем по жесткому, практически не меняющемуся алгоритму, изменяться могут лишь последовательность стандартных циклов и величины перемещений исполнительных органов. На предприятиях
страны используется большое количество единиц такого оборудования, системы управления которыми построены на релейно-контактных схемах, обладающих низкой надежностью. Системы управления на релейно-контактных схемах относятся к СЦПУ (системам
циклового программного управления), и их ремонт является достаточно трудоемким процессом. Модернизация технологического оборудования путем применения более совершенных устройств автоматики является первостепенной задачей для предприятий, особенно для предприятий, занятых производством и переработкой материалов, характеризующихся большим объемом выпуска продукции.
Анализ современного технологического оборудования показал, что релейноконтактные схемы в системах циклового программного управления уже практически не
применяются. Исключением остаются приводы, основанные на соленоидах, ведь, как известно из теории автоматического управления, релейные системы обладают наивысшим
быстродействием. Но необходимо отметить, что применяются данные типы приводов
лишь в простейших операциях (примером может служить перемещение штока пневмопривода по одной координате). Организация управления несколькими приводами данным
методом является трудоемкой и ведет к снижению надежности системы.
Самым распространенным и надежным способом построения СЦПУ на сегодняшний
день является применение ПЛК (программируемого логического контроллера). Благодаря
тому что ПЛК является конструктивно законченным устройством автоматики (ввод его в
эксплуатацию достаточно прост и сводится к программированию и монтажу), трудоемкость проектирования и пусконаладочных работ существенно снижается. Вместе с тем
показатели надежности работы ПЛК по сравнению с релейно-контактными схемами на
порядок выше. Кроме того, системы управления, построенные на ПЛК, легко интегрируются в информационную сеть предприятия и достаточно просто сопрягаются с другими
вычислительными устройствами и комплексами. Этим и объясняется востребованность
данного типа устройств, относящегося к вычислительным устройствам реального времени. Но, несмотря на повсеместное применение ПЛК в системах управления технологиче94
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 3(35)
ским оборудованием, до сих пор не разработаны методы расчета оптимальных параметров, по которым следует выбирать ПЛК из ряда предлагаемых на рынке средств автоматики. Отсутствие данных методов ведет не только к излишним затратам на приобретение
комплектующих, но и к возможным ошибкам на ранних этапах проектирования, что может сорвать сроки ввода в эксплуатацию оснащаемой или модернизируемой промышленной установки. В современной технической литературе ПЛК рассматривают с точки зрения отдельного способа организации вычислительного устройства на базе микроконтроллера, но вопросам обоснованного подбора конкретной модели ПЛК внимания не уделяется. Как правило, в литературных источниках могут быть изложены общие сведения по
применению ПЛК в системах управления технологическими процессами, описанных с позиций событийно-управляемой логики (наиболее всего они полезны в вопросах программирования ПЛК и организации структуры СЦПУ с его применением) [1-3], рассмотрены
вопросы решения задач автоматизации с использованием микроконтроллеров определенной серии, приведены основные технические характеристики, режимы работы и система
команд микроконтроллеров данной серии. Особое внимание уделяется типовым алгоритмам решения отдельных задач [4; 5]. Рассматриваются методика и программа оценки и
выбора программируемых логических контроллеров по совокупности технических и эксплуатационных характеристик, а также потребительских свойств, но не рассматривается
вопрос расчета минимально необходимых характеристик ПЛК, определяющих его стоимость и предъявляемых в качестве исходных данных [6]. Это может поставить в тупик
разработчиков СЦПУ на базе ПЛК.
В большинстве случаев с применением ПЛК приходится решать два типа задач:
1. Контроль прямолинейного движения. Необходимо контролировать прямолинейное перемещение рабочего органа оборудования на расстояние l с точностью j со скоростью движения V min ≤ V ≤ V max .
1.1. При рассмотрении данной задачи необходимо определиться со способом
управления приводом. В данном случае управление позиционное, при котором положение
в каждой точке обеспечивается при помощи обратной связи. Организовать обратную связь
логично при помощи датчика линейных перемещений. При этом датчик должен обеспечивать необходимую точность измерений, т.е. должно выполняться условие
h д.ш ≥ j,
где h д.ш. - шаг деления шкалы датчика, м; j – точность перемещения рабочего органа, м.
1.2. Найдем минимально необходимую разрядность процессора, на базе которого
должен быть построен ПЛК, рассчитав число А (количество импульсов от датчика, контролируемое процессором при перемещении на длину l) по формуле
l
,
A=
hд.ш
где l – максимальная длина перемещения рабочего органа, м.
Далее необходимо будет перевести полученное число А в двоичную форму и подсчитать получившееся число разрядов а. Разрядность процессора должна быть больше либо равна полученному числу а.
Алгоритм работы блока программы, контролирующего перемещение, представлен
на рис 1.
Уменьшить разрядность обрабатываемого числа, а следовательно, и разрядность
процессора можно программным путем, изменив алгоритм программы, реализующей контроль перемещения (рис. 2). В данном случае контролировать величину перемещения будем по двум числам, для чего необходимо разбить число А на разряды: старшие разряды
А ст подсчитываем числом L, а младшие А мл - числом l. В данном алгоритме присутствует
95
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 3(35)
Рис. 1. Блок-схема алгоритма программы, реализующей контроль перемещения
Рис. 2. Блок-схема алгоритма программы, реализующей контроль перемещения по двум числам
параметр n , который является разрядом числа А мл .
Например, при разделении на разряды числа
5559999 А ст =555, А мл =9999, n=4.
Как видно из рис. 2, при таком понижении
разрядности обрабатываемых данных увеличивается
количество элементарных операций и, как следствие, время выполнения программы. Данный фактор
приводит к уменьшению минимально необходимой
длительности машинного цикла и, следовательно , к
увеличению минимально необходимой производительности процессора.
Для обеспечения оптимальной последовательности расчетов рекомендуется параллельно расчетам вести разработку программы в необходимой
среде программирования. Это позволит определить
количество машинных циклов n ц , необходимое для
выполнения блока программы, а также объем памяти, необходимый для ее хранения.
1.3.
Следующей немаловажной характеристикой, необходимой для подбора оптимального по
характеристикам ПЛК, которая напрямую зависит
от точности измерений и скорости перемещения рабочего органа оборудования, является минимальная
длительность t min импульса, воспринимаемого дискретным входом. В случае организации управления
прямолинейным движением привода она рассчитывается по следующей формуле:
h
t min = д.ш ,
4Vmax
где t min - минимальная длительность импульса, воспринимаемого дискретным входом, с; V max – максимальная скорость перемещения исполнительного
органа, к которому крепится датчик, м/с.
Для дальнейших расчетов понадобится такая
характеристика, как максимальная длительность
импульса t max . Максимальная длительность импульса, воспринимаемого дискретным входом, достигается при минимально необходимой скорости движения рабочего органа и рассчитывается по формуле
h
t max = д.ш ,
2Vmin
где t max - максимальная длительность импульса, воспринимаемого дискретным входом, c;
96
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 3(35)
Рис. 3. Временная диаграмма сигналов
от фотоимпульсного датчика
V min – минимальная скорость перемещения исполнительного органа, к которому крепится датчик,
м/с.
Временная диаграмма сигналов от фотоимпульсных датчиков, дающая основание для данных
зависимостей, представлена на рис. 3. Минимальная
длительность импульса, воспринимаемого дискретным входом в данном случае является длительностью импульса, нулевой риски датчика с сигналом
U 0 , все остальные импульсы в два раза длиннее нулевого (U 1 – сигнал движения в прямом направлении, U 2 – сигнал движения в обратном направлении).
В современных ПЛК присутствуют высокоскоростные (высокочастотные) дискретные входы
(именно для подключения фотоимпульсных преобразователей с большим числом штрихов на диске
или с маленьким шагом деления шкалы), которые
осуществляют измерение перемещений с высокой
точностью. Так, в ПЛК 160-220.A-L имеются дискретные входы с минимальной длительностью вос-
принимаемого импульса 0,02 мс.
1.4. Необходимую длительность машинного цикла t м.ц можно рассчитать, исходя из
условия, что общее количество машинных циклов, реализованное в блоке программы контроля перемещения, должно быть меньше минимального периода подачи импульсов датчиком T min (достигаемого при движении рабочего органа с максимальной скоростью V max )
и больше максимальной длительности импульса t max (достигаемой при движении рабочего
органа с минимальной скоростью V min ). Данное условие в математическом виде выглядит
так:
t max < nц . × t м.ц < Tmin ,
где n ц - количество машинных циклов, необходимое для выполнения блока программы;
t м.ц - длительность машинного цикла, c; T min - минимальный период подачи импульсов
датчиком, с.
Его можно записать следующим образом:
t max
T
< t м.ц < min .
nц
nц
Параметр T min рассчитывается по формуле (рис. 3)
Tmin = 4t min .
Длительность машинного цикла встречается в техническом описании практически
всех современных ПЛК, но также имеется возможность определения необходимой тактовой частоты процессора ПЛК. Например, для ПЛК, строящихся на базе процессоров AVR
и ARM, будет справедливо утверждение, что их тактовая частота обратно пропорциональна длительности машинного цикла, и для них будет справедливо следующее условие:
97
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 3(35)
nц
t max
< f пр <
nц
Tmin
,
где f пр – тактовая частота процессора, Гц.
Для ПЛК, выполненных на других процессорах, необходимая зависимость будет изменяться с учетом архитектуры процессорного ядра.
Еще одним видом движения, который необходимо рассмотреть в рамках поставленной задачи, является вращение. Общие принципы и последовательность решения задачи
контроля вращения рабочего органа оборудования системой автоматического управления
на базе ПЛК будут схожими с описанными в предыдущей задаче. Но есть некоторые отличия, разберем их по порядку.
2. Контроль вращательного движения. Необходимо контролировать вращение рабочего органа оборудования на угол β с точностью j с частотой вращения n min ≤ n ≤ n max .
2.1. Как и в предыдущем примере, управление является позиционным, но в данном
случае будет применяться датчик угловых перемещений. Датчик можно подобрать по параметру z им (число импульсов на один оборот датчика угловых перемещений, т.е. число
штрихов на диске), от которого напрямую зависит точность его измерений. Данный параметр определяется по следующей зависимости:
360
,
zим ≥
iк .ц j
где i к.ц. – передаточное отношение кинематической цепи, соединяющей вал крепления
датчика с валом рабочего органа (при креплении датчика непосредственно на вал рабочего органа i к.ц. =1); j – точность поворота рабочего органа, град.
Таким образом, при соединении рабочего органа оборудования с валом двигателя
через понижающий редуктор (i к.ц >1) можно использовать датчик более низкой точности
(при креплении датчика на вал двигателя). Данный вывод позволяет снизить стоимость
системы управления.
2.2. Рассчитывать число А (количество импульсов от датчика, контролируемое
процессором при повороте рабочего органа на угол β) необходимо по формуле
i βz
A = к .ц им ,
360
где β – максимальный угол поворота рабочего органа, град.
Программный способ понижения требуемой разрядности процессора, описанный в
пункте 1.2 и показанный на рис. 2, может применяться в данном случае. Заметим, что при
использовании понижающего редуктора повышается контролируемое количество импульсов от датчика при повороте на заданный угол. Это приведет к увеличению требуемой
разрядности процессора.
Применение понижающего редуктора даст возможность использовать более дешевые датчики угловых перемещений, но это приведет к увеличению требуемой разрядности
процессора и уменьшению минимальной длительности импульса, воспринимаемого дискретным входом. Применять данный способ необходимо при условии, что он не станет
причиной излишних затрат, связанных с применением более совершенного ПЛК.
2.3. Минимальная длительность импульса, воспринимаемого дискретным входом в
данном случае, будет рассчитываться по формуле
98
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 3(35)
t min =
15
,
iк .ц zим nmax
где n max – максимальная частота вращения рабочего органа, мин-1.
Максимальная длительность импульса в данном случае рассчитывается следующим
образом:
30
,
t max =
iк .ц zим nmin
где n min – минимальная частота вращения рабочего органа, мин-1.
Временная диаграмма (рис. 3) поясняет обоснованность данных формул.
Дальнейшие расчеты следует проводить в соответствии с пунктом 1.4 задачи 1.
Применение данных методов расчета параметров ПЛК обеспечило снижение трудоемкости проектирования и экономию средств при выполнении следующих работ:
1. Модернизация стенда агрегатного сверлильного станка лаборатории кафедры
«Автоматизированные технологические системы» Брянского государственного технического университета.
2. Разработка системы автоматического управления линией поперечного раскроя
листового материала для ООО «Ключ-Агро» в соответствии с хоздоговором №1460У.
Данные методики позволили:
1. Приобрести комплектующие системы автоматического управления, не переплачивая за излишнюю функциональность и завышенные технические характеристики.
2. Провести проектные работы без ошибок и в срок.
3. Обосновать выбор комплектующих для системы управления.
4. Провести пусконаладочные работы в срок, без изменения проектных решений, заложенных при разработке.
Систему управления высокопроизводительным оборудованием целесообразно разрабатывать в следующей последовательности:
1. Определить, исходя из функционального назначения оборудования, количество
объектов управления, способ управления данными объектами.
2. Определить количество необходимых входов и выходов ПЛК и их параметры.
3. Исходя из того, какой вид движения реализует рабочий орган оборудования, рассчитать минимально необходимые параметры ПЛК согласно методике, представленной в
задаче 1 и/или задаче 2.
4. Если на технологическом оборудовании реализуется управление несколькими рабочими органами (реализуются одинаковые или разные виды движения), рассчитать минимально необходимые характеристики ПЛК для управления каждым рабочим органом,
после чего выбрать самые жесткие характеристики и использовать их для выбора ПЛК.
5. Определить оставшиеся эксплуатационные характеристики, исходя из производственной необходимости.
6. Исходя из полученных характеристик, выбрать модель ПЛК с учетом цен на рынке средств автоматики.
С помощью предложенных методов рассчитывают только основные характеристики
ПЛК, остальные характеристики определяются исходя из назначения конкретного технологического оборудования. Данные способы расчета позволяют существенно упростить
99
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 3(35)
процесс разработки систем автоматического управления технологическим оборудованием,
исключить ошибки на ранних стадиях проектирования, сэкономить средства, направленные на автоматизацию оборудования, и дают возможность разработчику ориентировочно
оценивать предлагаемые на рынке средств автоматики ПЛК.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Минаев, И.Г. Программируемые логические контроллеры: практическое руководство для начинающего
инженера/ И.Г. Минаев, В.В. Самойленко. – Ставрополь: Аргус, 2009. – 100 с.
Парр, Э. Программируемые контроллеры: руководство для инженеров/ Э.Парр. – М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2007.- 516 с.
Петров, И.В. Программируемые контроллеры. Стандартные языки и инструменты / И.В. Петров.- М.:
СОЛОН-Пресс, 2003.- 256 с.
Митин, Г.П. Системы автоматизации с использованием программируемых логических контроллеров:
учеб. пособие/ Г.П. Митин, О.В. Хазанова.– М.: СТАНКИН, 2005. - 136 с.
Деменков, Н.П. Системы автоматического управления на основе программируемых логических контроллеров / Н.П. Деменков // Техническая коллекция Schneider Electric.- 2008.- №16.- 76 с.
Митин, Г.П. Как выбрать программируемый логический контроллер/Г.П. Митин // Мир компьютерной
автоматизации.- 2000.- № 1.- С. 66-69.
Материал поступил в редколлегию 21.06.12.
100
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 3(35)
УДК 658.562
В.В. Мирошников, Г.В. Ефимова, Е.В. Королькова
МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ УЛУЧШЕНИЯ СИСТЕМЫ
МЕНЕДЖМЕНТА КАЧЕСТВА ОРГАНИЗАЦИИ
Предложена комплексная модель улучшения системы менеджмента качества организации. Выявлены процессы менеджмента качества, влияющие на основные компоненты разработанной модели организации.
Описаны показатели и формулы для расчета результативности идентифицированных процессов менеджмента качества. Определена зависимость между результативностью и зрелостью процессов.
Ключевые слова: система менеджмента качества, математическая модель, СМК, результативность, зрелость,
процесс.
В современном мире важнейшим условием развития любой организации стало наличие у нее эффективной системы менеджмента качества. Многие предприятия Российской
Федерации осуществляют внедрение и сертификацию систем менеджмента качества
(СМК) в соответствии со стандартами ИСО серии 9000.
Особенность стандартов ИСО 9000 состоит в том, что они предъявляют требования
не к качеству продукции напрямую, а к системе организации управления производством,
которое призвано обеспечить предсказуемый и стабильный уровень качества производимой продукции. Следовательно, эффективное управление производственным процессом
может быть достигнуто с помощью совершенствования СМК.
Для этого необходимо исследовать взаимосвязи процессов СМК с общей системой
управления предприятием. Наиболее эффективным инструментом исследования взаимодействия элементов в сложной системе является математическое моделирование. Однако
вопросы применения математических моделей для изучения воздействия СМК на деятельность предприятия недостаточно разработаны, поэтому возникает необходимость в
построении модели системы менеджмента качества, которая отражала бы связь процессов
менеджмента качества и основных компонентов деятельности организации. В связи с этим
актуальными являются исследования, посвященные разработке и применению комплексной математической модели влияния улучшения СМК на деятельность организации.
Предлагаемая авторами математическая модель улучшения СМК организации включает следующие компоненты: обобщенную модель организации; методику расчета результативности процессов менеджмента качества и СМК в целом; методику оценки зрелости процессов; зависимость результативности от зрелости процессов; мероприятия, обеспечивающие необходимую зрелость процессов; схему использования модели.
Обобщенная модель организации. Обобщенная модель организации, внедрившей
СМК, представляется в виде трехфакторной степенной производственной функции, построенной на основе функции Кобба-Дугласа [1]:
Y = A0 F a1 O a2Ч а3 ,
(1)
где Y– годовой объем производства (выпуска) продукции требуемого качества; F- активная часть производственных фондов, использованная для выпуска качественной продукции; O - оборотные средства организации, используемые для выпуска качественной продукции; Ч - численность рабочих организации, занятых в материальном производстве
(выпуске) качественной продукции; А 0 - параметр, характеризующий результативность
СМК в целом; а 1 , а 2 , а 3 - показатели степени, характеризующие использование каждого
из ресурсов F, O, Ч соответственно.
Для определения коэффициентов, входящих в формулу производственной функции
(1), применен метод наименьших квадратов (МНК).
101
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 3(35)
Активная часть основных производственных фондов (ОПФ), использованная для
выпуска качественной продукции, определяется по формуле
F = Ф0 Rифс ,
(2)
где Ф 0 - численное значение производственных фондов организации на начало исследования; R ифс - результативность процессов СМК, связанных с управлением инфраструктурой и производственной средой.
Оборотные средства организации, используемые для выпуска качественной продукции, определяются по формуле
О = О0 Rос ,
(3)
где О 0 - численное значение оборотных средств организации на начало исследования; R ос
- результативность процессов СМК, связанных с управлением оборотными средствами
предприятия.
Численность работников организации, занятых в материальном производстве (выпуске) качественной продукции, определяется по формуле
Ч = Ч 0 Rтр ,
(4)
где Ч 0 - численность работников организации на начало исследования; R тр - результативность процессов СМК, связанных с управлением трудовыми ресурсами предприятия.
Параметр организации, характеризующий результативность СМК в целом, предлагается определять по формуле
А0 = А R рук ,
(5)
где А - численное значение постоянного коэффициента на начало исследования; R рук результативность процессов СМК, связанных с общим руководством организацией.
На основе ГОСТ Р ИСО 9001-2008 [2] выделены процессы СМК, обеспечивающие
элементы производственной функции (табл. 1).
Таблица 1
Процессы менеджмента качества
Группа процессов СМК
Процессы СМК, связанные с управлением
инфраструктурой и производственной средой
Процессы СМК, связанные с управлением
оборотными средствами предприятия
Процессы СМК, связанные с управлением
трудовыми ресурсами предприятия
Процессы СМК, связанные с общим руководством организацией
Наименование процессов СМК на основе ГОСТ Р ИСО
9001-2008
-управление оборудованием для реализации процессов;
- управление производственной средой предприятия;
- управление вспомогательными объектами инфраструктуры
- планирование выпуска продукции;
- процессы, связанные с потребителями;
- проектирование и разработка;
-производство и обслуживание;
- управление устройствами для мониторинга;
-мониторинг и измерение;
- управление несоответствующей продукцией;
- управление улучшениями;
- закупки;
- анализ данных
- управление человеческими ресурсами
- обязательства руководства;
- ориентация на потребителя;
-анализ со стороны руководства
Методика расчета результативности процессов СМК. Основным элементом
предлагаемой модели СМК является результативность процессов СМК, связанных с ос102
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 3(35)
новными факторами производства. Алгоритм оценки результативности СМК можно представить в виде последовательности действий, показанной на рис. 1. Данный подход предусматривает три логически взаимосвязанных этапа [3; 4].
I этап оценки включает идентификацию и классификацию процессов в зависимости
от их роли в системе менеджмента качества с последующим определением основных характеристик процессов.
На II этапе осуществляется мониторинг процессов, регистрация данных и расчет результативности СМК.
На III этапе по результатам оценки принимаются решения о возможности разработки мероприятий по улучшению, необходимости проведения корректирующих и предупреждающих действий или оперативного вмешательства.
Рис. 1. Блок-схема алгоритма оценки результативности СМК
После определения показателей результативности процессов рассчитывается общая
результативность СМК – сводный показатель результативности СМК на основе комплексных показателей результативности процессов. Для определения численного значения оценки результативности СМК (R СМК ) необходимо объединить количественные оценки по составляющим комплексным показателям.
103
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 3(35)
n
RСМК =
∑R
i =1
i
,
n
где n – количество комплексных показателей, объединенных в сводный показатель.
На основе ГОСТ Р ИСО 9001-2008 были сформулированы комплексные показатели
для определения результативности процессов, связанных: с общим руководством организацией (R рук ); управлением оборотными средствами предприятия (R ос ); управлением трудовыми ресурсами предприятия(R тр ); управлением инфраструктурой и производственной
средой предприятия (R ифс ).
Показатели, связанные с управлением инфраструктурой и производственной средой
предприятия, описаны в табл. 2.
Таблица 2
Показатели для расчета Rиф
Обозначение
В1
В2
В3
В4
В5
В6
В7
Наименование показателя
Формула расчета
Управление оборудованием для реализации процессов
Коэффициент работоспособ- Фактическое время использования
ности оборудования
оборудования/ нормативное время
использования оборудования
Коэффициент наличия обоФактическое количество внедренного
рудования
оборудования/ необходимое количество оборудования
Коэффициент готовности
Количество готового к работе оборуоборудования
дования/ необходимое оборудование
по технологической документации
Управление вспомогательными объектами инфраструктуры
Коэффициент простоя объВремя простоев (или неэффективного,
екта инфраструктуры
нецелевого использования) объекта
инфраструктуры ввиду поломок, аварий/ плановое время использования
Доля затрат на энергообесПланируемые затраты на энергообеспечение
печение производства/ фактические
затраты на энергообеспечение производства
Управление производственной средой предприятия
Удовлетворенность персоСтепень удовлетворенности персонанала условиями производст- ла по шкале от 0 до 1
венной среды
Коэффициент соблюдения
Количество несоответствий требовапроизводственного микрониям производственного микрокликлимата
мата/ общее количество требований к
микроклимату
Целевое значение
Принимать равным 1
Стремится к 1
Стремится к 1
Стремится к 0. Принимать равным 1-В 4
Стремится к 1. Принимать равным 1
Стремится к 1
Стремится к 0. Принимать 1-В 7
Для определения показателей результативности R i необходимо объединить предложенные показатели R j по каждому из разделов.
m
Ri =
∑R
j =1
j
,
m
где R j - значение показателя результативности j-го процесса в каждом из определенных
разделов ГОСТ Р ИСО 9001; m – количество процессов в i-м разделе стандарта.
Решение о достигнутом уровне результативности СМК принимается по отклонению
от целевого значения вычисленного показателя результативности СМК
104
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 3(35)
Δ = 1 – R СМК
Критерии оценивания, представленные в табл. 3, устанавливаются высшим руководством и при необходимости могут корректироваться.
Таблица 3
Критерии оценивания результативности СМК
Зона состояния СМК
организации
Первая
Вторая
Третья
Четвертая
Критерий
оценивания
0≤Δ≤0,1
0,1<Δ≤0,4
0,4<Δ≤0,7
0,7<Δ≤1
Значение оценки
Очень высокая результативность СМК
Высокая результативность СМК
Удовлетворительная результативность СМК
Неудовлетворительная
результативность
СМК
Методика оценки зрелости процессов СМК. В основу предлагаемой методики
оценки зрелости процессов СМК положена модель СМК в соответствии с ГОСТ Р ИСО
9001-2008. По этой методике предлагается проводить оценку уровней зрелости выявленных процессов в три следующих этапа:
1. Формирование экспертной группы. Для проведения оценки привлекаются специально подобранные эксперты и компетентные специалисты организации по направлениям
деятельности.
2. Подготовка к проведению оценки. В процессе подготовки к оценке зрелости процессов СМК проводят:
– разъяснение членам экспертной группы правил заполнения опросных форм (квалиметрических шкал);
– определение процедур коммуникации между членами экспертной группы и согласования мнений различных экспертов по одним и тем же рассматриваемым параметрам;
– размножение и рассылку опросных форм членам экспертной группы.
3. Проведение оценки зрелости процессов. Для оценки зрелости выявленных процессов разработаны специальные шкалы зрелости. Члены экспертной группы внимательно
знакомятся с описанием шкал зрелости и проводят оценку по заданной шкале. Результаты
оценки зрелости процессов по разработанным шкалам приведены ниже в табл. 4.
Зависимость результативности от зрелости процессов. Аналитическую зависимость между результативностью процессов СМК и зрелостью соответствующих процессов можно представить в виде
Ri = f Ri [ xi (тi )]
(6)
где Ri – результативность i-го процесса; х i – уровень зрелости i-го процесса СМК; т i –
мероприятия, необходимые для повышения зрелости процесса.
Если предположить, что зависимость между результативностью процессов СМК и
зрелостью процессов имеет линейный характер, то формула (6) примет вид
Ri = ki хi (тi ),
(7)
где ki – численные значения коэффициентов весомости при экспертной оценке зависимости результативности процессов СМК и зрелости процессов.
Для определения коэффициентов ki в формуле (7) применим метод анализа иерархий, при этом будем использовать модель одноуровневой иерархии [5]. Для каждой иерархии строится матрица парных сравнений и вычисляется вектор собственных значений,
составляющие которого принимаются в качестве значений коэффициентов ki .
105
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 3(35)
В результате анализа зависимостей установлено, что результативность процесса линейно связана со зрелостью. Увеличение зрелости процесса приводит к повышению его
результативности. Таким образом, повышая зрелость процессов, можно увеличивать результативность процессов. Увеличение результативности, как было показано ранее, приводит к повышению показателей деятельности предприятия.
Следовательно, можно предложить ряд мероприятий m i , которые будут способствовать повышению зрелости соответствующих процессов, например:
−постоянный анализ причин выхода оборудования из строя (дисперсионный анализ,
контрольные карты); разработка и применение действий, предупреждающих выход из
строя измерительного оборудования;
−постоянное сравнение применяемых методов, средств контроля с методами и средствами ведущих организаций в стране и за рубежом, их постоянное улучшение;
−расширение работ, направленных на повышение производительности труда (например, расширение видов работ с высокой эффективностью использования навыков персонала), увеличение разнообразия выполняемых работ и предоставление работникам
большей автономии;
−постоянное повышение квалификации персонала предприятия; создание условий
для повышения личной заинтересованности и ответственности персонала за качество;
−проведение анализа характера и последствий отказов (FMEA), который включает в
себя виды деятельности, связанные с прогнозированием последствий возможных отказов
и предупреждением таких отказов или уменьшением их последствий.
Схема использования математической модели улучшения СМК. Схема использования математической модели улучшения СМК представлена на рис. 2.
Этап 1. На первом этапе необходимо определить исходные параметры модели. Для
этого первоначально необходимо определиться с целью. Возможны два варианта целей:
1)улучшение качества продукции при существующем объеме производства; 2) развитие
производства за счет совершенствования СМК организации. В зависимости от выбранной
цели определяются исходные параметры производственной функции.
Этап 2. На втором этапе проводится адаптация производственной функции (1) к
фактическим данным организации.
Этап 3. Следующим этапом в данном алгоритме является расчет результативности
процессов СМК. После определения результативности процессов рассчитывается производственная функция.
Этап 4. Четвертый этап алгоритма заключается в определении зрелости процессов.
По шкалам зрелости оценивается уровень зрелости процессов СМК. Оценивается результативность R ифс , R ос , R тр , R рук . Значения результативности, полученные по уровню зрелости, используются в формуле для расчета производственной функции.
Этап 5. На пятом этапе проводится оценка результатов исследования. Если цель исследования, поставленная на первом этапе, не достигнута, то необходимо реализовать мероприятия для повышения зрелости процессов СМК. После реализации мероприятий необходимо вновь повторить 4-й этап алгоритма.
Опытная проверка адекватности модели. Проверка адекватности предлагаемой
модели проведена на основе экономических данных ЗАО «УК «БМЗ». На основе показателей деятельности ЗАО «УК «БМЗ» [6] с помощью метода наименьших квадратов были
рассчитаны значения коэффициентов производственной функции (1) и получена обобщенная модель этой организации:
Y= A 0 F-0,3O0,33Ч2,45.
106
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 2. Схема использования математической модели улучшения СМК
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 3(35)
107
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 3(35)
Определив значения результативности для процессов по формулам (2−5), рассчитали компоненты производственной функции ЗАО «УК «БМЗ» F , O, Ч , А0 . Используя в качестве варьируемых параметров в модели СМК результативность процессов, можно проследить динамику изменения основных показателей деятельности предприятия (рис. 3, 4).
Сравнение расчетных значений с фактическими данными показало, что погрешность
расчетов по модели не превышает 5%.
Рис. 3. Изменение активной части производственных фондов F
Рис. 4. Зависимость годового объема выпуска продукции
требуемого качества от параметра A
Проанализировав графики, можно сделать вывод, что рост результативности приводит к увеличению показателей F, O, Ч, Y.
Таким образом, влияя на результативность процессов менеджмента качества предприятия, можно улучшить показатели деятельности предприятия.
Результаты оценки зрелости процессов СМК предприятия приведены в табл. 4.
Коэффициенты весомости зависимости между результативностью процессов СМК,
связанных с управлением оборотными средствами предприятия (R ос ), и зрелостью соответствующих процессов СМК имеют следующие значения:
Весовой коэффициент
k ос(пвп)
k ос(пр)
k ос(зак)
k ос(уми)
k ос(унп)
k ос(ад)
k ос(ул)
Оценка
0,074805
0,08656
0,187647
0,162165
0,038099
0,276284
0,174441
108
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 3(35)
Таблица 4
Результаты оценки зрелости процессов
Наименование процессов СМК на основе «Руководства по качеству» ЗАО
«УК «БМЗ»
Реализация ответственности руководства в системе менеджмента качества
Обозначение
Оценка
х ор
0,8
Планирование деятельности в системе менеджмента качества
х ар
0,6
Планирование и организация производства продукции
х пвп
0,9
Проектирование и разработка
х пр
0,7
Метрологическое обеспечение производства
х уми
0,8
Управление несоответствующей продукцией
х унп
0,6
Управление улучшениями
х ул
0,6
Обеспечение производства покупными материалами и изделиями
х зак
0,8
Внутренние аудиты
х ад
0,7
Управление человеческими ресурсами
х учр
0,4
Технологическое обеспечение производства
х уорп
0,6
Используя значения коэффициентов весомости, можно представить зависимость между результативностью процессов СМК, связанных с управлением оборотными средствами предприятия (R ос ), и зрелостью в виде
Rос= 0, 074805 хпвп (тпвп ) + 0, 08656 хпр (тпр ) + 0,187647 хзак (тзак ) + 0,162165 х уми (т уми ) +
+0, 038099 х унп (т унп ) + 0, 276284 хад (тад ) + 0,174441х ул (т ул )
Варьируя значения зрелости х i , можно построить гипотетические зависимости результативности от зрелости (рис. 5).
а)
б)
Рис. 5. Зависимость результативности R ос от параметров х пр (а) и х уми (б)
На графиках лучи радара соответствуют значениям зрелости процесса. Результативность показана толстой линией, соединяющей лучи.
Таким образом, выполненные исследования взаимосвязи процессов СМК с общей
системой управления предприятием позволили разработать комплексную математическую
модель улучшения СМК, использование которой дает возможность количественно оценить степень влияния СМК на деятельность предприятия в целом.
109
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 3(35)
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Инженерная экономика: учебник / В.В. Кочетов, А.А. Колобов, И.Н. Омельченко; под ред. А.А. Колобова, А. И. Орлова. – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2005. – 668 с.
2. ГОСТ Р ИСО 9001-2008. Системы менеджмента качества. Требования. – М.: Стандартинформ, 2010. – 68
с.
3. Ефимова, Г.В. Методика повышения результативности системы менеджмента качества / Г.В. Ефимова,
Я.В. Агеенко // Материалы Международной научно-практической конференции «Проблемы инновационного биосферно-совместимого социально-экономического развития в строительном, жилищнокоммунальном и дорожном комплексах», ( г. Брянск, 8-9 окт.2009 г.). – С. 331-336.
4. Лапидус, В.А. Всеобщее качество (TQM) в российских компаниях / В.А. Лапидус. – М.: Новости, 2000. –
432 с.
5. Борбацъ, Н. М. Оценка удовлетворенности заинтересованных сторон в системе менеджмента качества
промышленного предприятия: дис. … канд. техн. наук / Н.М. Борбацъ. – Брянск, 2007. – 245 с.
6. Брянский машиностроительный завод. — http://www.ukbmz.ru.
Материал поступил в редколлегию 5.06.12.
110
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 3(35)
УДК 330.4
Е. А. Сапкина
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ КРИЗИСНЫХ СИТУАЦИЙ
В СЛОЖНОЙ САМООРГАНИЗУЮЩЕЙСЯ СОЦИАЛЬНОЙ СИСТЕМЕ
Рассмотрена многоуровневая модель кризисных ситуаций в сложных социальных системах, функционирование которых зависит от качественных факторов.
Ключевые слова: конфликт, кризис, нечеткая логика, уравнение Колмогорова.
Одним из важнейших направлений современной прикладной математики является
создание адекватных математических моделей для сложных самоорганизующихся социальных систем. Основной сложностью при решении этой проблемы является большое
число факторов, влияющих на функционирование системы. Во многих социальных системах (встречающихся, например, в дизайне) ряду факторов можно дать лишь качественную
характеристику, что существенно затрудняет использование для описания таких систем
традиционных математических моделей.
На сегодняшний день общепризнано, что универсальную математическую модель,
адекватно описывающую функционирование сложной системы, построить нельзя. Вместо
одной модели строят ряд взаимосвязанных моделей, которые отражают работу сложной
системы на разных уровнях [1].
В представленной работе предлагается математическая модель, описывающая мезодинамику конфликта между двумя элементами сложной самоорганизующейся системы. В
качестве системы выбран сельскохозяйственный рынок Смоленской области. На сегодняшний день сельскохозяйственный рынок находится в кризисной стадии становления и
не может самостоятельно функционировать без поддержки федерального и областного
центров. В такой ситуации важно определить параметры эффективности функционирования предприятия с учетом интересов спонсоров. Одним из таких параметров является
продовольственная безопасность, которую на региональном уровне следует понимать как
возможность обеспечить население в нужном объёме качественными необходимыми продовольственными товарами по доступным для данного региона ценам силами местных
предприятий. Продовольственная безопасность в отличие от финансовых результатов является качественным фактором, для работы с которым необходимо выработать специальную методику.
Цель рассматриваемой модели – выработать устойчивые взаимовыгодные отношения между элементами системы, сведя к минимуму субъективные факторы.
Конфликт принято рассматривать как неотъемлемую часть сложной самоорганизующейся системы (рис. 1). Согласно подходу, предложенному в работе [1], управление
динамикой развития рынка сводится к управлению конфликтами.
Выделяют три уровня конфликта: макроуровень, мезоуровень, микроуровень (рис. 2).
Рис. 2. Уровни описания
конфликта
Рис. 1. Связь между конфликтом
и эволюцией системы
111
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 3(35)
На макроуровне конфликт рассматривается в укрупненном состоянии. Различают
следующие основные классы конфликтных ситуаций: противодействие (S -- ), содействие
(S ++ ), эксплуатация (S +0 ), нейтралитет (S 00 ). Помимо этого, в связи с тем что конфликт неразрывно связан с функционированием системы, вводят некоторое конечное состояние,
которое называется гибелью системы (S 0 ).
На мезоуровне рассматривается переход конфликта из одного макросостояния в другое.
На микродинамическом уровне рассматривается конфликт внутри макросостояния,
которое считается стационарным.
К настоящему времени наиболее широко представлены и успешно используются математические модели, описывающие макродинамику и микродинамику конфликтов [1,
с.92; 2, с. 65]. Разработка математических моделей мезодинамики конфликтов, означающих кризис системы, является актуальной научной задачей.
Основные этапы кризиса показаны на рис. 3.
S--
S--
S++
S++
Kn
K1
K2
KK
S+0
S+0
S00
S00
SO
Рис. 3. Общая схема развития кризиса: К n – начало кризиса; К 1 – управляемая
стадия кризиса; К 2 – неуправляемая стадия кризиса; К к – катастрофа
Рассмотрим модель, по которой можно выделить фактор, отвечающий за кризис.
Пусть функционирование каждого элемента характеризуется некоторым вектором Z
(эффективность), содержащим как количественные, так и качественные координаты (критерии). Целью управления конфликтом будем считать максимизацию функции Z при
имеющихся ограничениях.
Поскольку полагается, что эффективность функционирования предприятия зависит
не только от количественных, но и от качественных факторов, для определения результата
конфликта можно использовать методику, основанную на следующих принципах [2]:
1) критерии рассматриваются как нечеткие множества, которые заданы на универсальных множествах вариантов с помощью функций принадлежности;
2) функции принадлежности нечётких множеств определяются на основе экспертной
информации о парных сравнениях вариантов с помощью 9-балльной шкалы Саати;
3) варианты ранжируются на основе пересечения нечетких множеств критериев;
4) для приведения к чёткости используется центроидный метод, весовые коэффициенты определяются экспертами.
Пользуясь принципами 1 – 4, можно получить численную оценку изменения эффективности предприятий в результате конфликта.
При определении взаимоотношений предприятий учитываются следующие правила:
112
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 3(35)
1) если увеличение эффективности любого из предприятий влечет за собой увеличение эффективности другого, то между предприятиями отношения содействия (S ++ );
2) если увеличение эффективности только одного предприятия влечет за собой увеличение эффективности другого, то между предприятиями отношения эксплуатации
(S +0 );
3) если изменение эффективности одного предприятия не влияет на эффективность
функционирования другого предприятия, то между предприятиями отношения нейтралитета (S 00 );
4) если увеличение эффективности работы одного предприятия влечет снижение эффективности работы другого, то между предприятиями отношения противодействия (S -- ).
В результате можно сформировать матрицу
λ = λ(ijt )
(i, j = 1, …, 5),
где λ ij ( t ) – интенсивность перехода из одного макросостояния в другое.
Как показывает практика, за кризис системы отвечает один, гораздо реже два фактора (факторы порядка). Для выявления кризисного параметра воспользуемся системой
дифференциальных уравнений Колмогорова:
n
∂pi ( t ) N
= ∑ λ ij ( t )p j ( t ) − pi ( t )∑ λ ij ( t )
∂t
j= t
j=1
(i, j = 1, …, n).
(1)
Соответствующий график для системы (1) представлен на рис. 4.
Решение системы уравнений (1) позволит определить, находится ли система в устойчивом состоянии (все
моды отрицательные) или в кризисном (есть положительные моды), а также выявить параметры, ответственные за
кризис.
Основные достоинства такой модели:
1) модель позволяет работать с трудноформализуемыми факторами;
Рис. 4. График переходов между
2) модель учитывает то, что кризис может произойти
макросостояниями конфликта
в произвольное время (в отличие от модели, предложенной
в работе [3]);
3) модель учитывает гетерофазность макродинамического состояния рынка, что позволяет заранее определить вид кризиса и подобрать соответствующий механизм управления [4].
Предложенная модель была использована для оптимизации работы перерабатывающего предприятия «ООО «Аграрная смоленская компания».
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Аржакова, Н. В. Управление динамикой рынка: системный подход / Н. В. Аржакова, В. И. Новосельцев,
С. А. Редкозубов. – Воронеж: ВГУ, 2004. – 187 с.
2. Юденков, А. В. Математическое программирование в экономике / А. В. Юденков, М. И. Дли, В. М.
Круглов. – М.: Финансы и статистика, 2010. – 285 с.
3. Аржаков, М. В. Управление конфликтами / М. В. Аржаков, Н. В. Аржакова, В. И. Новосельцев; под ред.
В. И. Новосельцева. – Воронеж: Кварта, 2005. – 180 с.
4. Сапкина, Е. А. Описание кризисных явлений сложных социальных систем с помощью информации Шеннона / Е. А. Сапкина // Информатика, математическое моделирование, экономика: сб. ст. Междунар. науч.практ. конф. – Смоленск: Изд-во АНО ВПО ЦС РФ «Российский университет кооперации», 2011. – С. 115 117.
113
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 3(35)
Материал поступил в редколлегию 2.07.2012.
114
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 3(35)
ЭКОНОМИКА И МЕНЕДЖМЕНТ
УДК 336.645
Н. М. Горбов, Д.В. Ерохин, А.Н. Горностаева, А.А. Шаховская
РАЗРАБОТКА И ОБОСНОВАНИЕ МЕТОДИКИ РАСЧЕТА ГОТОВНОСТИ
ПЕРСОНАЛА К ИННОВАЦИЯМ НА ПРОМЫШЛЕННОМ ПРЕДПРИЯТИИ
Предложена методика расчета инновационной готовности персонала промышленного предприятия на основе теории инновационных шумов. Разработана балльная система оценки характеристик, влияющих на итоговый показатель. Обоснована необходимость измерения данного показателя с целью его последующей
коррекции в преддверии запуска инновационного процесса.
Ключевые слова: промышленное предприятие, инновационный шум, инновационный процесс, мотивация,
персонал, экспертная оценка.
Зачастую результат инновационной деятельности серьезно отличается от ранее поставленных целей, либо инновационный процесс встречает настолько серьезные препятствия на своем пути, что его приходится сворачивать. Причин тому множество: неготовность персонала к инновационной деятельности, неграмотное построение хода инновационного процесса, а порой и неверно выбранная и необоснованная инновация. С такими
проблемами сталкиваются многие современные российские предприятия. Особенно это
характерно для нашей промышленности, которая после длительного периода стагнации и
нищенствования получила денежные вливания в виде инвестиций и готова к внедрению
жизненно необходимых инноваций. Учитывая современные управленческие тенденции,
особое внимание уделим роли персонала в инновационном процессе. Очевидно, что человек есть главное его звено, без которого осуществление инноваций становится невозможным. Возникает вопрос: каким образом можно измерить готовность персонала к инновациям, чтобы заранее подстраховать ход инновационного процесса, устранить возможные
инновационные шумы[1]?
Рассмотрим функциональную зависимость
Y = F ( x1 , x 2 ...x n ) ,
где n – количество показателей.
В данном случае эта зависимость выглядит следующим образом:
∑ x1i + ix2 − ∑ x3i = Y ,
где - готовность персонала к инновациям;
численность персонала.
Рассмотрим каждый из составляющих показателей в отдельности. Каждый из показателей является комплексным и включает в себя ряд более мелких показателей.
инновационный потенциал каждого сотрудника промышленного предприятия,
комплексная характеристика, учитывающая квалификацию сотрудника, стаж работы на
предприятии и в конкретной должности, навыки работы с ПК, возраст, склонность к инновационной деятельности[2].
x1 = K 2ср а 2 + К 3ср а3 + ( К1ср а1 + К 4ср а 4 + К 5ср а5 ) К 6ср а6 ,
где
…
- поправочные коэффициенты, определяющие значимость каждой из характеристик ряда а; j-количество экспертов.
114
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 3(35)
предлагаем рассчитывать по формуле средней арифметической для более точного определения значения ранга каждой из характеристик а.
n
∑ Zj
z11 + z12 + ... + z j1 j = 3
K jср =
=
j
j
…
необходимо определять с помощью экспертных оценок, причем желательно привлечь экспертов как теоретиков, так и практиков.
В табл. 1 представлена методика расчета значимости каждого из факторов ряда а.
Таблица 1
Расчет значимости факторов ряда а
№ эксперта
Значимость факторов К
…
1
…
…
…
…
…
…
j
…
квалификация сотрудника. Квалификация имеет существенное значение с точки
зрения расчета инновационного потенциала сотрудника, так как данная характеристика
тесно связана с профессиональным кругозором, навыками и способностью принимать активное участие во внедрении инноваций. Характеристика оценивается по балльной шкале,
описанной ниже:
• среднее образование – 1 балл;
• высшее образование – 2 балла;
• 2 и более высших образования – 3 балла;
• ученая степень – 4 балла.
стаж работы на предприятии. Данная характеристика имеет особое значение с
точки зрения приобщения сотрудника к целям, поставленным руководством предприятия,
понимания необходимости инновационной деятельности, стремления внести свой вклад в
общее дело. Характеристика оценивается по балльной шкале, описанной ниже:
• менее 5 лет – 1 балл;
• от 5 до 10 лет – 2 балла;
• более 10 лет – 3 балла.
возраст сотрудника. Разделим сотрудников по возрасту на три основные группы: до 25 лет, от 25 до 50 лет, свыше 50 лет. Сотрудники, отнесенные к первой группе,
молоды и инициативны, однако недостаточно опытны и могут совершать ошибки, а потому их деятельность зачастую требует контроля. Вторая группа в балльной шкале получит
наибольшее количество баллов, так как таким сотрудникам присуще стремление к росту и
развитию и они уже накопили опыт профессиональной деятельности. Балльная оценка для
третьей группы снижена в связи с меньшей заинтересованностью таких сотрудников в инновационной деятельности, их приверженностью к привычным, опробованным методам
работы. Характеристика оценивается по балльной шкале, описанной ниже:
• менее 25 лет – 1 балл;
• от 25 до 50 лет – 2 балла;
• свыше 50 лет – 1 балл.
навыки работы с ПК. Данная характеристика необходима в связи с тем, что
многие инновации сегодня требуют знания ПК и умения работать с электронными источниками информации. Характеристика оценивается по балльной шкале, описанной ниже:
• не уверен при работе – 0 баллов;
115
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 3(35)
• уверенный пользователь основных программ – 1 балл;
• знаком с дополнительными возможностями ПК – 2 балла.
должность. Необходимость оценки данной характеристики обусловлена ее значимостью в ходе инновационного процесса. Руководители подразделений должны в первую очередь быть мотивированы на внедрение инноваций. Только в этом случае возможна
цепная мотивация от руководителя к подчиненным. Характеристика оценивается по
балльной шкале, описанной ниже:
• рядовой сотрудник – 1 балл;
• менеджер низшего звена – 2 балла;
• менеджер среднего звена – 3 балла;
• менеджер высшего звена – 4 балла.
склонность к инновационной деятельности. Данный показатель рассчитывается
на основе анкетирования, собеседования или экспертной оценки руководителя подразделения. Характеристика
влияет на все а-характеристики за исключением
и , поэтому при расчете показателя она выносится за скобки.
n
∑ а6ср
j =3
а6ср =
.
j
Рассчитывается как средняя арифметическая балльных экспертных оценок по следующей шкале:
• низкая – 0 баллов;
• средняя – 1 балл;
• высокая – 2 балла.
Следующий показатель рассчитывается для организации в целом, а потому в дальнейшем домножается на общую численность персонала.
инновационная среда на предприятии, комплексный показатель, учитывающий
все виды моральной и материальной мотивации, авторитет руководителя, наличие обучающих программ, систему мониторинга и контроля, степень вовлечения сотрудника в
достижение поставленных целей и задач.
x2 = L2ср b2 ( L1ср b1 + L5ср b5 ) + L3ср b3 + L4ср b4 ,
где
…
- поправочные коэффициенты, определяющие значимость каждой из характеристик b; j-количество экспертов.
…
необходимо определять с помощью экспертных оценок, причем желательно привлечь экспертов как теоретиков, так и практиков.
В табл. 2 представлена методика расчета значимости каждого из факторов ряда b.
Таблица 2
Расчет значимости факторов ряда b
№ эксперта
Значимость факторов L
1
…
j
…
…
116
…
…
…
…
…
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 3(35)
n
∑ pj
p11 + p12 + ... + p j1 j = 3
L jср =
=
.
j
j
предлагаем рассчитывать по формуле средней арифметической для более точного определения значения ранга каждой из характеристик b.
Для расчета данного показателя воспользуемся пятью характеристиками группы b.
уровень мотивации сотрудников. Предлагаем оценивать мотивацию сотрудников с двух позиций: наличия мер моральной и материальной мотивации. Характеристика
оценивается по балльной шкале, описанной ниже:
• наличие моральной мотивации – 1 балл;
• наличие материальной мотивации – 1 балл;
• наличие обоих видов мотивации – 2 балла.
-авторитет руководителя. Данная характеристика является качественной и влияет
.
на смежные характеристики
Данный показатель рассчитывается на основании анкетирования или собеседования.
n
∑ b2 j
j =3
b2ср =
.
j
Рассчитывается как средняя арифметическая балльных оценок сотрудников предприятия. Характеристика оценивается по балльной шкале, описанной ниже:
• низкий – 0 баллов;
• средний – 1 балл;
• высокий – 2 балла.
наличие обучающих программ. Подразумеваются обучающие программы, связанные с будущей инновационной деятельностью. Характеристика оценивается по балльной шкале, описанной ниже:
• нет – 0 баллов;
• есть, но малоэффективные – 1 балл;
• высокоэффективные освоенные обучающие программы – 2 балла.
наличие системы мониторинга и контроля. Такие системы позволяют своевременно устранить возможные дефекты в ходе инновационного процесса и направить его в
нужное русло. Характеристика оценивается по балльной шкале, описанной ниже:
• нет – 0 баллов;
• есть конечный контроль, но нет мониторинга в течение всего проекта – 1 балл;
• есть как и система мониторинга, так и система контроля – 2 балла.
степень вовлечения сотрудников в достижение целей и задач предприятия. Подразумевается количественная характеристика, основанная на наличии КСО, корпоративной культуры, отлаженной системы донесения информации. Характеристика оценивается
по балльной шкале, описанной ниже:
• наличие на предприятии корпоративной культуры – 1 балл;
• наличие корпоративной социальной ответственности – 1 балл;
• отлаженная система донесения информации – 1 балл.
Последний показатель также рассчитывается индивидуально для каждого сотрудника.
117
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 3(35)
сила воздействия инновационных шумов, включающих межличностные конфликты, отсутствие мотивации, недостаточную квалификацию или вовлеченность сотрудника в достижение поставленных целей и задач, личные проблемы. Показатель вычитается из суммы показателей и , так как является негативным.
Очевидно, что данные характеристики напрямую связаны с характеристиками, формирующими показатели и , поскольку являются их негативным отражением. Однако
их нельзя не учесть при расчете итогового показателя . Например, наличие мотивации
есть положительная характеристика для расчета . Отсутствие же мотивации не может
быть приравнено к 0 баллов, так как это не нейтральная характеристика, а отрицательная,
которая повредит ходу инновационного процесса и будет являться инновационным шумом.
x3 = (С1ср с1 + С 2ср с2 + С 4ср с4 )С3ср с3С5ср с5 ,
где
…
- поправочные коэффициенты, определяющие значимость каждой из характеристик ряда c .
…
необходимо определять с помощью экспертных оценок, причем желательно привлечь экспертов как теоретиков, так и практиков.
j-количество экспертов.
В табл. 3 представлена методика расчета значимости каждого из факторов ряда с.
Таблица 3
Расчет значимости факторов ряда c
№ эксперта
Значимость факторов G
1
…
j
…
…
…
…
…
…
…
n
∑ qj
q11 + q12 + ... + q j1 j = 3
.
G jср =
=
j
j
предлагаем рассчитывать по формуле средней арифметической для более точного определения значения ранга каждой из характеристик c.
межличностные конфликты. Одна из самых интересных характеристик группы
с. Межличностные конфликты несут в себе разногласия в трудовом коллективе, однако
без них невозможен прогресс. Это тот случай, когда в споре рождается истина, поэтому
авторами предложена следующая балльная шкала:
• не замечено – 1 балл (отсутствие конфликтов также отрицательно для организации (стагнация));
• есть неразрешенные – 1 балл;
• были, успешно разрешенные – 1балл, так как это положительная характеристика.
отсутствие мотивации персонала. Отсутствие моральной либо материальной мотивации в дальнейшем приводит к угасанию интереса сотрудников к профессиональной и
тем более инновационной деятельности. Предлагается следующая балльная шкала:
• отсутствие моральной мотивации – 1 балл;
• отсутствие материальной мотивации – 1 балл;
• отсутствие мотивации вообще – 2 балла.
118
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 3(35)
недостаточная квалификация кадров. Качественная характеристика, которую
предлагается оценивать как среднюю арифметическую балльных оценок экспертов.
n
∑ с3 j
j =3
с3ср =
.
j
Характеристика оценивается по балльной шкале, описанной ниже:
• квалификация достаточна – 0 баллов;
• квалификация недостаточна – 1 балл.
недостаточная вовлеченность сотрудников в достижение целей и задач. Данная
характеристика напрямую связана с потоками информации на предприятии. Очевидно,
что инновационные шумы, мешающие своевременной передаче информации, затормозят
естественный ход инновационного процесса. Характеристика оценивается по балльной
шкале, описанной ниже:
• отсутствие внутрикорпоративного PR – 1 балл;
• отсутствие отлаженной системы движения информации – 1 балл.
наличие у персонала проблем личного характера, мешающих сосредоточиться
на работе. является качественной характеристикой, оказывающей влияние на все остальные характеристики ряда с. Предлагается рассчитывать ее как среднюю балльную
оценку со стороны руководителя и подчиненного.
n
∑ с5 j
j =3
с5ср =
.
j
Характеристика оценивается по балльной шкале, описанной ниже:
• по мнению сотрудника – 1 балл;
• по мнению руководителя – 1 балл.
Описанная методика позволяет рассчитать – готовность персонала предприятия к
осуществлению инновационной деятельности. Однако полученная в итоге величина, выраженная в баллах, недостаточна для проведения анализа и принятия мер по увеличению
инновационного потенциала сотрудников. Отсюда появляется необходимость расчета относительной характеристики
– степени готовности персонала к инновациям, которая
будет показывать, насколько полно используется инновационный потенциал. Для этого
можно рассчитать величину - максимальную готовность персонала к инновациям для
максимально, а значение
миниданного предприятия, когда значение
мально. Рассчитывается также в баллах.
Рассмотрим соотношение
Y .
Y II =
В данном случае
Таким образом,
YI
– степень готовности персонала к инновациям (от 0 до 100%).
ИРY II = Ц ,
где ИР – результат инновационной деятельности; Ц – цель внедрения инноваций.
Инновационная готовность персонала – один из главных факторов, влияющих на
инновационный результат, который может совпадать или не совпадать с целью инновационной деятельности, описанной в схеме инновационного процесса [3]. Такие характерные
черты современных промышленных предприятий России, как низкая материальная моти119
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 3(35)
вация персонала среднего звена, обветшалая корпоративная культура, принудительное
назначение руководителей при смене собственника, перегруженность подразделений в
связи с сокращением кадров с целью снижения себестоимости и поступления дополнительных заказов, порождают необходимость применения социоподхода к процессу внедрения инноваций. Повысив инновационную готовность персонала, руководство промышленного предприятия избежит ситуаций, когда результат инновационной деятельности значительно разнится с первоначальными планами.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Горбов, Н.М. Инновационные шумы – препятствия внедрению инноваций / Н.М. Горбов, А.А. Шаховская// Экономика: проблемы и пути решения, Логос.-2011.-С.159-161.
2. Гапоненко, А.Л. Управление знаниями/ А.Л. Гапоненко. - М.: ИПК Госслужбы, 2001.-52с.
3. Горбов, Н.М. Универсальная схема инновационного процесса / Н.М. Горбов, А.А. Шаховская// Вестн.
БГУ.-2011.- №3.-С.146-149.
Материал поступил в редколлегию 19.04.12.
120
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 3(35)
УДК 658.562
В.В. Мирошников, Н.М. Борбаць, Т.П. Дементьева
КОМПЛЕКСНЫЙ МЕТОД МНОГОУРОВНЕВОГО FMEA-АНАЛИЗА
В СИСТЕМЕ МЕНЕДЖМЕНТА КАЧЕСТВА ОРГАНИЗАЦИИ
Предложены методика и алгоритм комплексного FMEA-анализа в системе менеджмента качества(СМК)
организации, который в настоящее время приобретает все большую актуальность.
Ключевые слова: многоуровневый FMEA-анализ, команда, система менеджмента качества, СМК, значимость.
FMEA (Failure Mode and Effects Analysis) – анализ видов и последствий отказов.
FMEA – это методология проведения анализа и выявления наиболее критических шагов с
целью управления качеством продукции. Это не единственное определение FMEA. Согласно стандарту MIL-STD-1629 «Procedures for Performing a Failure Mode, Effectsand
Criticality Analysis», FMEA – это процедура, с помощью которой проводится анализ всех
возможных ошибок системы и определение результатов или эффектов с целью классификации всех ошибок относительно их критичности для работы системы [1].
На сегодняшний день большую актуальность приобретает внедрение комплексной
FMEA-методологии [2, 3]. Главная особенность методологии просматривается уже на начальном этапе выполнения FMEA при разделении объекта анализа на составляющие элементы. Данная процедура является очень важной и проводится с целью устранения излишней сложности объекта анализа и выявления причинно-следственной связи возможных отказов с входящими элементами. Вторая особенность заключается в соподчинённости и последовательности выполнения различных видов FMEA. Все виды FMEA связаны
и зависят один от другого.
Третья особенность заключается в способе определения полного списка потенциальных отказов (дефектов). При FMEA конструкции в этот список включаются возможные
отказы изделия в эксплуатации. При FMEA процесса список увеличивается – кроме возможных отказов изделия в него включают возможные отказы технологических операций.
При FMEA оборудования список возможных отказов (дефектов) ещё больше увеличивается. В него включают возможные отказы изделия в эксплуатации, возможные отказы
технологических систем, операций и функциональных элементов анализируемого оборудования (оснастки).
На рисунке представлена концептуальная схема предлагаемого авторами комплексного метода многоуровневого FMEA-анализа. Как видно из рисунка, многоуровневый FMEA-анализ
включает в себя:
1. FMEA-анализ на уровне организации.
2. FMEA-анализ на уровне системы менеджмента качества (СМК).
3. FMEA-анализ на уровне подсистем СМК.
4. FMEA-анализ на уровне процесса менеджмента качества.
5. FMEA-анализ на уровне конструкции продукции (изделие, сборочная единица,
деталь).
6. FMEA-анализ на уровне технологического процесса производства продукции.
FMEA-анализ на уровне организации проводится с целью определения потенциальных дефектов функционирования организации и разработки рекомендаций по изменению
управления организацией. Для применения методики FMEA-анализа на уровне организации в целом разработаны критерии для балльной оценки значимости S потенциальных
дефектов (табл. 1). В состав команды, проводящей анализ, должны входить: заместитель
генерального директора, главный инженер, начальник отдела продаж, начальник коммерческого отдела и начальник производственно-технического отдела. Работа FMEA121
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 3(35)
команды направлена в первую очередь на анализ видов, причин и последствий потенциальных дефектов работы предприятия. Примерами подобных дефектов могут быть: низкая
конкурентоспособность выпускаемой продукции; финансовая неустойчивость предприятия; неэффективность маркетинговой деятельности; низкая рентабельность продаж; снижение имиджа (марочного капитала) предприятия; низкая эффективность менеджмента.
Уровень анализа
Уровень
организации
Уровень
СМК
Уровень подсистемы
СМК
DFMEA
PFMEA
DFMEA
организации
Возможные дефекты
организации
Рекомендации по
изменению
управления
организацией
Возможные
несоответствия
СМК требованиям
DFMEA
СМК
Рекомендации по
улучшению СМК
DFMEA
подсистемы СМК
Уровень процесса
СМК
DFMEA
процесса СМК
Уровень изделия
DFMEA
изделия
Уровень сборочной
единицы (СБ)
DFMEA
СБ
Уровень детали
DFMEA
детали
Возможные
несоответствия
процессов СМК
требованиям
Рекомендации по
улучшению
менеджмента
качества
Возможные
несоответствия
процесса требованиям
Рекомендации по
улучшению процесса
Возможные
дефекты изделия
Рекомендации по
изменению изделия
Возможные
дефекты СБ
Рекомендации по
изменению СБ
Возможные
дефекты детали
Рекомендации по
изменению детали
PFMEA
менеджмента
организации
PFMEA
процессов
создания СМК
PFMEA
группы процессов
подсистемы
(раздела) СМК
PFMEA
процесса
менеджмента
качества
PFMEA
технологического
процесса общей
сборки
PFMEA
технологического
процесса сборки
СБ
PFMEA
технологического
процесса обработки
детали
Рис. Схема комплексного метода многоуровневого FMEA-анализа
122
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 3(35)
Таблица 1
Шкала баллов значимости S для FMEA-анализа на уровне организации
Последствие
Критерий значимости последствия
Опасное с внезапным проявлением
Опасное
Очень высокий ранг значимости, когда вид потенциального дефекта ведет к ликвидации предприятия
Весьма высокий ранг значимости, когда вид потенциального дефекта ухудшает экономическую эффективность работы предприятия и потенциально может являться причиной его банкротства
Высокий ранг значимости потенциального дефекта, который оказывает существенное влияние на несколько экономических показателей эффективности предприятия. Невозможно выполнение
основных видов деятельности предприятия, ключевых условий
договора
Средний ранг значимости, когда эффективность работы предприятия снижается ввиду ухудшения одного или нескольких показателей эффективности. Работа предприятия выполнима, но есть
необходимость изменения/дополнения условий договора. Потребитель неудовлетворен
Умеренный ранг значимости, когда эффективность работы предприятия снижается ввиду ухудшения его экономических показателей.
При этом услуга предоставляется, но потребитель несёт дополнительные издержки
Слабый ранг значимости, когда при наступлении последствий потенциального дефекта возможно значительное снижение результативности предприятия
Очень слабый ранг значимости, когда вид потенциального дефекта
снижает результативность работы предприятия и уровень обслуживания невысок
Параметры работы предприятия не соответствуют ожиданиям потребителя. При наступлении последствий потенциального дефекта возможно незначительное снижение результативности предприятия
Параметры работы предприятия в отдельных аспектах не соответствуют ожиданиям потребителя
Практически нет последствий
Очень важное
Важное
Умеренное
Слабое
Очень слабое
Малозначительное
Незначительное
Очень
незначительное
Балл
S
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
Система менеджмента качества – это система, обеспечивающая эффективную работу
предприятия в области управления качеством выпускаемой продукции. Обязательными
при создании СМК считаются требования, зафиксированные в международных стандартах
ISO серии 9000. Для применения методики FMEA-анализа для СМК организации предлагаются критерии балльной оценки значимости дефектов, приведенные в табл. 2.
В состав команды по проведению FMEA-анализа для СМК в общем случае входят:
заместитель генерального директора, главный инженер, начальник производственнотехнического отдела, начальник службы качества, главный аудитор. Работа FMEAкоманды направлена в первую очередь на анализ видов, причин и последствий потенциальных дефектов, связанных с созданием и функционированием СМК организации. Примеры подобных дефектов:
− недооценка затрат на разработку и внедрение СМК;
− неправильный выбор консалтинговой организации и консультанта;
− руководство и персонал организации не воспринимают и не реализуют рекомендации консультанта (или реализуют, но с большим опозданием);
123
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 3(35)
− неправильное планирование работ по созданию СМК;
− непонимание высшим руководством организации своей роли и своих обязанностей при построении СМК;
− разработка документации СМК службой качества без участия других подразделений и руководства;
− организация формально подходит к реализации проекта.
Таблица 2
Шкала баллов значимости S для FMEA-анализа на уровне СМК организации
Последствие
Критерий значимости последствия
Опасное с внезапным проявлением
Очень высокий ранг значимости, когда вид потенциального дефекта
требует полного пересмотра функционирования СМК и разработки
системы заново
Весьма высокий ранг значимости. Деятельность в рамках СМК ведется не постоянно, от случая к случаю, а сама система не решает
поставленных задач по обеспечению качества
Высокий ранг значимости потенциального дефекта. СМК функционирует со срывом и не позволяет обеспечивать выполнение поставленных задач
Средний ранг значимости. Деятельность в СМК ведется частично, в
зависимости от ситуации
Умеренный ранг значимости. Деятельность в СМК ведется постоянно и систематически. СМК обеспечивает выполнение нормативных требований к качеству, но её отдельные элементы требуют значительной доработки. Необходимо акцентировать внимание на оптимизации бизнес-процесса и улучшении его качества на каждом
этапе
Слабый ранг значимости. Деятельность в СМК ведется постоянно и
систематически. СМК обеспечивает выполнение нормативных требований к качеству, но отдельные элементы требуют незначительной доработки
Очень слабый ранг значимости. Деятельность в СМК ведется результативно и эффективно, постоянно совершенствуется качество
менеджмента по большинству направлений, однако необходимо
улучшать отдельные проблемные области
Деятельность в СМК ведется результативно и эффективно, но необходимо поддерживать динамику улучшений
Деятельность в СМК ведется эффективно. Достигнуты максимальные
результаты практически по всем направлениям деятельности
Деятельность в СМК ведется максимально эффективно. Достигнуты практически максимальные результаты по всем направлениям
деятельности в СМК
Опасное
Очень важное
Важное
Умеренное
Слабое
Очень слабое
Малозначительное
Незначительное
Очень незначительное
Балл
S
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
Применение FMEA-анализа на уровне подсистем СМК проиллюстрируем на примере конструкторско-технологической подготовки производства (КТПП). Конструкторскотехнологическая подготовка производства – это процесс, охватывающий практически весь
цикл проектирования изделия – от определения облика до запуска в производство. От того, насколько эффективно организована КТПП, напрямую зависят конкурентоспособность
и качество продукции и в конечном итоге экономическое состояние предприятия. Основная нагрузка в период КТПП возложена как на проектные, конструкторские и технологические подразделения, так и на расчетные, метрологические, материаловедческие, экспериментальные и другие службы. В этот период определяются все параметры изделия, ко124
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 3(35)
торые необходимы для его производства. При этом формируется один из главных экономических критериев – себестоимость.
Для проведения FMEA-анализа на уровне подсистемы СМК предложены специальные
критерии для балльной оценки значимости потенциальных дефектов (табл. 3). Команда для
проведения анализа на данном уровне включает в себя: главного инженера, начальника производственно-технического отдела, представителя службы качества, главного конструктора,
технолога. Работа FMEA-команды направлена в первую очередь на анализ видов, причин и
последствий потенциальных дефектов, связанных с конструкторско-технологической подготовкой производства. Примерами подобных дефектов могут быть:
− отсутствие средств защиты при проведении технологических процессов;
− отсутствие требований по безопасности в документации;
− ошибки в конструкторской документации;
− ошибки в технологической документации;
− несоответствие документации требованиям стандартов ЕСКД и ЕСТП;
− применение устаревших материалов;
− несвоевременная корректировка конструкторской и технологической документации;
− ошибки при определении норм расхода материала.
Таблица 3
Шкала баллов значимости S для FMEA-анализа подсистемы СМК
Последствие
Критерий значимости последствия
Опасное с внезапным проявлением
Очень высокий ранг значимости, когда вид потенциального дефекта
ухудшает безопасность работы и/или вызывает несоответствие обязательным требованиям безопасности и экологии без предупреждения
Очень высокий ранг значимости, когда вид потенциального дефекта
ухудшает безопасность работы и/или вызывает несоответствие обязательным требованиям безопасности и экологии с предупреждением
Высокий ранг значимости потенциального дефекта. Деятельность
происходит со срывом, не позволяет обеспечивать выполнение задач и приводит к неисправимому браку. Значительные убытки организации (материальные, временные, трудозатраты)
Средний ранг значимости. Деятельность ведется частично, приводит к появлению неисправимого брака
Умеренный ранг значимости. Деятельность ведется постоянно и систематически. Регулярно проводится экспертиза документации, но отдельные элементы требуют значительной доработки
Слабый ранг значимости. Деятельность ведется постоянно и систематически. Обеспечивается выполнение нормативных требований к
качеству, но отдельные элементы требуют доработки. Деятельность
приводит к появлению исправимого брака
Очень слабый ранг значимости. Деятельность ведется результативно и
эффективно, однако необходимо начать улучшение оставшихся проблемных областей. Деятельность приводит к появлению исправимого
брака с незначительными затратами на исправление
Деятельность ведется результативно и эффективно, однако необходимо поддерживать динамику улучшений
Очень малый ранг значимости, когда вид потенциального дефекта
требует незначительных затрат на исправление
Опасное
Очень важное
Важное
Умеренное
Слабое
Очень слабое
Незначительное
Очень незначительное
125
Балл S
10
9
8
7
6
5
4
3
2–1
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 3(35)
Применение FMEA-анализа на уровне процесса менеджмента качества рассмотрим
на примере процесса мониторинга и измерений. Измерения играют большую роль в производстве. Большинство современных технологических процессоввключают значительное
количество измерительных операций, удельный вес которых по мере автоматизации производства все более возрастает. Без точных измерений невозможно обеспечить высокое
качество изготовляемой продукции. Таким образом, точные измерения – неотъемлемая
часть процессов производства и контроля качества продукции.
Рекомендуемый состав команды для проведения анализа на данном уровне: заместитель генерального директора, технический директор, главный технолог, главный метролог, старший мастер модельно-инструментального цеха, инженер по инструменту технического отдела, инженер отдела главного энергетика, мастер отдела технического контроля. Работа FMEA-команды направлена на анализ видов, причин и последствий потенциальных дефектов процесса мониторинга и измерений. Примерами подобных дефектов являются:
− отсутствие планирования работ по метрологическому обеспечению;
− неправильный выбор средств измерений и контроля, обеспечивающих необходимую точность измерений;
− недостаточная оценка эффективности и достоверности измерительного и функционального контроля;
− недостаточные квалификация и опыт персонала;
− отсутствие оборудованных рабочих мест;
− отсутствие информации об условиях измерений;
− недостаточное метрологическое обеспечение;
− невыполнение графиков поверки.
FMEA-анализ конструкции может проводиться как для вновь разрабатываемой продукции, так и для существующей. Целью анализа является выявление потенциальных дефектов изделия, вызывающих наибольший риск потребителя, и внесение необходимых
изменений в конструкцию изделия, которые бы позволили снизить такой риск. Применение FMEA-анализа на уровне конструкции продукции рассмотрим на примере электрического соединителя СНП334, выпускаемого ОАО «Карачевский завод «Электродеталь» [2].
Отказы или дефекты электрических соединителей могут возникать в результате появления
в них различных конструктивных дефектов (явных и скрытых), обусловленных недостатками или нарушениями в технологии их изготовления. Отказы электрических соединителей по технологическим причинам сравнительно редки. Тем не менее уровень забракований при проведении цеховых, приемно-сдаточных испытаний и на входном контроле у
потребителя все еще остается высоким. С целью определения наиболее важных направлений в исследовании путей совершенствования электрических соединителей необходимо
обобщить и проанализировать информацию об их отказах, уточнить механизмы и причины их возникновения, оценить вклад наиболее значимых по своим последствиям дефектов
и отказов.
Анализу подвергалась информация по показателям производства и качества СНП334
с момента начала его серийного производства. Анализ отказов и дефектов электрических
соединителей показал, что существующая система контроля качества и испытаний изделий не исключает возможность поставки некондиционных соединителей потребителю.
Для выявления изделий со скрытыми дефектами, обнаружение которых невозможно, необходимо проводить отбраковочные испытания, так как испытания материала, проводимые на входном контроле, не позволяют полностью исключить появление данных дефектов у готовой продукции.
Проведение DFMEA-анализа (Design Failure Mode and Effects Analysis) на предприятии преследовало следующие цели:
126
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 3(35)
− повышение качества продукции на всех этапах конструкторской подготовки производства и исключение брака;
− сохранение и повышение конкурентоспособности изделия, а также конкурентоспособности и имиджа предприятия.
DFMEA-анализ проводила межфункциональная команда, в которую входили: конструктор, технолог, менеджер по продажам, представитель службы качества, испытатель,
представитель производства. Работа FMEA-команды была направлена в первую очередь
на анализ видов, причин и последствий потенциальных дефектов, связанных с конструкцией электрического соединителя, основными из которых являются: тепловое старение;
размягчение, плавление, сублимация; расширение; хрупкость; образование льда; увеличение вязкости и затвердевание; потеря механической прочности; физическое сжатие; набухание; коррозия и электролиз; усадка; увеличение абразивного износа между подвижными
частями и контактами; деформации; искрение, перегрев и нагрев; поверхностные разрушения; тепловые и механические повреждения; застревание; засорение; усталостные явления; электростатические эффекты; эрозия и др.
DFMEA-анализ показал, что основными причинами, вызывающими значительные
повреждения в конструкции электрического соединителя, являются некачественный материал и слабая защита от неблагоприятных условий среды. Членами комиссии были разработаны рекомендации по снижению влияния данных причин на конструкцию.
1. Некачественный материал.
• Покончить с закупкой дешевого сырья – выбирать только тех поставщиков, у которых имеется сертификат соответствия СМК по данному виду продукции, а также отдавать предпочтение надежным, хорошо зарекомендовавшим себя за время сотрудничества
поставщикам, а не сомнительным организациям.
• Ужесточить контроль за поставщиками и их выбором, в частности разработать
документированную процедуру по выбору поставщиков.
• Ужесточить систему входного контроля, отвечающую за качество поставляемых
материалов и запястных частей и определяющую параметры закупаемой продукции.
2. Защита от неблагоприятных условий среды.
• Для длительной сохранности изделия должны выпускаться заводом защищенными от воздействия неблагоприятной среды.
• Требования к сохранности, так же как к надежности, должны закладываться при
разработке изделий и выполнятся на всех этапах производства и эксплуатации.
• Кроме различных защитных покрытий и способов консервации завод должен предусмотреть такой вид индивидуальной и групповой упаковки выпускаемой продукции,
который обеспечит её сохранность при длительных транспортировках любым видом
транспорта (морским, воздушным и сухопутным).
• Большую роль играют склады и базы, предназначенные для хранения изделий. В
них должен постоянно поддерживаться предписанный режим и должны соблюдаться правила хранения, установленные соответствующими инструкциями. Оптимальными помещениями для длительного хранения аппаратуры и её элементов считаются герметичные
помещения с чистым воздухом при температуре
и относительной влажности
. Считается, что эти условия легко осуществимы в подземных помещениях на
глубине
.
FMEA-анализ процесса производства (PFMEA-анализ) начинается на стадии технической подготовки производства и заканчивается до начала монтажно-сборочных и прочих работ. Целью FMEA-анализа процесса производства является обеспечение выполнения всех требований по качеству процесса производства и сборки путем внесения изменений в план процесса для технологических процессов с повышенным риском. Применение
127
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 3(35)
FMEA-анализа на уровне технологического процесса производства продукции рассмотрим на примере технологических процессов производства электрического соединителя
СНП334 [3]. Конструкция электрического соединителя представляет собой комбинацию
штыря и изолятора, поэтому PFMEA-анализнеобходимо проводить для каждой составляющей в отдельности.
В связи с этим проведен PFMEA-анализ технологического процесса «Холодная высадка и доделка штыря направляющего». Метод холодной высадки нуждается в более детальном исследовании с точки зрения условий его применения. Прогнозирование всех
возможных недостатков позволит избежать нежелательных последствий и непредвиденных затрат в будущем. Целью данного анализа является идентификация дефектов процесса, оценка серьезности последствий для потребителя, а также предложение мер по улучшению процесса. Примерами дефектов могут быть:
− несочленяемость соединения;
− некачественное покрытие хвостовиков контакта;
− погнутость штырей.
Для проведения PFMEA-анализа технологического процесса изготовления и механической обработки штыря была изучена и проанализирована операционная карта типовой механической обработки, в результате чего были установлены следующие возможные
дефекты процесса механической обработки электрического соединителя СНП334: недостаточное усилие зажима тянущими роликами; нарушение процесса правления проволоки;
неточный подвод резца суппорта при обработке точением; несоблюдение центрирования;
шелушение. Возможные дефекты процесса изготовления изоляторов: сколы, трещины,
недопрессовка.
В результате проведенного PFMEA-анализа электрических соединителей максимальные значения приоритетного числа риска (ПЧР) были получены по следующим операциям:
− операция гальванопокрытия;
− штамповка;
− точение;
− правление;
− сверление;
− контроль.
С целью снижения значений ПЧР необходимо применить следующие меры:
• Разработка технологии пластичного никелевого покрытия;
• Применение никеля вместо серебра в качестве подслоя;
• Своевременная аттестация технологического оборудования;
• Внедрение статистических методов контроля на операции штамповки.
• Усовершенствование автоматического поддержания температурного режима завальцовки.
• Внедрение гальванического лужения хвостовиков оловосвинцовыми сплавами.
• Диагностический контроль, позволяющий выявить скрытие дефекты литья.
• Совершенствование конструкции штырей.
• Разработка технологических карт на изготовление деталей, входящих в комплект
холодной оснастки.
Однако в современных условиях конкуренции качество электрических соединителей
должно соответствовать мировым стандартам. Для этого необходимо рассмотреть следующие направления:
1. Разработка оригинальных конструктивных решений:
128
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 3(35)
1.1. Сравнительное упрощение конструкции контактов (контактных пар) и резкое
увеличение плотности расположения.
1.2. Поиск новых конструктивных решений, улучшающих качество соединения.
2. Выбор (разработка) более качественных материалов для изготовления соединителей. При совершенствовании электроизоляционных материалов ставятся следующие цели:
2.1. Повышение срока службы материала при неизменности его свойств.
2.2. Повышение его технических характеристик.
2.3. Улучшение технологических свойств электропроводящих материалов для контактных пар.
2.4. Разработка новых и совершенствование известных покрытий контактных пар.
3. Разработка новых технологических процессов изготовления соединителей:
3.1. Обеспечение стабильности технологических процессов.
3.2. Разработка технологических процессов, основанных на научных направлениях
(например, применение нанотехнологий для управления такими параметрами, как усилие
сочленения, сопротивление контактов).
4. Обеспечение степени воздействия внешних факторов непосредственно на соединитель:
4.1. Снижение массы и габаритов электронной аппаратуры и самих соединителей.
4.2. Снижение (вплоть до нулевых значений) степени передачи внешних воздействий непосредственно через соединитель.
4.3. Тщательная проработка конструкции аппаратуры с целью уменьшения количества элементов, комплектуемых соединителями.
Работа по повышению качества соединителей не исчерпывается изложенными тенденциями и направлениями. В постоянно меняющемся мире возникают новые технические решения старых проблем. Основной мировой тенденцией в области качества соединителей является постоянный рост основных качественных характеристик: долговечности,
срока службы, наработки на отказ.
Комплексный метод многоуровневого FMEA-анализа в системе менеджмента качества организации позволяет выявить потенциальные дефекты продукции и технологических процессов, а также СМК, её процессов и организации в целом. FMEA-анализ не рассматривает прямо экономические показатели, в том числе затраты на недостаточно высокое качество, а позволяет выявить именно те дефекты, которые обусловливают наибольший риск потребителя, определить их потенциальные причины, выработать корректирующие действия по их устранению еще до того, как эти дефекты проявятся, и, таким образом, предупредить затраты на их исправление.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Гольдштейн, Г.Я. Инновационный менеджмент: учеб. пособие / Г.Я. Гольдштейн. – Таганрог: ТРТУ,
1998. – 132 с.
2. Мирошников, В.В. Управление качеством конструкторско-технологической подготовки производства на
основе применения комплексной FMEA-методологии / В.В. Мирошников, А.А. Филипчук // Вестн.
БГТУ. – 2010. – №4. – С. 7 – 16.
3. Филипчук, А.А. Менеджмент качества технологической подготовки производства на основе применения
FMEA-методологии / А.А. Филипчук, Т.П. Дементьева, В.С. Ликсанова // Менеджмент качества продукции и услуг: материалы 3-й Междунар. науч.-техн. конф. (г. Брянск, 27 – 28 апр. 2010 г.): в 2т. / под ред.
О.А. Горленко. – Брянск: БГТУ, 2010.
4. Основы FMEA // SixSigmaonline. –URL: http://sixsigmaonline.ru/load/15-1-0-69.
5. Юнак, Г.Л. Опыт проведения различных видов FMEA и общее планирование FMEA автомобиля
/Г.Л. Юнак, В.Е. Годлевский, Г.В. Иванов// Ассоциация Деминга. – URL: http://www.deming.ru.
Материал поступил в редколлегию 3.07.12.
129
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 3(35)
УДК 658.5.012.7
И.В. Павловская
УПРАВЛЕНИЕ КАЧЕСТВОМ ПРОДУКЦИИ И ПРОЦЕССОВ
С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ РАНЖИРУЮЩИХ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ
Представлены результаты исследования, направленного на управление качеством продукции и процессов,
характеристики качества которых измеряются ранжированием. Предложена методическая база для
проведения оценки и использования ранжирующих измерительных систем (РИС), состоящая из модели
РИС, метода оценки и методики использования РИС.
Ключевые слова: нечисловые измерения, достоверность результатов измерений, неопределенность
измерений, оценка измерительных систем, ранжирующие измерительные системы
В управлении качеством прочно укоренилось функциональное представление термина «качество», выражающее тенденцию определять качество через количественные показатели [1]. Улучшение качества продукции и услуг возможно только путем повышения
стабильности и воспроизводимости производственных процессов, которое, в свою очередь, тесно связано с измерениями ключевых характеристик качества этих процессов. Результаты измерения характеристик качества дают почву для принятия обоснованных
управленческих решений о целесообразности реализации в процессе корректирующих
действий. Без измерений невозможно соблюдение не только принципа постоянного улучшения, декларируемого стандартами серии ИСО 9000, но и требований потребителя.
Однако результативность корректирующих действий находится в прямой зависимости от качества измеренных данных. В метрологии принято считать, что любые измерения
обладают некоторой степенью неопределенности. Если решения о целесообразности реализации корректирующих действий основываются на результатах измерений, обладающих высокой степенью неопределённости, то такие решения могут не привести к ожидаемому результату. Более того, такие решения могут привести к появлению признаков статистической нестабильности производственного процесса.
Из изложенного следует, что важной задачей в управлении качеством является повышение качества измеренных данных. Известно, что качество данных зависит от статистических характеристик измерительных систем [2]. Следовательно, при решении задач
управления качеством продукции необходимо проведение оценки измерительных систем
и учет влияния их статистических характеристик на принимаемые решения.
В настоящий момент существуют общепринятые методы для оценки измерительных
систем: метод размахов, средних и размахов, метод ANOVA, контрольные карты, регрессионный анализ и т.д. Их применение позволяет принимать обоснованные решения о приемлемости использования измерительной системы в производственном процессе, а также
способствует снижению неопределенности измерений и повышению качества измеренных
данных. При этом большинство существующих методов позволяют оценивать только такие измерительные системы, которые проводят количественные измерения.
Однако существует много областей деятельности, где приходится сталкиваться с
тем, что важные для потребителя характеристики качества продукции или производственного процесса не могут быть измерены в количественных шкалах. Такие характеристики
называются качественными или альтернативными и могут быть измерены визуально, органолептическим методом или методом экспертной оценки. Примерами качественных характеристик являются цвет, запах, вкус продукта, его удобство в применении и эстетическая привлекательность. Измерение таких характеристик актуально для многих отраслей
промышленности: парфюмерно-косметической, пищевой, текстильной и т.п. В литературе
130
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 3(35)
[3] приводятся примеры измерения качественных характеристик также в области медицины, банковской сфере и других сферах услуг.
Измерительные системы, используемые в таких случаях, называются ранжирующими. Ранжирующие измерительные системы (РИС) — это такие измерительные системы
(ИС), для которых результат измерения величины попадает в одну из категорий и число
таких категорий конечно [2]. Результаты измерений РИС могут быть определены в бинарной шкале (например, «годен - не годен») или в ранговой (например, с использованием 5-7
рангов: «очень хороший», «хороший», «удовлетворительный», «плохой», «очень плохой»).
Достоверность результатов ранжирующих измерений имеет не меньшую важность
при решении задач управления качеством в промышленности, чем достоверность результатов количественных измерений. Это объясняется тем, что многие важные потребительские характеристики продукции измеряются ранжированием [3-5]. В некоторых случаях
это могут быть даже основные функциональные характеристики продукта, такие как запах
духов и вкус чая. Соответственно, результаты измерений РИС используются для повышения качества продукции или процессов, характеристики качества которых измеряются
ранжированием. Таким образом, при решении задач повышения качества такой продукции
проведение оценки ранжирующих измерительных систем является объективной необходимостью.
Актуальность проведения оценки ранжирующих измерительных систем продиктована также ростом заинтересованности производственных компаний в показателях пригодности и воспроизводимости производственных процессов поставщиков сырья и компонентов. Эта заинтересованность распространяется на пригодность всех измерительных
систем, используемых для измерения характеристик качества процессов. Показателем
данной заинтересованности является внесение требований по оценке измерительных систем в ряд отраслевых стандартов на системы менеджмента качества (например, международный стандарт на системы менеджмента качества в автомобильной промышленности
ISO/TS 16949 и его российский аналог ГОСТ Р 51814.1-2009).
Подходы к оценке РИС должны существенно отличаться от подходов к оценке количественных измерительных систем вследствие специфики характеристик, измеряемых
РИС. Проведенный анализ литературных источников [2-7] показал, что существующие
подходы к оценке РИС не имеют универсального применения. Для анализа были взяты
такие подходы, как «Кривая пригодности калибра», «Измерение согласованности контролеров при помощи таблиц сопряженности», «Атрибутивный R&R анализ», «Модель латентного класса и метод максимального правдоподобия». Было выявлено, что данные
подходы не позволяют оценивать большинство статистических характеристик РИС (например, смещение и сходимость), а также неприменимы во многих случаях на практике.
Таким образом, результативность управленческих решений в отношении важных для потребителя характеристик продукции и процессов зависит от измерений, проверка достоверности которых затруднена отсутствием методической базы.
Выявленное противоречие было решено в ходе исследования путем разработки методической базы для оценки и использования РИС, в которую вошли модель РИС, метод
оценки и методика использования РИС.
При разработке модели РИС было сформулировано рабочее определение понятия
неопределенности измерения для РИС. Неопределенностью предложено считать вероятность совершения ошибки в классификации образца. Разработана математическая модель
ошибки измерений РИС, которая легла в основу метода оценки РИС. Также разработана
модель логической структуры РИС, которая позволяет определить компоненты РИС,
влияющие на каждый из существующих типов изменчивости. Данная связка позволила
разработать блок рекомендаций по улучшению РИС в методике использования РИС.
131
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 3(35)
В рамках модели рассмотрены допустимые математические преобразования при
оценке результатов измерений, представленных в порядковой шкале. Предложено использование метода равнокажущихся интервалов, позволяющее проводить для таких результатов измерений преобразования, допустимые для интервальной шкалы. Использование
шкалы равнокажущихся интервалов значительно расширяет количество математических
преобразований, возможных при разработке метода оценки РИС.
Далее в ходе исследования разработан метод оценки РИС, состоящий из совокупности инструментов оценки РИС и алгоритма выбора подходящего инструмента. Итоговая
совокупность инструментов оценки РИС включила в себя существующие инструменты,
которые перечислены выше, а также три новых инструмента, разработанные в рамках исследования. Хотя каждый из инструментов в совокупности и обладает собственными недостатками и ограничениями, итоговая совокупность является универсальной для проведения оценки РИС и может использоваться практически во всех производственных ситуациях. Универсальность итоговой совокупности для целей оценки РИС подтверждена результатами анализа данной совокупности на соответствие требованиям к методу оценки
РИС, а также результатами апробации, проведенной на фабрике по производству продуктов личной гигиены и продукции по уходу за домом ООО «Юнилевер Русь».
В рамках инструмента «Оценка РИС путем исследования зоны неопределенности»
впервые предложен способ оценки таких характеристик РИС, как смещение, сходимость и
воспроизводимость для ситуаций, в которых не возможно определение количественного
опорного значения для образцов. Оценка данных типов изменчивости позволяет разрабатывать результативные корректирующие меры, направленные на повышение пригодности
РИС. Данный результат был достигнут при помощи использования метода равнокажущихся интервалов и введения понятия допустимой зоны неопределенности для РИС
(ЗНдопуска). Такой зоной предложено считать диапазон значений характеристики качества, при котором ошибка результатов измерений РИС является допустимой с точки зрения
потребителя. Оценку РИС предлагается проводить путем сравнения ЗНдопуска и зоны неопределенности РИС (ЗНРИС), полученной экспериментальным путем. Под ЗНРИС предлагается понимать зону, связанную с изменчивостью измерительной системы, т.е. такой
диапазон значений характеристики качества, при котором РИС совершает ошибки измерений.
Предложенный инструмент имеет свои ограничения. Его использование не возможно в случаях, когда неприменим метод равнокажущихся интервалов. Для таких случаев
предлагается использовать метод атрибутивного R&R анализа. Но результативность использования данного инструмента предлагается повысить путем введения понятия зоны
допуска. Предлагается из расчета пригодности и вероятности ошибки РИС исключать те
ошибки, которые были допущены при оценке образцов, характеристика качества которых
находится в допустимой зоне неопределенности. Такой подход позволяет избежать излишних регулировок, приводящих к нестабильности процесса измерений.
Еще один инструмент, разработанный в рамках исследования, назван «Оценка стабильности РИС путем выявления маргинальных контролеров». Применение этого инструмента позволяет оценивать влияние таких источников изменчивости, которые действуют
только при работе РИС в производственном процессе и, следовательно, не могут быть
оценены при лабораторных испытаниях. Здесь имеется в виду изменчивость, которая может быть вызвана мотивацией контролеров, пренебрежением к надлежащему выполнению
измерительных процедур, эргономикой рабочего места, освещением, вентиляцией и т.д.
Влияние данных источников в совокупности можно причислить к факторам производственной среды.
В ходе исследования также был разработан практический алгоритм выбора подходящего инструмента для оценки РИС в зависимости от производственной ситуации,
132
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 3(35)
т.е. от полноты исходных данных для проведения эксперимента. На рис. 1 представлена
блок-схема алгоритма, (серым цветом отмечены инструменты, разработанные в рамках
исследования).
На рис. 1 для каждого инструмента отмечены статистические характеристики РИС,
которые позволяет выявлять данный инструмент, а также типы РИС, к которым он применим.
Для статистических
характеристик использованы следующие обозначения: Сх — сходимость,
Вп — воспроизводимость,
См — смещение, Ст —
стабильность, Пр — пригодность.
Типы РИС
представлены буквами К
и А, обозначающими
РИС, где в качестве измерительного прибора используются
органы
чувств контролеров, и автоматические РИС соответственно.
Можно
сделать
вывод о практической
значимости разработанного метода оценки РИС,
так как его использование
Рис. 1. Блок-схема алгоритма выбора инструмента оценки РИС
позволяет
проводить
оценку таких статистических характеристик РИС, как смещение, сходимость, воспроизводимость и стабильность, выявление численного значения которых способствует разработке результативных корректирующих действий, направленных на повышение достоверности результатов измерений. Наличие шести различных инструментов оценки РИС и алгоритма выбора подходящего инструмента позволяет применять метод оценки РИС в любых
производственных условиях.
В рамках исследования была также разработана методика использования РИС, содержащая меры по управлению РИС на каждом из этапов ее жизненного цикла. Таких
этапов выделено четыре: планирование запуска РИС в эксплуатацию, эксплуатация, оценка и повышение пригодности. Схематическое изображение методики приведено на рис. 2.
В методике использования РИС заложен превентивный подход к управлению ошибками измерения. Используя предложенные в методике рекомендации, можно идентифицировать риски возникновения ошибок измерения еще на этапе проектирования РИС и
численно оценить уровень их значимости. Это позволит разработать адекватные меры
управления, соответствующие уровню значимости риска, и, если это необходимо, даже
перепроектировать измерительную систему.
Для реализации в промышленности разработанного метода оценки РИС в рамках методики предлагается алгоритм проведения такой оценки, использование которого позволяет принимать решения о приемлемости РИС в производственном процессе. Также разработаны рекомендации по устранению причин изменчивости для тех случаев, когда
оценка РИС показывает ее низкую приемлемость для целей измерения.
133
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 3(35)
Руководство
по анализу
рисков
Plan
Планирование запуска
РИС в эксплуатацию
Do
Эксплуатация РИС
Check
Анализ РИС
Предварительный
анализ риска
возникновения
ошибок в процессе
измерений
Эксплуатация РИС
Анализ
пригодности и
изменчивости РИС
Модель РИС
Корректировка процесса
измерений: устранение
причин ошибок с
высоким риском
Совокупность
методов
анализа
Документирование
процесса
Модель РИС
Руководство
по устранению
причин
изменчивости
Поиск причин
изменчивости РИС
Act
Устранение причин
изменчивости
Устранение
причин
изменчивости
Стандартизация
результатов
Рис. 2. Методика использования РИС
и процессов которых измеряются ранжированием.
Таким образом, разработанная методика использования РИС, основанная на модели и методе оценки РИС, позволяет
повышать достоверность
результатов
измерений
РИС и результативность
корректирующих действий, основанных на таких
результатах. Данная комплексная методика в целом позволяет повышать
качество изготовляемой
продукции. Проведенная
апробация показала практическую применимость
данной методики для
предприятий, характеристики качества продукции
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Антология русского качества / под ред. Б. В. Бойцова, Ю. В. Крянева. — М.: Стандарты и качество, 2003.
2. Анализ измерительных систем. MSA: ссылочное руководство: [пер. с англ.]. - 3-е изд., испр.–
Н.Новгород: Приоритет, 2007.- С. 125.
3. Danila, O. Routing Assessment of a Binary Measurement System / O. Danila, S.H. Steiner, R.J. MacKay //
Journal Of Quality Technology. - 2008. – № 3.
4. Mawby, W.D. Make your destructive, dynamic, and attribute system work for you / W.D. Mawby. —
Milwaukee: American Society for Quality, 2006.
5. Van Wieringen, W. N. A Comparison of Methods for the Evaluation of Binary Measurement Systems / W.N. van
Wieringen, E.R. van der Heuvel // Journal of Quality Engineering. – 2005. - № 4.
6. Windsor, S.D. Attribute Gage R&R / S.D. Windsor // Six Sigma Forum Magazine.- 2003.
7. De Mast, H. Measurement System Analysis for Bounded Original Data / H. de Mast, W.N. van Wieringen //
Qual. Reliab. Engng. Int. - 2004.
Материал поступил в редколлегию 7.09.12.
134
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 3(35)
Abstracts
Kochevinov D. V., Fedyaeva G. A. Control system for electric movement bridge crane. The
way of limitation, and warp the transverse displacement of the bridge crane with a higher purpose-of-life wheels and crane rails. Shows the block diagram of the control system, a description
of the electromechanical model of the crane, as well as simulation results confirming the effectiveness of the developed system.
Key words: bridge crane, electric control system, correction of distortion and the transverse displacement, the block correction, proximity sensors, electromechanical model.
Lagerev A.V., Lagerev I.A., Korotkiy A.A., Panfilov A.V. Innovation transport system
«Bryansk rope metro». An innovation city transport system, based on rope railway, and rope
metro in Bryansk city are under consideration in this article.
Key words: rope metro, rope railway, rope transport.
Evdokimov E.G., Boldyrev D.A., Skantsev V.M., Chapkova J.V. Research of the electronic
structure of elements in liquid melt. Kinds of internuclear communications and electronic
configurations in molten metal. In article results of theoretical researches and calculations are
resulted at an establishment of a kind of internuclear communications in systems of iron, iron
and carbon («iron - graphite», «iron - cementite», «iron - diamond»), gland and an alloying element. It is shown that at sign change electronegativity the kind of internuclear communication in
system changes. It is established that at metal alloys there can be all three kinds of internuclear
communication - metal, ionic and covalent. Change of a kind of internuclear communications
between elements is a consequence of change of temperature and concentration factors.
Key words: iron, carbon, covalent communication, ionic communication, metal communication,
electronegativity, electronic level, internuclear interaction, electronic covers.
Andriyanov A.I., Glazun P.I. Matrix frequency converter with four-wire connection to the
load. The modified two-stage frequency matrix converter topology with artificial neutral was
developed. A layout of the power part, as well as the test results of the adopted technical solutions and control algorithms with using computer models in MatLab are presented. The basic
regularities change in the quality of consumed power of the converter from the load are obtained.
Key words: matrix converter, direct frequency converter, four-wire circuit of connection of the
load.
Ritenman V.I. Carrying out of tests of the modernized electric drive signal of type of SP6M on the reliability and maintainability. The order and conditions considered of carrying out
the type test on the reliability of the modernized electric drive signal of type of SP-6M. Objectives, tasks and structure of the document “Program and methods of reliability tests” for improvement quality of carrying out of tests are established. The comparative analysis of analytical
and empirical data is lead.
Key words: program and method of testing, the electric drive signal, SP-6M, resource testing,
mechanical testing, climatic tests, reliability, maintainability.
Efimova G.V., Korolkova T.V. Technique of the estimation of productivity and efficiency
of processes of measurement assurance in the system of quality management the enterprises. Creation of system of management of measurement assurance is offered. The methodical
maintenance is developed, allowing to estimate productivity and system effectiveness of management of measurement assurance. The mechanism of introduction of system of management of
measurement assurance is developed. Indicators for an estimation of productivity of processes
are offered.
Key words: system of management of measurement assurance, productivity of processes of
measurement assurance.
135
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 3(35)
Steposhina S.V. Developing an algorithm to automate the selection of surface plastic deformation mode surface of steel parts. Research work aimed at developing a program to automatically fill in technical documentation for the operation of surface plastic deformation (PPD)
and thus reduce the time for technological preparation of production.
Key words: Fine-hardening treatment of surface plastic deformation, optimization algorithm, the
method of penalty functions, the method of gradient descent.
Boldyrev A.P., Gapchin R.B. Perfection of mathematical models of elastomeric shock absorbers for tank wagons. Mathematical models of the elastomeric shock absorbers established
on cisterns are investigated. A methodology of calculation of dynamic processes in collisions of
railroad cars and transient modes of train motion is developed.
Key words: absorbing apparatus, liquid bulk train, power characteristics, recovery rate, method
of numerical integration.
Izmerov M.A., Tikhomirov V.P. Adequacy of model and real surface. The criterion is presented, allowing to estimate adequacy of a real surface and its model in the process of computer
modeling and shows an example of the calculation.Methods by means of which it is possible to
create on the COMPUTER of model of surfaces of details of cars are considered, is the fullest
reflecting blanket microgeometry.
Key words: fractal, fractal dimension of surface, modeling, surface engineering.
Lachin V.I., Plotnikov D.A. Experimental research of accuracy increasing method for
smart vibration sensors. This article presents and analyzes the results of investigations of piezoelectric accelerometers sensing element free oscillations parameters dependence on the current
value of its conversion coefficient. It is shown that the mentioned dependence can be used to improve the accuracy of smart vibration sensors by compensating the temperature effect on its conversion coefficient.
Key words: piezoelectric accelerometer, smart sensor, temperature error, experimental research.
Poroshin V.V., Anosova A.A., Bogomolov D.G. The model experiments of leakage calculations in seals considering its’ real surface topography. The results of the model experiments
of leakage calculations in seals considering its’ real surface topography are represented. The influence of surface`s microtopography on leakage is characterized by the flow factors. The results
of flow factors calculation for seals with different surface’s processing are represented.
Key words: seals, surface`s topography, mathematical model of flow.
Buglaev V.T., Perevezencev V.T., Shilin M.A. Experimental research hydraulic losses in
the channel with honeycomb structure. In the article describes the results of experimental research of hydrodynamic losses of a turbulent flow in the channel with a honeycomb structure.
The dependence of the loss coefficient of the operation mode and geometric parameters was
showed.
Key words: honeycomb structure, loss coefficient, turbulent flow, intensification of friction.
Lozbinev F.Y. Development of the telecommunication basis of the electronic government in
Bryansk region. The main stages of the building of corporative multi-service network of government on territory Bryansk region: the system project of the network of multi-service and its
initial points, network control and system of video-connection are broughted. Prospects of the
further development of the telecommunication infrastructure electronic government in region are
shown.
Key words: electronic government, state services, telecommunication network, radio-access,
radio-resource, video-connection.
Ryabtsev E.N. Methods for performance calculation of programmable logic controller for
automatic control systems of technological equipment. In this article were enunciated methods for performance calculation of PLC in case its employment in sequential control system. The
article includes calculation sequence of PLC characteristics in depends of motion pattern execut136
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 3(35)
ed by movable operating element of process environment. There are some notes for decreasing
requirements to devices integrated in automatic control system during its developing.
Key words: automatic control system, sequential control system, PLC, processor, processor
speed, coordinate control.
Miroshnikov V.V., Efimova G.V., Korolkova E.V. Mathematical model of improvement of
system of quality management of the organization. The complex model of improvement of
system of quality management of the organization is offered. The processes of the quality management influencing the basic components of developed model of the organization are revealed.
Indicators and formulas for calculation of productivity of the identified processes of quality
management are described. Dependence between productivity and a maturity of processes is defined.
Key words: quality management system, model, productivity, a maturity, process.
Sapkina E. A. Mathematical modeling of crisis situations in difficult to social system. The
multilevel model of crisis situations in the difficult social systems which functioning depends on
qualitative factors is considered.
Key words: conflict, crisis, indistinct logic, Kolmogorov's equation.
Gorbov N.M., Erokhin D.V., Gornostaeva A. N., Shakhovskaya A.A. Elaborating and giving proof of staff readiness to innovation in industry calculating methodology. The methodology of staff readiness to innovation in industry calculating dealing with a theory of innovation
noise is shown. The system of measuring characteristics that influence on the index of staff
readiness to innovation based on points is elaborated. The necessity of calculating this index in
order to improve it before starting the innovation process is proved.
Key words: industry, innovation noise, innovation process, motivation, staff, expert mark.
Miroshnikov V.V. , Borbact N.M. , Dementeva T.P. Complex method of multilevel fmeaanalysis in the system of quality management organization. At present, the FMEA is used in
engineering and other industries. FMEA – is an effective tool to improve quality for both developers and designers, and engineers involved with the organization of labor and production processes. The authors propose a technique and algorithm for integrated FMEA-analysis in the organization’s QMS, which is now becoming increasingly important.
Key words: multilevel FMEA-analysis, team, the quality management system, importance.
Pavlovskaya I. Attribute Measurement Systems for quality control of products and
processes. Results of the research that shown in article aimed to quality control of products and
processes which quality metrics has attribute or binary nature. During the research there was
developed model, evaluation method and methodology of using attribute measurement systems.
What matters here is that evaluation method allow to count such parameters of attribute
measurement system as bias, stability, repeatability and reproducibility.
Key words: measurement systems analysis , attribute measurement system, binary measurement
system.
137
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 3(35)
138
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 3(35)
СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРАХ
Андриянов Алексей Иванович, к.т.н., доцент кафедры «Электронные, радиоэлектронные и электротехнические системы» БГТУ, тел.: (4832) 56-36-02, e-mail: ahaos@mail.ru.
Аносова Анна Алексеевна, к.т.н., вед. инженер ФГБОУ ВПО «МГИУ», тел.: (495) 62039-68, e-mail: ann_lik@mail.ru.
Богомолов Дмитрий Юрьевич, к.т.н., доцент кафедры «Общая и прикладная математика» ФГБОУ ВПО «МГИУ», тел.: (495) 620-39-68, e-mail: bogom-ov@mail.ru.
Болдырев Алексей Петрович, д.т.н., профессор, зав. кафедрой «Динамика и прочность
машин» БГТУ, тел.: (4832) 56-08-10, e-mail: apb@tu-bryansk.ru.
Болдырев Денис Алексеевич, к.т.н., вед. инженер-исследователь ОАО «АвтоВАЗ»,
г.
Тольятти, тел.: (8482) 53-45-67, e-mail: da.boldyrev@vaz.ru.
Борбаць Николай Михайлович, к.т.н., доцент кафедры «Управление качеством, стандартизация и метрология» БГТУ, e-mail: borbact@mail.ru.
Буглаев Владимир Тихонович, д.т.н., профессор каф. «Тепловые двигатели» БГТУ, тел.:
8(4832) 51-84-80.
Гапчин Роман Богданович, аспирант кафедры «Динамика и прочность машин» БГТУ,
тел: 8-920-600-97-07, e-mail:gapchin-roman@yandex.ru.
Глазун Павел Иванович, аспирант кафедры «Электронные, радиоэлектронные и электротехнические системы» БГТУ, e-mail: duval_striker@mail.ru.
Горбов Николай Михайлович, д. э. н., профессор, зав. кафедрой «Управление» БГУ,
тел.: 64-34-82.
Горностаева Алла Николаевна, к.э.н., доцент кафедры «Экономика и менеджмент»
БГТУ, тел.: (4832) 56-88-52.
Дементьева Татьяна Петровна, аспирант кафедры «Управление качеством, стандартизация и метрология» БГТУ, e-mail: tany.dementeva@mail.ru.
Евдокимов Евгений Георгиевич, к.т.н., доцент кафедры «Сварка, литье и технология
конструкционных материалов» Тульского государственного университета, тел.: (4872) 3317-85.
Ерохин Дмитрий Викторович, к.э.н., профессор, зав. кафедрой «Экономика и менеджмент» БГТУ, тел.: (4832) 56-88-52.
Ефимова Галина Вячеславовна, к.т.н., доцент кафедры «Управление качеством, стандартизация и метрология» БГТУ, е-mail: g70@yandex.ru.
Измеров Михаил Александрович, к.т.н., доцент кафедры «Детали машин» БГТУ, тел.:
(4832) 58-82-12.
Королькова Елена Валерьевна, аспирант кафедры «Управление качеством, стандартизация и метрология» БГТУ, е-mail: 1joys@mail.ru.
Королькова Тамара Валерьевна, аспирант кафедры «Управление качеством, стандартизация и метрология» БГТУ, е-mail: 2joys@mail.ru.
Короткий Анатолий Аркадьевич, д.т.н., профессор, генеральный директор ИКЦ
«Мысль», заведующий кафедрой «Транспортные системы и логистика» Донского государственного технического университета, е-mail: korot@novoch.ru.
Кочевинов Дмитрий Викторович, аспирант кафедры «Электронные, радиоэлектронные
и
электротехнические
системы»
БГТУ,
тел.:
8-920-838-10-21,
e-mail:
dima32rus@yandex.ru.
Лагерев Александр Валерьевич, д.т.н., профессор, зав. кафедрой «Подъемнотранспортные машины и оборудование», ректор БГТУ, тел.: (4832) 56-09-05,
е-mail:
rector@tu-bryansk.ru.
Лагерев Игорь Александрович, к.т.н., доцент кафедры «Динамика и прочность машин»
БГТУ, е-mail: mnto@tu-bryansk.ru.
138
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 3(35)
Лачин Вячеслав Иванович, д.т.н., профессор, зав. кафедрой «Автоматика и телемеханика» ЮжРГТУ, г. Новочеркасск, e-mail: lachinv@mail.ru.
Лозбинев Фёдор Юрьевич, д.т.н., профессор кафедры «Компьютерные технологии и
системы» БГТУ, начальник Управления информационных технологий администрации
Брянской области, тел.: (4832) 66-14-95, е-mail: flozbinev@yandex.ru.
Мирошников Вячеслав Васильевич, д.т.н., профессор кафедры «Управление качеством,
стандартизация и метрология» БГТУ, тел.: (4832) 58-82-35, e- mail: g70@yandex.ru.
Павловская Ирина Владимировна, аспирант кафедры «Менеджмент и системы качества» Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета «ЛЭТИ»
им. В.И. Ульянова (Ленина), e-mail: efess.ss@gmail.com.
Панфилов Алексей Викторович, аспирант Южного федерального университета, ассистент кафедры «Транспортные системы и логистика» Донского государственного технического университета, е-mail: a.panfilov@bk.ru.
Перевезенцев Виктор Тимофеевич, к.т.н., доцент каф. «Тепловые двигатели» БГТУ,
тел.: 8(4832) 51-84-80.
Плотников Дмитрий Александрович, к.т.н., доцент кафедры «Автоматика и телемеханика» ЮжРГТУ, г. Новочеркасск, e-mail: dpl@novoch.ru.
Порошин Валерий Владимирович, д.т.н., профессор кафедры «Технология и металлорежущие системы автомобилестроения» ФГБОУ ВПО «МГИУ», тел.: (495) 620-39-68, email: vporoshin@mail.ru.
Ритенман Владислав Ильич, аспирант кафедры «Управление качеством, стандартизация
и метрология» БГТУ, тел.: 8-920-601-37-35, e-mail: vlad.ritenman@mail.ru.
Рябцев Евгений Николаевич, аспирант кафедры «Автоматизированные технологические
системы» БГТУ, тел.: 8-(4832)-58-82-85, e-mail: ryabtsev.evgeny@yandex.ru.
Сапкина Екатерина Александровна, аспирант кафедры «Информационные технологии
и высшая математика» ФГБОУ ВПО «Смоленская государственная сельскохозяйственная
академия», е-mail: kasa86@mail.ru.
Сканцев Виталий Михайлович, к.т.н., доцент кафедры «Автомобильный транспорт»,
начальник Управления научных исследований и научно-технической информации БГТУ,
тел.: (4832) 58-82-65, е-mail: skantsev@mail.ru.
Степошина Светлана Викторовна, программист кафедры «Автоматизированные технологические системы» БГТУ, e-mail: sve-steposhina@yandex.ru.
Тихомиров Виктор Петрович, д.т.н., профессор, зав. кафедрой «Детали машин» БГТУ,
тел.: (4832) 58-82-12.
Федяева Галина Анатольевна, д.т.н., доцент кафедры «Электронные, радиоэлектронные
и электротехнические системы», тел.: 8-910-237-00-36, e-mail: galina-fed@yandex.ru.
Чапкова Юлия Викторовна, аспирант кафедры «Сварка, литье и технология конструкционных
материалов»
Тульского
государственного
университета,
e-mail:
chapkova@yandex.ru .
Шаховская Анна Александровна, аспирант кафедры «Экономика и менеджмент»
БГТУ, e-mail: dinik55@yandex.ru.
Шилин Максим Андреевич, аспирант каф. «Тепловые двигатели» БГТУ, тел.: 8 (953)
297-43-85.
139
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Владимиру Тихоновичу Буглаеву – 80 лет
В.Т. Буглаев родился 18 июля 1932 г. в г.
Брянске. В 1956 г. закончил с отличием Брянский институт транспортного машиностроения
(БИТМ) по специальности «Турбиностроение» и
начал работать инженером-исследователем в
лаборатории паровых турбин Ленинградского
металлического завода. С 1957 г. по переводу
продолжил работу в БИТМе (ныне Брянский государственный технический университет), последовательно занимая должности инженера,
начальника научно-исследовательского сектора,
доцента, заведующего кафедрой. Ученая степень кандидата технических наук присуждена в
1963 г., доктора технических наук – в 1979 г.,
звание профессора – в 1977 г. В 1971 г. В.Т.
Буглаев был назначен проректором института по
научной работе, в 1979 г. – ректором; по совместительству он возглавлял кафедры «Промтеплоэнергетика» и «Турбиностроение». В декабре
2002 г. был избран на должность президента
университета, в настоящее время работает в
должности профессора кафедры «Тепловые двигатели».
В.Т. Буглаев проявил себя инициативным организатором высшего профессионального образования. Под его руководством Брянский институт транспортного машиностроения превратился в многопрофильный технический университет, осуществляющий в
настоящее время подготовку бакалавров, магистров и специалистов высшего профессионального образования.
Под руководством проф. В.Т. Буглаева разработана и внедрена в вузе концепция непрерывного инженерного образования в интегрированном образовательном учреждении. За
разработку и реализацию концепции непрерывного инженерного образования В.Т. Буглаев
отмечен дипломом Всероссийского конкурса «Лидер образования 2001».
Основные научные интересы:
1. Паровые и газовые турбины (совершенствование аэродинамических характеристик проточных частей турбин, их отдельных ступеней, в том числе путем оптимизации
конструкций как радиальных, так и осевых уплотнений, а также входных и выходных патрубков).
2. Теплообменные аппараты энергетических установок (исследование протекания
физических процессов в них с целью улучшения теплогидродинамических характеристик,
разработка методов их расчета и модернизации, снижения массогабаритных показателей
для современных конденсаторов, регенераторов, пароводяных подогревателей, маслоохладителей и др.).
3. Разработка методических основ к проблемам непрерывного образования, связанным с обучающимися в высшей школе студентами.
За 55-летний период научно-педагогической деятельности проф. В.Т. Буглаевым
опубликовано свыше 500 работ, в том числе ряд монографий и межвузовских сборников
трудов под его научной редакцией, проведено большое количество выступлений с доклада140
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ми на международных научно-технических конференциях европейских государств. Его основные публикации вышли в свет в отраслевых журналах: «Теплоэнергетика», «Энергетика», «Ядерная энергетика», «Энергомашиностроение», «Машиностроение», «Тяжелое машиностроение», «Справочник. Инженерный журнал», «Высшее образование в России» и др.
Он является автором 90 изобретений и патентов, направленных на улучшение экономичности работы и совершенствование конструкций парогазотурбинных установок и
их теплообменных аппаратов. Часть изобретений внедрена в промышленность с реальным
экономическим эффектом.
Под научным руководством проф. В.Т. Буглаева вузом выполнено свыше 60 научных разработок для промышленных предприятий и НИИ отраслей энергомашиностроения, атомной энергетики и Газпрома РФ, результаты которых были использованы в практике.
Большое внимание, будучи ректором, В.Т. Буглаев уделял развитию международных
связей вуза. В 2001 году по его инициативе создана Международная ассоциация славянских вузов, объединяющая свыше 20 университетов России, Украины, Беларуси, Молдовы, Югославии, Чехии.
В течение многих лет (1986-2002 гг.) проф. В.Т. Буглаев возглавлял Совет ректоров
вузов Брянской области, деятельность которого направлена на развитие системы высшего
профессионального образования, внедрение современных форм и методов в образовательный процесс, расширение научных связей вузов с предприятиями и организациями
региона, популяризацию и пропаганду научно-методических и экономических знаний.
За заслуги в области образования В.Т. Буглаев в 2002г. удостоен отраслевой награды
Минобразования РФ – медали им. К.Д. Ушинского.
С 1980 по 1991 г. проф. В.Т. Буглаев возглавлял областную организацию общества
«Знание» в качестве председателя правления и за достигнутые успехи в деле пропаганды
научно-технических и экономических знаний был награжден памятным знаком им. акад.
С.И.Вавилова «За активное участие в международном научно-просветительском движении».
В.Т. Буглаев является крупным ученым в области тепло- и массообмена, повышения
экономичности, долговечности и надежности работы энергетических паро- и газотурбинных установок, компрессоров, нагнетателей, мощных судовых двигателей, различных по
назначению теплообменных аппаратов. Как выдающемуся ученому РФ, В.Т. Буглаеву в
период 1997-1999 гг. присуждалась стипендия Президента РФ. Он является признанным
ученым в области исследований физики процессов тепломассопереноса в аппаратах теплоэнергетических установок.
Большую организаторскую работу В.Т. Буглаев осуществлял в качестве председателя или члена оргкомитетов различных международных научных конференций, проводимых на базе университета (только за 1999-2002 гг. состоялось 11 международных форумов), в которых принимали участие представители вузов и организаций Брянской и соседствующих областей России, Украины, Белоруссии.
В.Т. Буглаевым создана научная школа: под его руководством свыше 25 аспирантов
и соискателей защитили кандидатские диссертации.
Несомненны заслуги В.Т. Буглаева в деле расширения и совершенствования материальной базы и строительства новых корпусов университета, что способствовало становлению и развитию новых специальностей, повышению качественного уровня преподавания
и культурного и образовательного уровня студентов.
За заслуги в подготовке инженерных и научно-педагогических кадров, вклад в развитие науки В.Т. Буглаев награжден орденами Трудового Красного Знамени (1981г.), Почета (2001г.), рядом медалей; ему присвоены почетные звания «Заслуженный деятель науки и техники РФ» (1987г.), «Почетный работник газовой промышленности РФ» (1995г.),
141
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
«Почетный работник высшего профессионального образования РФ» (2001г.). Проф. В.Т.
Буглаев удостоен званий почетного гражданина г. Брянска (1985г.) и Брянской области
(2005г.), избран академиком ряда отраслевых международных академий. В ноябре 2006 г.
В.Т. Буглаев награжден Российской академией естественных наук орденом «За пользу
Отечеству» им. В.Н. Татищева.
Преподаватели и сотрудники кафедры «Тепловые двигатели» желают Владимиру
Тихоновичу крепкого здоровья и творческого долголетия.
Коллектив кафедры «Тепловые двигатели»
142
Документ
Категория
ГОСТ Р
Просмотров
440
Размер файла
6 495 Кб
Теги
университета, государственного, брянского, 294, 2012, техническое, вестник
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа