close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

331.Вестник Брянского государственного технического университета №1 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
№ 1 (33) 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 – 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
Горленко А.О., Тополянский П.А., Тополянский
А.П., Сканцев В.М., Шупиков И.Л., Ерохин А.Н.
Повышение износостойкости цилиндрических поверхностей трения путем нанесения упрочняющего
нанопокрытия………………………………………….
Тихомиров В.П. Оценка остаточного ресурса элементов грузоподъемных машин по величине износа................
Давыдов С.В., Сканцев В.М. Структурные изменения трибоповерхностей в конвейерах с подвесной
лентой……………………………………......................
Васильев А.С., Кеглин Б.Г., Болдырев А.П.,
Шлюшенков А.П. Разработка и исследование
фрикционного амортизатора удара с упругим распорным узлом………………………………………….
Коршунов В.Я., Гончаров П.Н., Прокофьев А.Н.,
Горленко О.А. Прогнозирование параметров качества поверхностного слоя деталей сельскохозяйственных машин в процессе механической обработки......................................................................................
Реутов А. А., Эманов С. Л. Расчёт механизма уплотнения грузозахватного устройства для пакетов
силикатного кирпича………………………………….
Лозбинев В.П., Лозбинев Ф.Ю. Актуальные направления исследований в области проектирования
вагонов………………………………………………….
Левый Д.В., Тотай А.В., Тихомиров В.П. Формирование качества поверхности при лезвийной обработке хрупких материалов…………………………….
4
10
15
25
32
36
41
49
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 1(33)
Коробко А.В., Прокуров М.Ю. Использование коэффициента формы для определения несущей способности прямоугольных пластинок из упругопластического материала……………………………………………………………………………………...
Лагерев И.А. Моделирование факторов нагруженности крана-манипулятора машины для сварки трубопроводов…………………………………………………………
Сакало В.И., Новиков С.П. Определение потерь на трение качения роликов подвесок по направляющим конвейера с подвесной лентой………………………………
Обозов А.А., Старокожев М.А. Исследование параметров двухблочного четырехкамерного роторно-поршневого двигателя в широком диапазоне его нагрузочных и
скоростных режимов………………………………………………………………………
Фёдоров В. П., Нагоркин М. Н., Пыриков И. Л., Ивахненко А.Г., Федяева Г.А.,
Потапов Л.А. Автоматизация диагностики технологических систем по параметрам
качества поверхностей обрабатываемых деталей……………………………………….
Кобищанов В.В., Антипин Д.Я. Оценка безопасности прохождения пассажирскими железнодорожными составами стрелочных переводов………………
Макаренко К.В., Тотай А.В.,. Поддубный А.Н., Зенцова Е.А. Композиционное
структурирование высокопрочного чугуна………………………………………..
Хандожко А.В., Тотай А.В., Аверченков В.И. Профилирование дискового инструмента для обработки винтовых канавок с использованием элемента САПР для
моделирования процесса формообразования……………………………………………
Вычислительная техника
и информационные технологии
Федяева Г.А., Матюшков С.Ю., Роговцев Г.В., Кочевинов Д.В. Система автоматизированного управления тяговым электроприводом с асинхронными двигателями………………………………………………………………………………………...
Ешин С.В. Алгоритм выявления причинно-следственных связей на основе эмпирических данных…………………………………………………………………………….
Аверченков В.И., Спасенников В.В., Филиппов Р.А. Исследование точности позиционирования объектов при оптической микроскопии с управлением через Интернет………………………………………………………………………………………
Толстых С.Г., Толстых С.С. Объектно-ориентированное представление систем и
событийно-управляемая модель технологического потока……………………………
Мирошников В.В., Строителев В.Н., Борбаць Н.М. Применение метода главных
компонент для обработки многомерных статистических данных…………………….
Экономика и менеджмент
54
62
71
77
85
95
99
104
108
115
125
131
139
Камаев В.А., Аль-Катабери А.С., Щербаков М.В. Разработка методики прогнозирования социально-экономических параметров муниципальных образований…..
146
Трифанков Я.Ю., Трифанков Ю.Т. Проблема изучения истории казачества
Брянщины и сопредельных территорий………………………………………………….
152
Abstracts…………………………………………………………………………………...
158
Сведения об авторах……………………………………………………………………..
162
Общественные науки
2
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 1(33)
CONTENTS
Mechanical engineering and transport
Gorlenko A.O., Topolyansky P.A., Topolyansky A.P., Skantsev V.M., Shupikov I.L.,
Erokhin A.N. Increasing the wear resistance of friction cylindrical surface by applying
reinforsing nanocoating……………………………………………………………………..
Tikhomirov V.P. Evaluation of residual resources elements of hoisting machines largest
wear…………………………………………………………………………………………
Davydov S.V., Skantsev V.M. Structural changes surface friction the conveyors with the
overhead tape………………………………………………………………………………..
Vasilev A.S., Keglin B.G., Boldyrev A.P., Shlushenkov A.P. Creation and research of
frictional absorbing device with elastic spacer unit…………………………………………
Korshunov V.Ja., Goncharov A.M., Prokofev A.N., Gorlenko O.A. Projections
of underlaying parts of agricultural machinery during machining………………………….
Reutov A. A. Emanov S. L. Calculation a compressing mechanism of clamp of packages of the silicate brick…………………………………………………………………….
Lozbinev V.P., Lozbinev F.Y. Actual lines of researches in the field of construction design of cars…………………………………………………………………………………..
Levyj D.V., Totai A.V., Tihomir ov V.P. Formation of quality of the surface of the blade
processing brittle materials………………………………………………………………….
Korobko A.V., Prokurov M.Yu. Application of configuration factor to define loadcarrying ability of rectangular plates from elastoplastic material…………………………..
Lagerev I.A. Simulation of a crane-manipulator of mobile energy unit metal construction
loading parameters………………………………………………………………………….
Sakalo V.I., Novikov S.P. Determination of rolling loss on friction of suspension rolles
rolling along ways of conveyor with suspended belt……………………………………….
Obozov A.A., Starokogev M.A. Research investigation of twin four-chamber rotor piston engine performance over broad range of its load and speed modes.
Fyodorov V. P., Nagorkin M. N., Pyrykov I. L., Ivahnenko I.L., Fedyaeva G.A.,
Potapov L.A. Automation of diagnostics of technological systems on parameters of
quality
of
surfaces
of
processed
details…………………………………………………………….
Kobishanov V.V., Antipin D.Y. Safety assessment of a passing passenger railway trains
switches……………………………………………………………………………………..
Makarenko K.V., Totay A.V., Poddubnyy A.N., Zentsova E.A. The composite structuring of ductile iron………………………………………………………………………...
Chandoshko A. V., Totai A.V., Averchenkov V.I. Software module for modelling process screw grooves disk tools……………………………………………………………
Сomputer engineering and information technology
Fedyaeva G. A., Matyushkov S. Yu., Rogovtsev G. V., Kochevinon D. V. Automatic
control system for electric traction induction motor drive………………………………….
Eshin S.V. An Algorithm for discovering causal relationships from empirical data………
Averchenkov V.I., Spasennikov V.V., Filippov R.A. Research of accuracy of positioning of objects at optical microscopy with management through the internet……………….
Tolsykh S.G., Tolsykh S.S. Object-oriented representation systems and eventdriven model of technological flow…………………………………………………………
Miroshnikov V.V., Stroitelev V.N., Borbatc N.M. Application of the method of principal components for processing of the multidimensional statistical data………………...
Economics, production organization and management
Kamaev V.A., Al-Qataber A.S., Shcherbakov M.V. Development of methods of forecasting socio-economic parameters municipalities…………………………………………
Public sciences
Trifankov Yu.T, Trifankov Ya.Yu. The problem of the study of history and cossacks
Bryansk accompanied hull territories……………………………………………………….
3
4
10
15
25
32
36
41
49
54
62
71
77
85
95
99
104
108
115
125
131
139
146
152
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 1(33)
Abstracts …………………………………………………………………………………...
4
158
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 1(33)
МАШИНОСТРОЕНИЕ И ТРАНСПОРТ
УДК 621.001.4
А.О. Горленко, П.А. Тополянский, А.П. Тополянский, В.М. Сканцев, И.Л. Шупиков,
А.Н. Ерохин
ПОВЫШЕНИЕ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ
ТРЕНИЯ ПУТЕМ НАНЕСЕНИЯ УПРОЧНЯЮЩЕГО НАНОПОКРЫТИЯ
Описаны сущность и основные характеристики метода модификации поверхностей изнашиваемых деталей
путем осаждения нанопокрытия с использованием технологии финишного плазменного упрочнения (ФПУ).
Рассмотрен выбор материала наносимого покрытия при ФПУ системы Si-O-C-N. Приведены режимы нанесения покрытия по параметрам наноиндентирования. Даны результаты исследования триботехнических характеристик нанопокрытия, которые обусловливают повышение эксплуатационной стойкости упрочненных
изделий.
Ключевые слова: модификация поверхностей, финишное плазменное упрочнение, износостойкость, нанопокрытие, наноиндентирование, триботехнические испытания.
Одним из новых методов модификации поверхности, обеспечивающим нанесение
износостойких тонкопленочных покрытий, является процесс финишного плазменного упрочнения (ФПУ), основанный на применении плазменной струи, истекающей при атмосферном давлении. Эффективность данного процесса основана на использовании малогабаритного и экономичного оборудования, обеспечивающего возможность нанесения упрочняющих нанопокрытий.
За рубежом в качестве основных технологий нанесения износостойких нанопокрытий используются процессы химического (chemical vapor deposition - CVD) и физического
(physical vapor deposition - PVD) осаждения покрытий из газовой фазы. В этих технологиях применяется крупногабаритное дорогостоящее вакуумное оборудование и специальные
камеры. Использование данных процессов нецелесообразно или невозможно для упрочнения деталей, изготовленных из материалов с низкой температурой отпуска (порядка
160-200°С), обладающих повышенной газопроницаемостью, имеющих минимальные габаритные размеры, а также сварных, паяных и длинномерных деталей.
Процесс финишного плазменного упрочнения предназначен для модификации поверхности путем осаждения износостойких нанопокрытий с применением плазмотрона
постоянного тока, дополненного малогабаритным реактором (англоязычное название процесса – Atmospheric Pressure DC Plasma Jet Reactor, APDCPJR). Метод ФПУ не требует вакуума и осуществляется при обычных атмосферных условиях, что предопределяет его малые энергозатраты (рис. 1).
В качестве плазмообразующего газа применяется аргон, который обеспечивает повышенную
долговечность и надежность элементов плазмотрона при длительном ведении процесса. В качестве
материалов для образования покрытия используются пары́ летучих жидких реагентов, подача которых в реактор осуществляется специальным дозатором. Источником питания плазмотрона служит
инвертор постоянного тока со специальной вольтамперной характеристикой. Для стабильного охлаждения реактора и плазмотрона используется охлаРис. 1. Общая схема оборудования ФПУ
дитель, изготовленный на базе холодильного агре4
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 1(33)
гата. Система мониторинга процесса обеспечивает управление и контроль за параметрами
режима, а также определение толщины наносимого покрытия в процессе его осаждения.
Покрытие в безвакуумной технологии ФПУ при типичных скоростях перемещения
плазменной струи 10 – 100 мм/с наносится слоями толщиной 3 – 30 нм. В отличие от конденсации покрытий в вакууме, осуществляемой при PVD- и CVD-процессах, при данном
методе покрытие формируется в локальной зоне касания плазменной струей подложки и
только в условиях многослойного нанесения покрытия, что является важной отличительной особенностью технологии ФПУ. Циклическое взаимное перемещение плазменной
струи и упрочняемой поверхности при ФПУ определяет получение слоистой структуры
покрытия и позволяет до минимума уменьшить термическое воздействие плазмы на подложку, полностью исключая разупрочняющий отпуск для всех сталей. Интегральная температура упрочняемых деталей при нанесении покрытия, как правило, не превышает
150°С. Формируется упрочняющее покрытие в виде прозрачной пленки, которая на полированной поверхности имеет вид интерференционной картины с радужными оттенками от
фиолетово-голубого до зелено-красного (в зависимости от толщины покрытия).
Материал покрытия, наносимого методом ФПУ, выбирается на основе знания механизмов износа различных изделий, а также анализа имеющегося опыта применения различных соединений в качестве покрытий.
Известны процессы с использованием кремнийорганических соединений, которые
обеспечивают формирование абсолютно новых покрытий, принадлежащих к тройным и
четверным системам (Si-O-C, Si-C-N, Si-О-C-N). Они обладают высокими значениями
твердости, термической стабильностью, химической инертностью и стойкостью к окислению при высоких температурах. Физико-химические свойства таких соединений (механическая прочность, химическая стойкость, твердость, теплопроводность, коэффициент термического расширения, электрическое сопротивление, коэффициент трения), обусловленные наличием химических связей между всеми атомами, могут иметь уникальные характеристики. Варьируя их фазовый и химический состав, можно в широком диапазоне изменять их физико-механические и химические свойства, что открывает широкие возможности для создания материалов с заданными характеристиками.
С учетом результатов многолетних исследований свойств различных покрытий на
основе кремния и их производственных испытаний были разработаны специальные составы кремнийорганических жидкостей, которые используются в процессе ФПУ.
По европейским стандартам физико-механические свойства поверхностного слоя с
металлическими и неметаллическими покрытиями определяются методом наноиндентирования по ISO 14577-4:2007. Для повышения стойкости к упругой деформации разрушения и уменьшения пластической деформации материал поверхностного слоя должен обладать высокой твердостью при низком модуле упругости. Для количественной оценки
стойкости материала покрытия к упругой деформации разрушения используется величина
отношения нанотвердости к эффективному модулю упругости H plast /E*, называемая также
индексом пластичности покрытия, а для оценки сопротивления пластической деформации
применяется параметр H plast 3/E*2 [3]. В качестве параметра, характеризующего прочность
поверхностного слоя, связанного с упругим восстановлением свойств при наноиндентировании, используется параметр W e . Эффективный модуль упругости Е*=Е/(1-ν2), где E –
модуль Юнга, ν – коэффициент Пуассона, а величина упругого восстановления We = h m –
h r /h m , где h m – наибольшая глубина погружения индентора, h r – глубина проникновения
индентора после снятия нагрузки.
Таким образом, выбор оптимального упрочняющего покрытия по параметрам наноиндентирования может быть проведен на основании определения названных критериев и
их сравнения. При этом более износостойким является покрытие с большими значениями
параметров H plast /E*, H plast 3/E*2 и W e . Для минимизации упругих напряжений на границе
5
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 1(33)
раздела покрытие-подложка и внутренних остаточных напряжений в системе необходимо
стремиться к получению близких значений модулей упругости основы и покрытия. Эти
принципы могут быть также использованы и при оптимизации технологического процесса
и выборе режимов нанесения упрочняющих покрытий.
Проведенный рентгенофазовый анализ подтверждает, что после ФПУ покрытие
формируется в аморфном состоянии [4], при котором отсутствует дислокационная активность, и обладает высокими значениями сопротивления пластической деформации и упругого восстановления.
Изучение микроструктуры покрытия системы Si-O-C-N, проведенное при помощи
полевого эмиссионного растрового электронного микроскопа JSM-6700F с приставкой для
энергодисперсионной спектрометрии JED-2300F фирмы JEOL (Япония), показало, что
размер структурных элементов формируемого покрытия изменяется от 5 до 100 нм в зависимости от режимов его нанесения.
Оптимальный режим формирования покрытия выбирается на основе определения
физико-механических свойств покрытия по ISO 14577-4:2007. Для этих целей использовался микротвердомер Dinamic Ultra Micro Hardness Tester DUN-211S фирмы Shimadzu
(Япония). Обработка результатов измерений проводилась по методу Оливера и Фарра.
На основании анализа параметров физико-механических свойств была проведена оптимизация режимов нанесения покрытия системы Si-O-C-N. Значения характеристик наноиндентирования по ISO 14577-4:2007 приведены в табл. 1. Как видно, при меньшей
толщине покрытия (образец № 1) значение твердости выше, что может быть объяснено
более высокой плотностью нанесенного покрытия. Значения универсальной микротвердости HU (при нагрузке 10 г) и нанотвердости H plast, , полученной методом наноиндентирования, различаются почти в 5 раз, что свидетельствует о некорректности измерений микротвердости наноструктурированных покрытий при больших нагрузках.
Таблица 1
Результаты измерения микротвердости и наноиндентирования покрытия
на основе системы Si-O-C-N после ФПУ
№ образца
1
2
HU, ГПа
7,5
4,4
H plast , ГПа
34
21
Е*, ГПа
159
92
W e, %
91,46
92,53
H plast /Е*
0,21
0,23
H plast 3/Е*2
1,53
1,09
Важно отметить, что покрытие системы Si-O-C-N обладает низким модулем упругости (порядка 160 ГПа), близким по значению к модулю упругости подложки – стали
Х12М (182 ГПа).
На основании результатов исследований определен оптимальный режим нанесения
покрытия: ток – 100 А; напряжение – 31,4 В; расстояние до образца – 10 мм; расход плазмообразующего газа – 2,9 л/мин; расход транспортирующего газа – 1,1 л/мин; расход защитного газа – 2,0 л/мин. В процессе нанесения покрытия температура образцов не превышала 120 °С.
Комплексные испытания износостойкости образцов проводились в научноисследовательской лаборатории «Триботехника» (ФГБОУ ВПО «Брянский государственный технический университет») в условиях трения скольжения при граничной смазке
нормализованным методом на установке, созданной на базе машины трения МИ-1М [1;2].
Исследовались цилиндрические образцы, изготовленные из сталей 45, Х12, У8, с нанопокрытием системы Si-O-C-N и аналогичные образцы без покрытия. Образцы для исследований были изготовлены и поставлены ООО «НПФ «Плазмацентр» (г. Санкт-Петербург).
6
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 1(33)
При испытаниях с установленными нагрузкой и скоростью скольжения к вращающейся цилиндрической поверхности образца, частично погруженного в смазочный материал, прижимался неподвижный индентор (рис. 2). Для установки образцов и индентора
использовалась схема со сменными держателями, обеспечивающая самоустановку индентора относительно испытуемой поверхности образца на промежуточной сферической
опоре.
а)
б)
Рис. 2. Модернизированная машина трения МИ-1М: а - нагружающее устройство; б - схема системы
сбора данных; 1 - датчик износа; 2 - датчик нагрузки; 3 - индентор; 4 – образец
В процессе испытаний с помощью системы датчиков непрерывно и синхронно регистрировались время испытания, нагрузка, температура, коэффициент трения и линейный
износ. Их численные значения выводились на монитор компьютера. Для измерения момента трения и нагрузки использовались тензодатчики, для измерения температуры –
термопара. Для непрерывного измерения износа в процессе проведения испытаний была
разработана специальная схема с применением индуктивного датчика, позволяющая исключить влияние на результаты измерений радиального биения и тепловых деформаций
испыуемого образца.
Для обработки сигналов, получаемых с датчиков, в режиме постоянного времени использовалась автоматизированная система научных исследований (АСНИ), которая состоит из испытательного блока, блоков привода и нагружения, датчиков, мобильного измерительного комплекса, компьютера и специально разработанного программного обеспечения.
Питание датчиков и регистрация поступающих с них сигналов осуществляются системой сбора данных, представленной мобильным измерительным комплексом, включающим систему согласования SC-2345 и плату сбора данных М-серии PCI 6220 (рис. 3). Программное обеспечение АСНИ разработано в среде программирования NI LabVIEW 7.
Испытания проводились при частоте вращения 400±4 % мин-1в течение 8 часов.
По завершении испытаний результаты обрабатывали в следующей последовательности:
1. По результатам изменения регистрируемых параметров определяли следующие
показатели триботехнических свойств:
- время приработки t 0 (ч) - время от начала испытания до момента выхода кривой
изнашивания (кривой накопления износа) на линейный участок;
- приработочный износ h 0 (мкм) - величина сближения, определяемая в момент
окончания времени приработки t 0 ;
- среднее значение коэффициента трения в период нормального изнашивания f;
7
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 1(33)
- f 0 /f - отношение максимального значения коэффициента трения в период приработки f 0 к его среднему значению в период нормального изнашивания f;
- среднее значение интенсивности изнашивания за время испытаний
h − hи
,
Ih =
L
где h – суммарная величина сближения индентора с образцом за время испытаний, мкм;
h и – износ индентора за время испытаний, мкм; L – путь трения, пройденный поверхностью образца за время испытаний, мкм.
2. Определенные показатели усредняли по результатам испытаний одной исследуемой поверхности и заносили в протокол.
Испытания образцов с покрытием системы Si-O-C-N и без покрытия проводились
при следующих условиях: скорость скольжения υ = 1 м/с; нормальная нагрузка N = 100 ±
2% Н; вид первоначального контакта – пластический насыщенный; величина первоначального относительного сближения ε = 0,35; вид смазки – граничная; вид смазывания –
окунанием; ведущий вид изнашивания – усталостное.
Результаты испытаний представлены в табл. 2 и 3.
Таблица 2
Результаты испытаний шлифованных закаленных образцов из различных марок
сталей с нанесенным методом ФПУ нанопокрытием
Триботехническое свойство
Стойкость покрытия
Прирабатываемость
Антифрикционность
Износостойкость
Значение показателя для материала образца
Х12
45
У8
3,5
2,25
2,17
3,5
2,25
2,17
2
2
2
2,75
4,5
3
0,03
0,02
0,025
0,68
1,73
1,75
Показатель
tп, ч
t0, ч
h 0 , мкм
f 0 /f
f
I h ·10–10
Примечание. Время приработки t 0 совпадает со стойкостью покрытия t п ; приработочный износ h 0
совпадает с ожидаемой толщиной покрытия.
Таблица 3
Результаты испытаний шлифованных закаленных образцов из различных марок
сталей без покрытия
Триботехническое свойство
Прирабатываемость
Антифрикционность
Износостойкость
Значение показателя для материала образца
Х12
45
У8
1,1
0,83
2,42
1,8
4,5
2,5
2
1,83
3,9
0,05
0,03
0,02
1,35
2,57
1,95
Показатель
t0, ч
h 0 , мкм
f 0 /f
f
I h ·10–10
8
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 1(33)
Результаты триботехнических испытаний образцов, изготовленных из стали 45, в
графическом виде (интерфейс пользователя АСНИ) представлены на рис. 3 и 4. Табл. 2 и
3, а также рис. 3 и 4 составляют основу протокола триботехнических испытаний.
а)
б)
Рис. 3. Протокол испытаний образца из стали 45: а - с покрытием системы Si-O-C-N; б - без покрытия
По результатам триботехнических испытаний установлено, что износостойкость образцов с нанесенными нанопокрытиями по сравнению с термообработанными образцами
без покрытия с твердостью HRC 55 – 65 при нагрузке порядка 400 МПа, значительно превышающей нагрузку в реальных узлах трения, повысилась для стали марки Х12 в 2 раза,
для стали 45 - в 1,5 раза, для У8 – в 1,2раза.
Результаты исследований позволяют сделать следующие выводы:
1. Оптимизация технологии модификации поверхности с использованием нанесения
нанопокрытия методом ФПУ может быть проведена на основе исследования параметров
наноиндентирования и триботехнических испытаний.
2. Покрытие системы Si-O-C-N, нанесенное с использованием технологии ФПУ, характеризуется высокой твердостью при низком значении модуля упругости и близостью
значений модуля упругости покрытия и основы, что объективно должно приводить к увеличению износостойкости поверхностного слоя.
3. Триботехнические испытания образцов с покрытием подтверждают повышение
износостойкости изделий с покрытием системы Si-O-C-N.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Горленко, А.О. Нормализация триботехнических испытаний для создания базы данных по одноступенчатому технологическому обеспечению износостойкости / А.О. Горленко, М.И. Прудников // Трение и
смазка в машинах и механизмах. – 2008. - №9. –– С. 7-13.
2. Горленко, А.О. Триботехнические испытания поверхностей деталей нормализованным методом / А.О.
Горленко, М.И. Прудников // Справочник. Инженерный журнал. – 2009. - Прил. 10. –– С. 22-24.
3. Соснин, Н.А. Плазменные технологии. Руководство для инженеров / Н.А. Соснин, С.А. Ермаков, П.А.
Тополянский. – СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2008. – 406 с.
4. Тополянский, П.А. Исследования свойств нанопокрытия, наносимого методом финишного плазменного
упрочнения / П.А. Тополянский, Н.А. Соснин, С.А. Ермаков, А.П. Тополянский // Упрочняющие технологии и покрытия. – 2011. – № 2. – С. 28-34.
Материал поступил в редколлегию 3.02.12.
9
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 1(33)
УДК629.114
В.П. Тихомиров
ОЦЕНКА ОСТАТОЧНОГО РЕСУРСА ЭЛЕМЕНТОВ
ГРУЗОПОДЪЕМНЫХ МАШИН ПО ВЕЛИЧИНЕ ИЗНОСА
Предложена методика определения остаточного ресурса узлов трения, отвечающих за безопасную работу
грузоподъемных машин, которая учитывает случайный характер нагружения элементов пары трения, отсутствие периода нормального изнашивания и изменение темпа изнашивания на рассматриваемых промежутках времени эксплуатации.
Ключевые слова: остаточный ресурс, грузоподъемные машины, износ, наработка, узлы трения.
Для оценки остаточного ресурса узлов трения, а также с целью сокращения времени на
расчетные операции составляются соответствующие номограммы (рис. 1) при следующих исходных данных [1]:
• t – наработка машины (из формуляра или паспорта машины), ч;
• hф– фактический линейный износ трибоэлемента (по результатам непосредственных измерений), мм;
• [h]– допустимый износ трибоэлемента (из технической документации на машину, узел),
мм.
Введем понятие относительного износа, определяемого зависимостью
%.
По
Рис. 1. Схема определения остаточного ресурса
Остаточный ресурс определяется по номограмме (рис. 1) в следующей последовательности:
на оси t откладывают фактическое значение времени наработки и, следуя по стрелке, с учетом величины относительного износа П0 находят остаточный ресурс.
В качестве примера используем следующие исходные данные для оси стрелы портального
крана, работающей в подшипнике скольжения [1]:
- наработка крана до момента проведения оценки остаточного ресурса tчас – 3000 ч;
10
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 1(33)
- фактический (измеренный) износ оси стрелыhф – 0,5 мм;
- допустимый износ сборочной единицы [h] – 1,0 мм.
Требуется найти остаточный ресурс подшипника скольжения.
Относительный износ равен
С помощью номограммы (рис. 1) определяем остаточный ресурс tост, который составляет
3000 ч (линия со стрелками). При П0= 60 % с той же наработкой крана (3000 ч) остаточный ресурс уменьшится до 2000 ч.
Следуя рис. 1, с достаточной степенью точности остаточный ресурс можно определить по формуле
где
Следует отметить, что рассмотренный подход не учитывает особенности эксплуатации элементов грузоподъемных машин, в частности графики нагрузки. Расчет на сопротивление усталости и износостойкость обычно проводят по эквивалентным нагрузкам, т.е.
по таким нагрузкам стационарного режима, которые вызывают те же повреждения, что и
при нестационарномнагружении.
Эквивалентная нагрузка равна[2]
где k p – коэффициент распределения нагрузок.
где с i – среднее число рабочих циклов с частным уровнем груза P i ; c T – суммарное число
рабочих циклов со всеми грузами; P i –значение частных нагрузок при типичном применении крана (в практических расчетах n=2…4); P max –вес наибольшего груза, который разрешается поднимать краном; m – показатель степени.
При стационарных режимах трения, когда нагрузочно-скоростные факторы остаются
постоянными, износ характеризуется графиком, приведенным на рис. 2 [3]. Испытания
проводились по схеме «палец-диск». Материал пальца − хромистая сталь, а диск изготовлялся из серого чугуна. Скорость скольжения для разных (по нагрузке) режимов приработки была одинаковой и равнялась 5 м/с. Приработка проводилась в течение 6 ч, при
этом режим Р2 оставался постоянным, режим Р1 осуществлялся в течение 3 ч с нагрузкой
60 МПа, а затем нагрузка снижалась.
Износ измерялся в непрерывном режиме с помощью метода, использующего радиоактивные изотопы. Обращает на себя внимание тот факт, что момент окончания приработки при повышенной нагрузке (режим Р1) меньше, чем при режиме Р2. При этом интенсивность изнашивания пары трения при режиме приработки Р1 ниже, чем у той же пары,
но приработанной по режиму Р2 (интенсивность изнашивания характеризуется наклоном
прямых изнашивания в период нормального изнашивания).
Для узлов трения грузоподъемных машин характерна работа при переменных нагрузках и скоростях скольжения. Поэтому график износа будет иметь другой вид. Переход
от одного нагрузочно-скоростного режима к другому приводит к появлению приработки,
причем независимо от того, увеличивается нагрузка или уменьшается. Подобные пары
11
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 1(33)
трения относят к неприрабатывающимся парам. При этом предельный износ достигается
достаточно быстро.
Рис. 2. Кривые износа при разных режимах приработки [3]
В известных моделях изнашивания [3; 4] не рассматриваются в явном виде случайный характер нагружения и практическое отсутствие работы узла трения в режиме установившегося (нормального) изнашивания.
На рис. 3 представлены зависимости для некоторых триботехнических показателей
пары трения при ступенчатом изменении нагрузки. Как видно из графиков, ступенчатое
повышение нагрузки приводит к практически мгновенному изменению коэффициента
трения и температуры поверхности трения – тех показателей, которые существенным образом влияют на процесс изнашивания.
Изнашивание характеризуется неубывающей функцией. Полагаем, что чередование нагрузок не влияет на оценку момента достижения предельного износа.
В этом случае можно использовать следующую модель определения ресурса узла
трения (муфты сцепления автомобиля) [4].
Для прогнозирования долговечности накладок фрикционной муфты требуется иметь
определенную информацию о долях пробега в
конкретных условиях эксплуатации.
Пробег автомобиля до предельного износа накладок [h] определяется выражением
.
Рис. 3. Зависимости износа, коэффициента трения и температуры пальца от времени (скорость оставалась постоянной,
а нагрузка изменялась ступенчато) [3]
Здесь j i – работа буксования сцепления,
затраченная на износ накладок на 1 мм толщины, отнесенная к номинальной поверхности
трения; а i − удельная работа сил трения на 1 км пробега; d Li – доля пробега автомобиля в
соответствующих условиях эксплуатации; i=1…n – число выделенных для рассмотрения
условий эксплуатации.
В работе [5] приведен пример расчета долговечности накладок муфты сцепления автомобиля. Данный подход позволяет оценить остаточный ресурс в километрах пробега ав-
12
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 1(33)
томобиля. В этом случае, имея измеренный износ h* и определив по приведенной
формулеL*, найдем остаточный ресурс, равный L ост = L рес - L*.
В настоящее время для грузоподъемных машин не представляется возможным использование приведенной формулы из-за отсутствия данных о работе сил трения, расходуемой на единицу износа накладок, и удельной работе сил трения на 1 ч эксплуатации.
Для определения остаточного ресурса работы узла трения при нормированных показателях предельного износа предлагается методика, основанная на следующих известных
принципах.
1. Поскольку механизмы грузоподъемных машин работают при переменных краткодействующих нагрузках, то в модели изнашивания следует учесть случайный характер нагружения рассматриваемой пары трения. В данном случае имитационное моделирование
является тем инструментом, который позволяет получить случайные числа, распределенные по закону, отражающему принятые в практике расчета деталей грузоподъемных машин типовые графики нагрузки [2].
Можно использовать для получения случайных чисел следующую процедуру. Пусть
дана функция распределения случайной величины (нагрузки), которую обозначим через
F(x). F(x)=xR, где xR – случайная величина, распределенная равномерно на отрезке [0, 1]
(xR~Rav [0, 1]). Тогда случайная величина, распределенная по требуемому закону, находится из выражения xтреб=F-1(xR). Необходимое количество случайных чисел, соответствующих требуемому закону, определяется заданной точностью оценки выходного параметра (износа, ресурса и др.).
2. Полагаем, что интенсивность изнашивания, равная I h =dh/dL, зависит от номинального давления (отношения силы прижатия элементов пары трения к геометрической
площади контакта) q, МПа,и следует закону
Здесь с – размерный фактор, (МПа)-m.
Считая, что ведущий вид изнашивания в течение всего периода эксплуатации данной
пары трения остается неизменным, запишем
где h i – износ при давлении q i , отнесенный к пути трения L i ; q E – эквивалентное давление,
при котором предельный износ достигается на пути трения L E .
Эквивалентное давление найдем по формуле
Здесь k p – коэффициент распределения нагрузок; q max – максимальное давление
(обычно эта величина равна допускаемому давлению для конкретного материала).
3. Поскольку пара трения находится в состоянии приработки, интенсивность изнашивания всегда будет больше интенсивности изнашивания при нормальном процессе износа. В этом случае
На рис. 4 приведенная процедура выражена в графической форме. Неприрабатывающаяся пара трения (реализации износа – кривые 2 и 3 на рис. 4) имеет меньшую долговечность, чем пара, работающая в режиме установившегося изнашивания (относительная долговечность для рассматриваемых реализаций соответственно равна L*2/L рес и
L*3/L рес ).
Множество полученных с помощью имитационного моделирования реализаций изнашивания дают возможность получить выборочные статистические данные –
математическое ожидание и дисперсию ресурса.
4. Относительная величина ресурса может быть выражена через отношение накопленного пути трения к пути, соответствующему предельному износу, или отношение вре13
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 1(33)
мени работы к тому времени, которое определяет ресурсработы узла трения (t ’эксп / t рес ).
В этом случае, имея измеренное значение износа h изм за время эксплуатации t ’эксп , определяют среднюю величину темпа изнашивания: =
Тогда остаточный ресурс будет равен
Рис. 4. Зависимость относительного линейного
износа от относительного ресурса: 1 – изнашивание при постоянном давлении (без учета износа в результате приработки);2, 3 – реализации
износа с учетом случайного нагружения
В качестве иллюстрации рассмотрим
следующий пример. Требуется определить остаточный ресурс узла трения, для которого[h]=
2 мм. Измеренный износ при относительном
времени эксплуатации t ’эксп / t рес =0,5 составил
0,9 мм.
Пусть ресурс пары трения равен 6000 ч.
Тогда время эксплуатации, при котором измерялся износ, t ’эксп =3000 ч. Скорость изнашивания оказывается равной
=0,9 / 3000 = 0,0003 мм / ч.
Оценим остаточный ресурс:
Следует отметить, что полученный остаточный ресурс коррелирует с данными,
приведенными на рис. 1, при П 0 =0,9/2·100 %=45 %.
Этот результат отнесен к случаю, когда относительный износ описывается прямой 1
на рис. 4. Более точная оценка остаточного ресурса может быть проведена с учетом реального графика нагрузки и оценкой скорости изнашивания элемента пары трения по
формуле
=
Здесь i=1…N –число последовательных измерений износа (
j=1…M–
количество реализаций процесса изнашивания.
Таким образом, остаточный ресурс узлов трения, отвечающих за безопасную работу
грузоподъемных машин, может быть определен по предлагаемой методике. Методика
оценки остаточного ресурса узлов трения учитывает случайный характер нагружения элементов пары трения, отсутствие периода нормального изнашивания и изменение темпа
изнашивания на рассматриваемых промежутках времени эксплуатации.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Пустовой, В.Н. Металлоконструкции грузоподъемных машин: разрушение и прогнозирование остаточного ресурса/В.Н. Пустовой.-М.: Транспорт, 1992.- 135 с.
2. Александров, М.П. Подъемно-транспортные машины/М.П. Александров.-М.: Высш.шк., 1985.-520 с.
3. Scherge, M. Wear measurements using radio-nuclide-technique/ M. Scherge, K. Pöhlmann, A. Gerve//Wear.2003.-V. 255.-P. 395-400.
4. Крагельский, И.В. Основы расчетов на трение и износ/И.В. Крагельский, М.Н. Добычин, В.С. Комбалов.М.: Машиностроение, 1977.-526 с.
5. Бузуев, И.И. Безопасность эксплуатации грузоподъемных машин с истекшим нормативным сроком
службы: метод. указания по выполнению практ. занятий /И.И. Бузуев, А.П. Овчинников.- Самара: СамГТУ, 2009. - 35 с.
Материал поступил в редакцию 8.02.12.
14
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 1(33)
УДК 539.4.015.1
С.В.Давыдов, В.М.Сканцев
СТРУКТУРНЫЕ ИЗМЕНЕНИЯ ТРИБОПОВЕРХНОСТЕЙ
В КОНВЕЙЕРАХ С ПОДВЕСНОЙ ЛЕНТОЙ
Установлено, что в конвейерах с подвесной лентой структура трибоповерхностей сопряжения «опорный
ролик – труба» под воздействием значительных напряжений и деформаций разупрочняется. Предложена
технология дисперсионного упрочнения материалов опорных роликов конвейера.
Ключевые слова: конвейер с подвесной лентой, трибоповерхность, дисперсионное упрочнение, микротвердость, твердый раствор, модифицирование чугуна.
Разработка, создание и эксплуатация конвейерного транспорта нового поколения –
конвейеров с подвесной лентой – поставила целый ряд задач в области материаловедения
и обусловила необходимость исследования структурных изменений в материалах при высоких уровнях холодной пластической деформации в зоне контакта открытой пары трения
качения «опорный ролик-направляющая труба» (далее по тексту – «ролик-труба»).
Интенсивное изнашивание ролика и трубной направляющей в процессе эксплуатации конвейеров с подвесной лентой определило постановку цели и задач настоящих исследований: установить причины их повышенного износа в результате контактного взаимодействия; выявить структурные изменения и особенности процесса изнашивания материала трубы и ролика; на основании полученных результатов выявить наиболее рациональные конструкционные материалы для изготовления деталей исследуемой пары трения.
Металлографическими методами исследовались интенсивно изнашиваемая направляющая труба на прямолинейном участке рабочей ветви конвейера и верхний опорный
ролик, работающие в условиях сухого трения качения (рис.1).
I
III
II
в)
а)
б)
г)
Рис. 1. Схема износа и разупрочнения поверхности качения ролика на подвеске конвейера:
а - исходное состояние подвески и роликов на трубчатой направляющей;
б - положение роликов на направляющей после износа поверхности качения
(А – зона разупрочнения и износа ролика); в - поперечный разрез изношенной направляющей
трубы (I и II – изношенные и деформированные участки дорожки катания верхнего опорного
ролика подвески; III– исходный профиль трубы); г – изменение профиля качения ролика
в зоне I (1 – до эксплуатации; 2 – после эксплуатации; 3 –ферритные полосы)
15
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 1(33)
Трубчатая направляющая конвейера (диаметр - 57 мм) изготовлена из сварной холоднокатаной стали 08 кп, ролик - из стали 45 (термообработка - улучшение, структура - сорбит
отпуска с остатками ферритной сетки, твердость стали - НВ 260…280).
Изнашивание направляющей трубы происходит по двум дорожкам катания (рис.1а)
верхнего опорного ролика: А (наружной) и Б (внутренней). Поверхность износа характеризуется заметным макроскопическим пластическим деформированием, проявляющимся
в смятии, оттеснении и изъязвлении поверхности. Явление разупрочнения ролика проявляется в интенсивном износе контактной поверхности в зоне I (рис.1б). Край реборды утончается с 5 до 1…2 мм с образованием наплыва из деформированного металла. Увеличение
кривизны опорной поверхности ролика сопровождается самозаклиниванием пары трения
качения и аварийной остановкой конвейера.
В исходной микроструктуре материала трубы (рис.2а), характеризующейся разнозернистостью феррита, наблюдаются многочисленные мелкие внутризеренные поры
(поз.1), крупные межзеренные поры, сопоставимые по размеру с мелкими зернами феррита (поз.3), включения структурно свободного цементита (поз.2), располагающиеся, как
правило, на стыках ферритных зерен. Размеры зерен феррита различаются в 3…5 раз и
составляют от 12 до 53 мкм.
На рис.2 б, в показано сечение участков дорожек катания А и Б с характерными признаками усталостного изнашивания при многоцикловом нагружении в условиях трения
качения. Очагами расслоения металла являются укрупнившиеся в процессе деформации
поры, хотя некоторые из них активного участия в расслоении пока не принимают.
б)
2
3
1
а)
в)
Рис.2. Структура поверхностного слоя направляющей трубы: а - исходная микроструктура трубной направляющей (травление ниталем, х500; 1 – внутризеренная пора; 2 – структурно свободный цементит; 3 – межзеренная пора); б, в - отслоения на поверхности катания направляющей трубы (не травлено, х50)
Более тщательный анализ микроструктуры в зоне расслоения показал следующее:
1. Пора, находящаяся в сильно деформированных слоях, является барьером для течения металла при деформации, и зерна феррита обтекают пору, повторяя ее конфигурацию. Под порами наклеп практически отсутствует.
2. Укрупнение поры до начала расслоения свидетельствует о ее накопительной роли
как резервуара для стока дефектов строения (микропор, вакансий, дислокаций и др.) в процессе перемещения деформируемых зерен относительно поры. Как следствие этого явления
наблюдается некоторый рост микротвердости в зоне расслоения.
3. Расслоение деформированного феррита, инициируемое порами, переходит в макроотслоение его участков в зоне трения, когда пора вытекает на изнашиваемую поверхность.
16
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 1(33)
4. С выходом поры на контактную поверхность из-за высоких степеней деформации
отслаивающиеся объемы металла полностью теряют пластичность с последующим разрушением, т.е. износом. Это подтверждено путем измерения микротвердости от поверхности до сердцевины (рис.3).
На изнашиваемой контактной поверхности трубы микротвердость достигает максимальных значений ~ 495 HV 0,49 , что в несколько раз превышает микротвердость недеформированного феррита (~128 HV 0,49 ). На глубине около 0,1 мм микротвердость понижается, но остается существенно выше (в 1,5 раза) исходной твердости феррита до расслоения металла. В пределах многослойного внутреннего расслоения (на глубине 0,3 мм)
микроструктура еще остается сильно деформированной с повышенной микротвердостью.
Далее микроструктура становится менее деформированной, плавно переходя к равноосной недеформированной.
Рис. 3. Изменение микротвердости поверхностного слоя и микроструктуры в зоне контакта, х 500
На глубине 0,5мм микротвердость понижается до исходного значения, характерного
для недеформированной структуры феррита. При исследовании строения деформированного феррита в области его течения вблизи поры обнаружено наличие цепочек равноосных мелких зерен на стыке волокон сильно деформированной ферритной структуры, что
является признаком протекания в системе динамической рекристаллизации феррита. Динамическая рекристаллизация уменьшает наклеп и восстанавливает способность феррита
пластически деформироваться при очередном цикле нагружения.
Вместе с тем рекристаллизация способствует укрупнению наследственных пор, увеличивая их объем и количество за счет образования зернограничных пор. При течении
деформированного металла происходит их оттеснение в более деформированные подповерхностные слои с последующим выходом на поверхность трения, что способствует процессу отслоения участков феррита и интенсифицирует износ поверхности трубы.
Данное предположение подтверждается тем, что характерной особенностью процесса
изнашивания опорной поверхности трубчатой направляющей конвейера является отсутствие
процесса зарождения и развития микротрещин в деформируемой зоне, несмотря на чрезвычайно высокий уровень твердости и напряжений.
Структура полосы разупрочнения ролика в зоне контакта состоит из нескольких
участков (рис.4):
17
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 1(33)
1. Переупрочненный поверхностный слой (поз.2). На ферритном участке данный
слой значительно разрушен. Твердость HV 10/15 ~300 МПа. В структуре слоя из-за значительных деформаций наблюдаются множественные микротрещины, способствующие отслоению металла, что и определяет интенсивный износ поверхности в ферритной полосе.
2. Ферритная область разупрочнения (поз.1). Средняя твердость HV 10/15 ~190 МПа.
Структура области состоит из крупных деформированных ферритных зерен в сорбитной
матрице.
3. Переходная область (поз.3). Состоит из редких включений сильно деформированных зерен феррита в виде длинных и узких полос шириной до 0,01 мм. Твердость HV 10/15
= 227МПа. Средняя толщина слоя - около 0,3…0,5 мм.
4. Область, лежащая вне полос разупрочнения. Структура состоит из отдельных мелких слабо деформированных включений феррита в сорбитной матрице. Твердость HV 10/15 =
240МПа. Для всех рассматриваемых областей характерным признаком является наличие
значительного количества микротрещин (поз.6), распространяющихся на глубину до
0,3…0,5 мм как в горизонтальной плоскости (расслоение металла), так и в вертикальной
(растрескивание металла). Наличие микротрещин усиливает эффект разупрочнения поверхностного слоя и интенсифицирует
износ.
Таким образом, интенсивный износ трубчатых направляющих конвейера (сталь 08кп)
обусловлен структурными факторами и условиями нагружения. К
наиболее значимым структурным
факторам следует отнести разноа)
зернистость, наличие крупных
зерен и многочисленных пор (как
следствие низкой раскисленности
б)
стали и результат динамической
рекристаллизации), которые преРис.4. Структура и твердость стали 45 в зоне разупрочнения опор- пятствуют равномерному течению деформированного металла
ного ролика (схема): а – расположение зоны разупрочнения и ее
структура (1 – ферритные области; 2 – переупрочненный верхний
и, укрупняясь в процессе дефорслой; 3 – деформированные ферритные зерна; 4 – наплыв дефор- мации, выходят на рабочую помированного металла на реборде ролика; 5 – сорбит отпуска (базоверхность, тем самым интенсивая структура стали); 6 – микротрещины); б – изменение твердофицируя износ.
сти по Виккерсу (НV) на глубине 0,3 мм
К условиям, способствующим разрушению, следует отнести многоцикловое нагружение трубчатой направляющей
со значительной холодной пластической деформацией, в ходе которой сильно наклепывается поверхностный слой металла (микротвердость феррита возрастает в 3,6 раза), что
может приводить к расслоению поверхностного слоя и усиливать интенсивность изнашивания.
Исследованиями [1] поверхностного слоя материала ролика (сталь 45, термообработка - улучшение) установлено, что разупрочненные полосы феррита интенсифицируют износ поверхности ролика и являются источником внутренних трещин, ответственных за
скол реборды ролика. Причина возникновения слоев феррита заключается в том, что в условиях сложного термосилового воздействия в зоне трения сорбитная структура стали становится метастабильной и претерпевает распад на более стабильную, но менее прочную и
износостойкую структуру феррита.
Таким образом, для повышения износостойкости трубчатых направляющих и увеличения срока их эксплуатации необходимо в качестве материала использовать спокойные
18
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 1(33)
стали с более высоким содержанием углерода (до 0,2%), легированные до 1,0%Si или Mn,
что повысит σ Т (следовательно, сопротивление изнашиванию) и температурный порог рекристаллизации.
Для обеспечения надежной работы опорных роликов необходимо применять материалы с более стабильной структурой [2], обладающие высокими свойствами, включая повышенные значения пластичности, ударной вязкости и износостойкости. Примером таких материалов могут служить кремнистые ферритные чугуны с шаровидным
графитом.
Исследованные в работе ферритные ВЧШГ отличаются от обычных ферритных
ВЧШГ дисперсионно упрочненной ферритной матрицей, расслоенной на несколько α-фаз,
легированной кремнием, медью, молибденом, марганцем при пониженном содержании
серы и фосфора. Благодаря композиционному строению структуры исследованные сплавы
имеют более высокие механические и эксплуатационные свойства.
Наиболее приемлемым способом получения чугуна с заданными свойствами является
индукционная электроплавка. Сочетание электропечного способа плавки с рациональным
химическим составом и комплексным модифицированием позволяет получать высокопрочный чугун с шаровидным графитом, имеющий в литом состоянии структуру без признаков
отбела и с преобладанием ферритной матрицы. Эффективным средством улучшения структуры такого чугуна является использование в составе модифицирующей смеси небольших
добавок силикобария.
Содержание кремния является наиболее существенным фактором, определяющим
структуру сплава. Значительное повышение прочности и износостойкости чугуна может
быть обеспечено путем дополнительного легирования чугуна медью с добавлением небольшого количества молибдена [3]. Медь обеспечивает дисперсионное упрочнение ферритной матрицы за счет образования в ее структуре (после термической обработки) медистой фазы. Сочетание в структуре сплавов упрочненного медистого феррита, включений
графита и медистой фазы оказывает существенное влияние на их триботехнические свойства. Графит повышает износостойкость и уменьшает коэффициент трения, что особенно
характерно в условиях граничного трения. Положительное влияние структурно свободной
медистой фазы заключается также в снижении износа сопряженного тела (контртела).
Молибден в небольших количествах усиливает дисперсионное упрочнение и в значительной мере устраняет ферритную хрупкость.
Плавки чугуна проводили в индукционной печи ИСТ-0.06 с модифицированием чугуна лигатурой ЖКМК методом «сандвич-процесса». Химический состав чугуна разных
плавок представлен в таблице.
Таблица
Химический состав исследуемых чугунов
№
сплава
1
2
3
4
5
6
1
Содержание элементов, мас.%
Остаточное содержание комОсновной химический состав
понентов комплексного модификатора
С
Si
Мо
Cu
Мn
Mg
Ва
Са
РЗМ
3,8
2,4
0,28 0,75 0,36 0,03
0,063 0,008 0,054
3,7
2,7
0,3
0,66 0,33 0,03
0,028 0,013 0,036
3,62
3,3
0,32 0,68 0,38 0,032 0,045 0,017 0,03
3,45
3,84 0,27 0,75 0,36 0,035 0,07
0,012 0,062
3,42
4,2
0,32 0,64 0,38 0,03
0,041 0,011 0,026
3,4
4,7
0,3
0,63 0,32 0,04
0,03
0,015 0,041
Параметр
П1, %мас.
0,155
0,107
0,124
0,179
0,108
0,126
Параметр П характеризует общее остаточное содержание элементов модификатора: П=Mg+Ba+Ca+P3M.
19
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 1(33)
Относительное удлинение δ, %
Содержание кремния, % мас.
б)
Ударная вязкость КС, ЖД/см2
Содержание кремния, % мас.
а)
Твердость НВ
Временное сопротивление разрыву
σв, МПа
Для каждого варианта чугуна определяли твердость и проводили механические испытания образцов, результаты которых представлены на рис. 5.
Триботехнические свойства (износостойкость и коэффициент трения) чугунов
оценивали по стали 45 (HRC 32…35) в условиях охлаждения водой при удельной нагрузке 3 МПа. Испытания проводили на машине СМЦ-2 по схеме «вращающийся диск неподвижная колодка». Диск контртела диаметром 50 мм контактировал с образцом в
форме сектора с длиной дуги контакта 19 мм при скорости скольжения 0,75 м/с.
Абразивную износостойкость чугунов определяли при изнашивании образцов закрепленным абразивом (трение по абразивной шкурке в соответствии с ГОСТ 17367-71). Для
повышения стабильности результатов испытания проводили в условиях непрерывного обновления зерен и постоянства других параметров.
Содержание кремния, % мас.
Содержание кремния, % мас.
в)
г)
Рис. 5. Влияние содержания кремния и легирующих элементов на механические свойства ЧШГ в литом состоянии (сплошные линии) и после термообработки (пунктирные линии):1- по известным литературным данным;
2 - для исследованных чугунов (без дополнительного легирования); 3- для исследованных чугунов с дополнительным легированием Cu,Mo
Анализ зависимостей выявил наличие на кривой двух максимумов предела прочности чугуна в литом состоянии - при перлитной и чисто ферритной структуре. Пластичность чугуна в литом состоянии резко возрастает при переходе от перлитной структуры к
ферритной, достигая максимума при содержании кремния в чугуне 3,2…3,3%. При дальнейшем повышении содержания кремния в чугуне (от 3,3 до 4,0%) прочностные свойства
чугуна повышаются, а пластичность заметно снижается. С увеличением содержания
кремния сверх 4,2% происходит значительное снижение и прочности и пластичности.
У термообработанного чугуна с ферритной структурой с увеличением содержания
20
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 1(33)
1,7
1,4
1,6
1,35
1,5
1,3
1,4
1,25
4
1,3
1,2
1,2
1,15
1,1
1,1
3
1
1,05
0,9
1
2,4
2,7
3
3,3
3,6
3,9
4,2
4,5
Содержание кремния, %
Коэффициент абразивной износостойкости
Коэффициент износостойкости
кремния пластичность снижается (особенно резко в интервале 3,7-5%Si), а на кривой изменения прочности наблюдается только один максимум.
На рис.5в показано влияние кремния на твердость чугуна. Для литого состояния характерна зависимость с минимумом при ~ 3,5%Si, соответствующим началу появления
чисто ферритной структуры. В отожженном состоянии кремний легирует феррит и увеличивает его твердость, причем темп роста твердости резко различается для двух интервалов
содержания кремния: до ~ 3,7 %Si твердость медленно повышается, а от 3,7 до 5,5% происходит ее резкий рост. Это различие, безусловно, должно определяться структурными
изменениями.
Значительно влияет кремний на триботехнические свойства ферритного чугуна (рис.
6), особенно при его содержании более 3% мас. Сопоставляя графики на рис. 5а и 6б, видим, что между временным сопротивлением разрыву чугуна и его износостойкостью наблюдается хорошая корреляция: для литого состояния обе зависимости имеют два максимума (перлитный и ферритный) при одном и том же содержании кремния. Для износостойкости чугуна в отожженном состоянии характерна зависимость с одним максимумом, как и для временного сопротивления разрыву, но по темпу изменения износостойкости в большей степени наблюдается аналогия с изменением твердости.
а)
б)
Рис. 6. Влияние содержания кремния и легирующих элементов на триботехнические свойства ВЧШГ в литом состоянии (сплошные линии) и после термообработки (пунктирные линии):1,2 – износ образца и контртела (сталь 45)
для исследуемых чугунов соответственно; 3- коэффициент износостойкости (эталон - ВЧ60); 4 – коэффициент абразивной износостойкости (эталон - отожженное железо, С≤0,02%); 5 – коэффициент трения скольжения
График коэффициента трения фактически полностью повторяет конфигурацию кривых изнашивания. Зависимость абразивной износостойкости чугунов имеет четкую корреляцию с характером изменения их твердости.
Повышение износостойкости в области ферритной структуры может быть в определенной степени связано с легированием феррита и повышением его прочностных характеристик. Однако резкое изменение темпа повышения износостойкости и твердости чугуна
при содержании кремния более 3% обусловлено изменением структуры чугуна с появлением дополнительных фаз.
Действительно, более тщательное изучение микроструктуры высокопрочных ферритных чугунов с повышенным содержанием кремния показало наличие гетерогенной
структуры с расслаивающимся кремнистым ферритом (рис.7) в результате процесса спинодального расслоения. На рис. 7а видно характерное изменение микроструктуры твердого раствора (феррита) при его спинодальном расслоении (видно также, что происходит миграция границ ферритных зерен при термической обработке). На рис. 7б зафиксирована
стадия перестраивания с образованием включений (зерен) силикоферрита (фазы α 1 ) и их
двойникованием (сдвоенные зерна) с наиболее плотным расположением около графитного
21
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 1(33)
включения (в зоне наиболее высокого содержания кремния). Можно предположить, что в
результате спинодального расслоения высококремнистого феррита осуществляется нанокомпозиционное упрочнение матрицы чугуна.
Максимумам прочности и износостойкости ферритного чугуна с шаровидным графитом соответствует содержание кремния 4…4,3 % и расслоение феррита с количеством силикоферрита около 25 %.
Из приведенных на рис. 5 зависимостей также видно, что при легировании ферритной матрицы медью происходит значительное увеличение предела прочности чугуна. При
этом с помощью термической обработки можно обеспечить высокие значения пластичности и ударной вязкости.
В сплавах систем Fe - Сu и Fe - С Сu может быть обеспечен значительный
эффект дисперсионного упрочнения феррита (рис.8). Это связано с тем, что из-за
малой скорости диффузии меди α-фаза
обычно пересыщена медью и склонна к
интенсивному старению, особенно искусственному. Причем этот эффект проявляется не только в структурно свободном, но
и в перлитном феррите, что приводит к
существенному повышению твердости и
прочности перлита при легировании медью как за счет его измельчения, так и под
а)
б)
Рис. 7. Микроструктуры чугуна с расслаивающимся влиянием твердорастворного и дисперсиферритом (двойное травление, х1350)
онного упрочнения перлитного феррита.
Значительно усиливается эффект дисперсионного упрочнения медистой фазой при дополнительном легировании чугуна молибденом.
Следует также отметить, что при
реализации дисперсионного упрочнения
ферритной матрицы происходит значительное снижение износа сопряженного
тела (контртела) в паре трения. Данный
эффект можно объяснить тем, что содержащиеся в структуре чугуна в свободном
состоянии графит и медистая фаза обеспечивают благоприятные условия для работы фрикционной пары с избирательным
Рис. 8. Структура ферритного ЧШГ с дисперсионным уп- переносом графита и меди на поверхность
рочнением медистой фазой (травление ниталем, х1000)
сопряженной детали. В этих условиях
процесс обогащения поверхности контртела медью при трении происходит за счет термически активированной диффузии меди.
Для оценки влияния содержания кремния в экспериментальных чугунах на износостойкость роликов проводились производственные испытания пары трения «роликтруба». Ролики изготовлены из экспериментальных чугунов (таблица), труба – из стали 08кп.
Испытания пары трения «ролик - труба» на износ проводились на специально изготовленном стенде, который моделирует движение двухроликовой подвески со скоростью 3,15
м/с (максимальная скорость перемещения ленты конвейера) на переходном участке става
конвейера, где качение ролика сопровождается продольным и поперечным проскальзыванием.
22
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 1(33)
Испытания проводились в течение 100 ч при нагрузке на ролик 1кН, что соответствует максимальной нагрузке на действующих конвейерах. При испытаниях оценивался линейный износ роликов. По результатам испытаний построены зависимости линейного износа поверхности и долговечности роликов (рис.9).
Долговечность роликов определяли из условия предельного износа контактной поверхности ролика через линейную интерполяцию участка кривой износа с постоянной
скоростью изнашивания. За предельное состояние износа ролика принята ширина желобообразной дорожки (рис.1 б), равная 22 мм. Предельный износ данной поверхности приводит к изменению геометрии ролика, ухудшению организации контакта в процессе движения и возрастанию возможности самопроизвольного соскакивания ролика с трубы с последующим заклиниванием. Данное явление приводит к вырыву фрагмента конвейерной
ленты в зоне крепления подвески и аварийной остановке конвейера.
а)
б)
Рис.9 – Влияние кремния на износостойкость опорных роликов конвейера:
а – линейный износ поверхности роликов после наработки 100 ч;
б – наработка до предельного состояния роликов
Видно, что при содержании более 3,3% кремния четко наблюдается резкое повышение
износостойкости роликов, что обусловлено наличием гетерогенизированной структуры сплава с расслаивающимся ферритом. Максимальная износостойкость наблюдается при содержании кремния в сплаве ≈ 4,2% мас., когда гетерогенизация феррита достигает 25% по количеству силикоферрита. Построенные зависимости износостойкости роликов хорошо коррелируют с приведенными данными, полученными при испытаниях образцов из экспериментальных чугунов на машине СМЦ-2.
С использованием выявленных структурных эффектов разработан и заявлен в качестве изобретения антифрикционный ферритный чугун с повышенными механическими
свойствами, особенностью структуры которого является высокая степень гетерогенизации
феррита за счет спинодального расслоения и дисперсионного упрочнения медистой фазой.
С этой целью в составе чугуна увеличено содержание кремния и дополнительно введено
небольшое количество меди. С целью устранения ферритной хрупкости и увеличения степени дисперсионного упрочнения чугун дополнительно легирован молибденом. Разработанный чугун отличается высокой прочностью, пластичностью, ударной вязкостью и
износостойкостью при низких значениях твердости, коэффициента трения, хорошей
прирабатываемости и практической
безызносности сопряженного стального тела в
узле трения.
Проведенные исследования позволяют сделать следующие выводы:
1. Интенсивный износ трубчатых направляющих конвейера обусловлен структурными факторами и условиями нагружения. К наиболее значимым структурным факторам
следует отнести разнозернистость, наличие крупных зерен и многочисленных пор (как
следствие низкой раскисленности стали и результат динамической рекристаллизации), ко23
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 1(33)
торые препятствуют равномерному течению деформированного металла и, укрупняясь в
процессе деформации, выходят на изнашиваемую поверхность.
2. Разупрочненные полосы феррита интенсифицируют износ поверхности опорного ролика, являясь источником внутренних трещин, ответственных за скол его реборды. Причина
возникновения слоев феррита – структурные изменения стали, протекающие в условиях
сложного термосилового воздействия в зоне трения.
3. В чугунах с повышенным содержанием кремния (более 3% мас.) возможно проявление
структурного эффекта, заключающегося в спинодальном расслоении феррита на обычный (углеродистый) феррит и силикоферрит. Особенно характерно это для ферритных высокопрочных
чугунов, содержащих 3,5-4,2% кремния, что приводит к значительной α-стабилизации структуры чугунов и во многих случаях может обеспечить надежную работу узла трения без заметных структурных изменений.
При содержании в сплаве 4,2% кремния количество силикоферрита в ферритной
матрице чугуна достигает ≈ 25%, что обеспечивает его максимальную прочность и износостойкость.
4. В чугунах, легированных медью, металлическая матрица (ферритная или ферритно-перлитная) существенно пересыщена медью. В процессе искусственного старения при
400-500оС происходит ее дисперсионное упрочнение за счет выделения медистой фазы.
Этот эффект значительно усиливается при дополнительном легировании чугуна молибденом. При рациональном комплексном легировании чугуна кремнием, медью и молибденом может быть обеспечена стабильность резко измельченной структуры чугуна с комплексом высоких механических свойств (выше, чем у чугунов стандартных марок).
5. С использованием выявленных структурных эффектов разработан и заявлен в качестве изобретения антифрикционный ферритный чугун с повышенными механическими
свойствами, особенностью структуры которого является высокая степень гетерогенизации
феррита за счет спинодального расслоения и дисперсионного упрочнения медистой фазой.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Давыдов, С.В. Структурные изменения в низкоуглеродистой стали при деформации в условиях трения
качения/ С.В. Давыдов, В.Я. Жарков, В.М. Сканцев // Металловедение и термическая обработка металлов. – 2007.- №8. - С. 39-43.
2. Давыдов, С.В. Разупрочнение элементов триботехнической пары трения качения в конвейере с подвесной лентой/ С.В. Давыдов, Г.И. Сильман, В.Н. Ивченко // Материаловедческие проблемы в машиностроении: сб. науч. тр./ под ред. Г.И. Сильмана. – Брянск: БГИТА, 1998.- С. 60-64.
3. Сильман, Г.И. О механизмах влияния меди на формирование структуры в чугуне / Г.И. Сильман, В.В.
Камынин, В.В.Гончаров // Металловедение и термическая обработка металлов. – 2007.-№8. - С. 16-22.
Материал поступил в редколлегию 26.12.11
24
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 1(33)
УДК 629.4.028.86
А.С. Васильев, Б.Г. Кеглин, А.П. Болдырев, А.П. Шлюшенков
РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ФРИКЦИОННОГО
АМОРТИЗАТОРА УДАРА С УПРУГИМ РАСПОРНЫМ УЗЛОМ
Представлена конструкция нового фрикционного амортизатора удара с упругим распорным узлом.
Разработана уточнённая математическая модель. Приведены результаты расчетов характеристик
амортизатора удара.
Ключевые слова: автосцепка, фрикционный амортизатор удара, упругий распорный узел, математическая
модель.
Большая часть подвижного состава в странах, входивших в СССР, оборудована пружинно-фрикционными поглощающими аппаратами. К их числу относятся аппараты Ш-1ТМ, которыми оснащены четырехосные грузовые вагоны постройки до 1979 г. Начиная с
1979 г. указанные вагоны оборудуются преимущественно аппаратами Ш-2-В и ПМК-110.
Для восьмиосных вагонов, а также восьмиосных тепловозов применяются аппараты аналогичной конструкции типа Ш-2Т, отличающиеся от аппаратов Ш-1-ТМ и Ш-2-В по габаритным размерам. В настоящее время новые грузовые вагоны оборудуются аппаратами
ПМКП-110 класса Т1, имеющими более высокие эксплуатационные характеристики. Все
эти поглощающие аппараты относятся к фрикционным.
Большая часть (75…90%) воспринимаемой аппаратами данного типа кинетической
энергии соударяющихся вагонов преобразуется в тепловую энергию фрикционного взаимодействия деталей фрикционного узла и частично в потенциальную энергию сжатия
пружин или полимеров подпорно-возвратного устройства [1].
Основной недостаток фрикционных аппаратов – относительно низкие значения коэффициентов полноты силовой характеристики (0,23 … 0,32) и соответственно энергоёмкости (меньшие значения – для аппаратов с парой трения «сталь-сталь», большие значения – для пары трения «сталь-металлокерамика»). При применении пары трения «стальсталь» наблюдается специфический характер изменения продольных сил и склонность к
заклиниванию. Другим известным недостатком серийных фрикционных аппаратов является невыгодная для условий работы в поезде силовая характеристика: высокое начальное
усилие и значительная зона застоя (анкилозис) приводят к слабой связи силы и хода аппарата, поэтому большую часть времени переходного процесса аппараты практически не работают, а динамические процессы поезда определяются в основном упругодиссипативными свойствами системы «вагон-груз» [2].
Для решения этих проблем были созданы конструкции аппарата ПМКУ-110 и аппарата типа «Во-Гуд» (рис. 1). Во фрикционной части этих аппаратов применяются распорные узлы, которые в процессе удара прижимают фрикционные подвижные пластины к
стенкам корпуса, создавая необходимое распорное усилие на основных поверхностях трения. В аппарате ПМКУ-110 используется блок с распорными плунжерами, заполненный
резиной, а в аппарате типа «Во-Гуд» в качестве распорного узла выступают рессоры. Такой способ создания давления на главных поверхностях трения обусловливает устойчивость работы аппарата типа «Во-Гуд» и аппарата ПМКУ-110 и отсутствие для них скачков
силы при ударе. Но из-за существенных недостатков эти аппараты не отвечают современным требованиям, предъявляемым к поглощающим аппаратам. Так, в аппарате типа «ВоГуд» при существующих размерах автосцепного устройства затруднено размещение рессор необходимой жесткости. Это обусловлено большими углами наклона главных поверхностей трения, которые необходимо задавать при использовании малоэнергоемкого
25
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 1(33)
а)
б)
Рис. 1. Конструкции поглощающих аппаратов с распорным узлом:
а – аппарат типа «Во-Гуд»; б – аппарат ПМКУ-110
пружинного комплекта. Энергоемкость аппаратов этого типа
низка. Кроме того, ввиду использования в этом аппарате
стальных пружин не исключены
их изломы или усадка в ходе
эксплуатации и, как следствие,
выход аппарата из строя. Аппарат ПМКУ-110 обладает достаточно сложной и ненадежной
конструкцией, а из-за старения
резины в распорном блоке с течением времени и под влиянием
различного рода эксплуатационных факторов (температуры,
солнечной радиации, состава
окружающей газовой среды) си-
ловая характеристика аппарата может меняться.
С целью устранения указанных недостатков
9
12
авторами была разработана конструкция нового
3
5
перспективного
фрикционного
поглощающего
4
аппарата автосцепки с упругим распорным узлом
10
(рис. 2).
Б
Поглощающий аппарат содержит полый четы2
А
рехгранный корпус 1, в котором расположены
11
фрикционные подвижные пластины 2, распорный
1
узел, состоящий из цилиндра 3, штока 4 и крышки
5, толкатель 6, опирающийся на комплект полимерных элементов 7, разделенных между собой пласти6
нами 8, массивная оправка 9. Распорный узел выполнен в виде цилиндра 3, внутри которого разме8
щен шток 4. Цилиндр закрывает крышка 5, в которой располагаются уплотнения 10. Рабочие камеры
7
цилиндра А и Б заполнены объёмно-сжимаемой
композицией 11.
Фрикционный поглощающий аппарат работает
следующим образом. Под действием усилия, передаваемого от автосцепки массивной оправке 9 и
фрикционным подвижным пластинам 2 через упорную плиту 12, они перемещаются, приводя в движение толкатель 6 и комплект полимерных элементов
Рис. 2. Конструкция аппарата
7. Благодаря наклону стенок корпуса 1 - под дейстс упругим распорным узлом
вием удара - включается в работу распорный узел.
При этом объёмно-сжимаемая композиция 11 за счёт уменьшения общего объема камер А
и Б сжимается, а также продавливается из камеры А в камеру Б через кольцевой зазор между цилиндром 3 и штоком 4 и через калиброванные отверстия в штоке 4, создавая распорное усилие между фрикционными подвижными пластинами 2 и корпусом 1. За счёт
наклона стенок корпуса 1 и фрикционных подвижных пластин 2 при перемещении пластин внутрь корпуса распорный узел дополнительно сжимается. По мере внедрения штока
4 в цилиндр 3 сила прижатия фрикционных подвижных пластин к корпусу увеличивается.
26
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 1(33)
После прекращения действия силы удара фрикционные подвижные пластины возвращаются в первоначальное положение толкателем 6. Под действием усилия, передаваемого от
автосцепки массивной оправке 9 и фрикционным подвижным пластинам 2, и подпорного
усилия со стороны комплекта полимерных элементов 7 создается давление на главных поверхностях трения фрикционного поглощающего аппарата, что при их взаимном перемещении приводит к поглощению энергии удара. Основная часть энергии удара поглощается
на главных поверхностях трения - поверхностях прилегания фрикционных подвижных
пластин 2 к корпусу 1. Частично энергия поглощается на вспомогательных поверхностях
трения - поверхностях соприкосновения упорной плиты 12, воспринимающей удар, и
фрикционных подвижных пластин 2 и поверхностях соприкосновения толкателя 6 с
фрикционными подвижными пластинами 2. Часть энергии воспринимается подпорным
комплектом полимерных элементов.
Применение во фрикционном амортизаторе распорного узла
0,5 P
такого типа и упругих полимерных элементов в качестве возвратно0,5 P f1
подпорного устройства повышает эффективность и стабильность
работы амортизатора. Во-первых, за счет нарастающего с ходом аппарата усилия прижатия фрикционных подвижных пластин к корпусу увеличивается сила трения и существенно снижаются фрикционные автоколебания при скольжении. Во-вторых, благодаря увеличению в 2 - 3 раза величины подпорного усилия удается уменьшить
угол наклона главных поверхностей трения, что позволяет размесN f3
Pв
тить между фрикционными подвижными пластинами распорный
узел необходимого габарита [5].
γ
N
На начальном этапе проектирования для определения основных параметров фрикционного поглощающего аппарата с упругим
распорным узлом был проведен статический расчет. Для нахождения статической силовой характеристики аппарата использовалась
расчётная схема, представленная на рис. 3.
Для определения зависимости между силой сжатия амортизатора
P
и его ходом x рассматривалось равновесное положение фрик0,5
P
f
п 1
0,5 Pп
ционных подвижных пластин при выработанном полном конструкРис. 3. Расчётная схема тивном ходе аппарата, равном 120 мм. При этом распорный узел выполняет только распорную функцию, усилие сжатия аппарата не передается через него на подпорный комплект. Конструктивно это достигается за счёт зазоров между толкателем 6 и массивной оправкой 9, упорной плитой 12 и массивной оправкой 9. Таким образом, к каждой пластине прикладывается половина силы сжатия поглощающего аппарата P и половина силы сопротивления подпорного комплекта Pп. В таблице приведены силы, действующие на фрикционную подвижную пластину.
Таблица
Силы, действующие на фрикционную подвижную пластину
Обозначение
Наименование
P
Сила сжатия поглощающего аппарата
Pf 1 *
Сила трения от силы сжатия поглощающего аппарата
Pп
Сила сопротивления подпорного комплекта
Pпf 2 *
Сила трения от cилы сопротивления подпорного комплекта
Pв
Распорная сила от распорного узла
N
Нормальная сила на главной поверхности трения
Nf 3 *
Сила трения от нормальной силы
* f 1 , f 2 , f 3 – коэффициенты трения на вспомогательных и главных поверхностях трения соответственно.
27
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 1(33)
Уравнения равновесия рассматриваемой системы сил имеют вид
 Pв + 0,5 P f1 + 0,5 Pпf 2 + N f 3 sin(γ ) − Ncos(γ ) = 0,


 0,5P − 0,5Pп − N f 3 cos(γ ) − Nsin(γ ) = 0.
Упругая сила Рп моделируется полиномом 5-й степени, хорошо описывающим экспериментальные характеристики полимерного блока. Распорная сила от распорного узла
Рв зависит от внутреннего давления в распорном узле q, которое, в свою очередь, зависит
от объёмного сжатия эластомера, заполняющего распорный узел. По результатам исследований, выполненных в ОАО «ВНИИЖТ» [3], зависимость модуля объёмной упругости
от давления близка к линейной и с достаточной точностью может быть аппроксимирована
функцией вида
Bt = B0 + kq ,
где B 0 , k – постоянные коэффициенты, определенные на основе данных эксперимента.
Экспериментальная и теоретичеBt, МПа
ская зависимости модуля упругости от
4000
давления приведены на рис. 4.
2
Зависимость между давлением q в
3000
распорном узле и объёмной деформаци1
ей ε может быть выражена формулой
2000
B
(1)
q( ε ) = 0 (e kε − 1) .
1000
k
0
100
200
300
400
q, МПа
Рис. 4. Зависимость модуля упругости Bt от давления q:
1 - расчетные значения; 2 – экспериментальные
Объёмная деформация ε определяется выражением
ε = ΔV/V,
где ΔV - изменение объёма эластомера
внутри распорного узла; V - первоначальный объём рабочей камеры распорного узла. С
2
учётом того, что V = πD 2 l/4 , ∆V = π d øò xøò /4 , xøò = 2 x tg ( γ ) , где D – внутренний диаметр цилиндра распорного узла, d шт – диаметр штока распорного узла, l – расстояние от
задней стенки распорного узла до поршня в крайнем правом положении, x шт – ход штока,
определенный через ход аппарата, зависимость (1) примет окончательный вид
d шт 2tg (γ )
+ε 0 )
D 2l
− 1) ,
2
B
q ( x ) = 0 (e
k
k(
где ε 0 – начальная объёмная деформация эластомера, определяющая силу начальной затяжки распорного узла. На рис. 5 представлен график зависимости давления в распорном
узле от хода аппарата. Начальное давление в распорном узле составило 175 МПа, а давление при полном ходе – 281 МПа. При начальной объёмной деформации эластомера 9,5 %
объёмная деформация эластомера на полном ходе аппарата достигает 13,2%. При этом в
качестве эластомера использована композиция АДК, разработанная ООО «Астрохим» и
представляющая собой кремнийорганическое соединение, обладающее высокой объемной
сжимаемостью и вязкостью до 3000 Па·с, способное объёмно деформироваться до 20 %.
Окончательно распорная сила Рв определяется как
Pв ( x) = qS шт ,
где S шт – площадь поперечного сечения штока.
28
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 1(33)
На рис. 6 представлена силовая характеристика распорного узла. Сила начальной затяжки распорного узла составила 0,158 МН, а максимальная сила на полном конструктивном ходе достигла 0,26 МН.
q, МПа
300
Pв, МН
240
0,24
0,32
180
0,024
0
0,048
0,072
096
0,16
x, м
0
Рис. 5. Зависимость давления в распорном узле
от хода аппарата
0,024
0,048
0,072
0,096
x, м
Рис. 6. Силовая характеристика распорного узла
Выражение для силы сжатия поглощающего аппарата P на прямом ходе имеет вид
P( x) = −
Pп cos(γ ) + 2 Pв sin(γ ) + 2 f 3 Pв cos(γ ) + f 2 Pп sin(γ ) − f 3 Pп sin(γ ) + f 2 f 3 Pп cos(γ )
.
f1 sin(γ ) − cos(γ ) + f 3 sin(γ ) + f1 f 3 cos(γ )
На обратном ходе сила сжатия поглощающего аппарата P определяется как
P( x) =
Pп cos(γ ) + 2 Pв sin(γ ) − 2 f 3 Pв cos(γ ) −
f1 sin(γ ) + cos(γ ) +
P, МН
1,12
0,84
0,56
0,28
0,026
0,052
0,078
0,104
x, м
Рис. 7. Статическая силовая характеристика аппарата
0
v0
xv
xа
cv
qp
mv
ma
qc
αv
Рис. 8. Расчётная схема вагона с аппаратом
ний, описывающая процесс удара, имеет вид
29
f 2 Pп sin(γ ) + f 3 Pп sin(γ ) + f 2 f 3 Pп cos(γ )
.
f 3 sin(γ ) − f1 f 3 cos(γ )
На основании приведенных зависимостей построена статическая силовая характеристика поглощающего
аппарата (рис. 7). Статическая энергоёмкость аппарата составила 72 КДж, а
коэффициент полноты силовой характеристики – 0,56. Проектные характеристики аппарата соответствуют классу Т2 [4].
В процессе проектирования конструкции были разработаны и реализованы уточненные динамические математические модели аппарата.
Рассматривался
случай
удара
Р
вагона в неподвижный недеформируемый упор (рис. 8).
При расчете использовалась двухмассовая модель вагона.
Система дифференциальных уравне-
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 1(33)
mv xv + Pv = 0;
m x − P + P = 0;
 aa v a
B0 + kqc
 dqс =
( −Q + v tg (γ ) Sc );
 dt (Vc0 + 2 xa tg (γ ) Sc ) ср a

B0 + kqc
 dq p =
 dt (V + 2 x tg (γ ) S ) (Qср − va tg (γ ) S p );
p0 a
p

P = α (v − v ) + c ( x − x );
v v v a v v a
Pa = Py + 2 Ftr sign (va );

P = (1−η σ ( −v ) / 2)(c ( x + x ) + β ( x + x )3 + β ( x + x )5 ) + µ c v + c
0 1 0
2 0
p
ст 0
p p k
 y
Ftr = f (v )( qc Sc − q p S p ) / 2,

x − xmax σ 0 ( x − xmax );
2π ra 0 3
πr 4
3
где f (v) = f 0 e − bv ; Q CP =
(q c − q r )(1 + ε 2 ) + N 0 (q c − q r ) 0 + π rva 0 .
12υρ l
2
8υρ l
Здесь m v – масса вагона; x v , v v – перемещение и скорость массы m v соответственно;
m a – масса автосцепного устройства; x a , v a – перемещение и скорость массы m a ; S c , S p –
площади эффективного сечения камеры сжатия и камеры расширения распорного узла; q c ,
q р – давления в камере сжатия и камере расширения распорного узла соответственно; P y –
упругая cила от комплекта полимерных элементов; F tr - сила трения фрикционных подвижных пластин; Q CP –расход эластомера через дроссельные отверстия в поршне и зазор
между поршнем и внутренней стенкой цилиндра; r – радиус поршня; a 0 – кольцевой зазор
между внутренней стенкой цилиндра и поршнем; υ – кинематическая вязкость эластомера; ρ – плотность эластомера; l – длина поршня; N 0 – количество дроссельных отверстий;
r 0 – радиус дроссельных отверстий; B 0 – модуль упругости эластомера при атмосферном
давлении; k – параметр, зависящий от типа эластомера; V c0 , V p0 – начальные объемы камеры сжатия и камеры расширения распорного узла; с v – продольная жесткость вагона; α v –
вязкость вагона; с v – продольная жесткость корпуса аппарата; f 0 – коэффициент трения в
конце удара; b – постоянный коэффициент; x 0 – начальная затяжка комплекта полимерных
элементов; x max – конструктивный ход аппарата; γ - угол наклона стенок корпуса аппарата;
σ 0 (z) – функция Хевисайда; μ р , с р , β 1 , β 2 - коэффициенты, определяющие динамическую
характеристику полимерных блоков; μ р – коэффициент вязкого сопротивления полимера;
η ст - коэффициент необратимого поглощения энергии полимера при квазистатическом
сжатии.
Рассмотренная система дифференциальных уравнений решалась при следующих начальных условиях: x v = x a = 0; v v = v a = v 0 ; q c = q p = q 0 . Здесь q 0 - начальное давление в
камерах распорного узла, v 0 - начальная скорость массы m a .Численное интегрирование
системы дифференциальных уравнений проводилось для различных начальных условий, в
результате было установлено их влияние на силовую характеристику.
На рис. 9 показаны расчетные силовые характеристики серийного аппарата ПМКП 110 и проектируемого. По результатам расчетов были определены значения основных показателей работы фрикционного поглощающего аппарата с упругим распорным узлом:
– номинальная энергоемкость Е N = 108 кДж;
– максимальная энергоемкость Е max = 145 кДж;
– коэффициенты полноты силовых характеристик П = 0,75…0,83.
30
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 1(33)
Р, МН
ний:
Выводы по результатам исследова-
1) разработана эффективная конструкция
фрикционного поглощающего ап1
парата с упругим распорным узлом;
1,5
2) новый амортизатор по сравнению
с серийными фрикционными аппаратами
обладает большей энергоёмкостью и пол1
нотой силовой характеристики и соответ2
ствует классу Т2;
0,5
3) для решения вопроса о серийном
выпуске требуются дальнейшие исследования, включающие изготовление опыт0,04
0,08
0
x, м
ных образцов и проведение эксперименРис. 9. Силовые характеристики серийного аппарата тов.
2
ПМКП-110 (1) и проектируемого аппарата (2)
при начальной скорости соударения V0 = 1,62 м/с
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Манашкин, Л.А. Гасители колебаний и амортизаторы ударов рельсовых экипажей (математические модели): монография / Л.А. Манашкин, С.В. Мямлин, В.И.Приходько. – Днепропетровск: АРТ-Пресс, 2007.
-196 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. Феоктистов, И. Б. Упругие характеристики эластомерного материала для поглощающих аппаратов автосцепного устройства / И.Б. Феоктистов, А.Н. Степанов // Вестн. ВНИИЖТ. – 2003. – №5. – С. 1-2.
4. ОСТ 32.175–2001. Аппараты поглощающие автосцепного устройства грузовых вагонов и локомотивов.
Общие технические требования.
5. Заявка 2011150872 РФ. Фрикционно-полимерный поглощающий аппарат автосцепки / Васильев А.С.
Материал поступил в редколлегию 25.01.12.
31
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 1(33)
УДК 621.81.539.376+539.4
В.Я. Коршунов, П.Н. Гончаров, А.Н.,Прокофьев, О.А. Горленко
ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ КАЧЕСТВА ПОВЕРХНОСТНОГО
СЛОЯ ДЕТАЛЕЙ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ МАШИН
В ПРОЦЕССЕ МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ
Представлены основные положения теории управления качеством изготовления деталей сельскохозяйственных машин в процессе механической обработки на основе структурно-энергетического подхода к пластической деформации и разрушению металлов.
Ключевые слова: качество поверхностного слоя, параметры качества, структурно-энергетический подход,
теория управления качеством, механическая обработка.
Эксплуатационные свойства (износостойкость, усталостная прочность, коррозионная стойкость, контактная прочность и др.), характеризующие долговечность и надежность работы различных машин, в значительной степени зависят от параметров качества
(состояния) поверхностного слоя деталей (твёрдости HV о , шероховатости R z , остаточных
напряжений первого рода σ ост ), которые задаются при проектировании и формируются
различными технологическими процессами обработки.
В настоящее время при конструкторско-технологической подготовке производства выбор, назначение и технологическое обеспечение системы параметров качества деталей,
обеспечивающих повышение долговечности и надёжности эксплуатации изделия, ввиду
сложности проблемы осуществляются в основном эмпирическим или полуэмпирическим
путем с использованием различных методик статистической обработки экспериментальных данных.
В последние годы были сделаны попытки комплексного рассмотрения технологии
механической обработки металлов и ее влияния на долговечность деталей машин с позиций механики деформирования твердых тел, теплофизики, теории дислокаций и теории
подобия, которые позволили получить определённые положительные результаты. Однако
предложенные методы не могут претендовать на полное решение проблемы, так как не
учитывают структурно-энергетическое состояние материала обработанной детали (величины накопленной внутренней и упругой энергий U o , U eo , коэффициент перенапряжения
межатомных связей k σ , величину истинного предела текучести σ и.т ), которое в значительной степени влияет на формирование параметров качества поверхностного слоя при резании.
В связи с изложенным разработка научных основ формирования структурноэнергетических параметров состояния материала обрабатываемой детали (U o , U eo , k σ ,
σ и.т )и установление их взаимосвязи с параметрами HV 0 , R z , σ ост зависимости от технологических условий обработки (режимы резания, геометрия режущего инструмента, тип
СОТС), а так же обоснование и реализация путей управления качеством изделия являются
важной научно-технической проблемой.
Для решения данной проблемы необходимо использование структурно-энергетического подхода на основе положений механики деформирования, теории резания, теории
дислокаций, термодинамики, термокинетики, теплофизики и др.
Согласно первому закону термодинамики, баланс энергии в процессе пластической
деформации материла при резании записывается в виде [1;2]
.
(1)
Согласно уравнению (1), скорость изменения внутренней энергии будет равна
32
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 1(33)

U = ω − q − U П .
При этом следует учитывать начальный уровень внутренней энергии U о , накопленной материалом до деформирования, которая состоит из упругой энергии дефектов U eо и
тепловой составляющей U то , определяемой температурой нагрева детали T i в процессе резания:
U = U 0 + ∆U = U e 0 + U T 0 + ∆U ei + ∆U Ti .
Большая часть мощности деформирования ω превращается в тепловую энергию и
рассеивается в окружающей среде за счет теплообмена, незначительная ее часть остается
в материале, повышая тепловую составляющую U Ti внутренней энергии. Меньшая часть
накапливается в виде упругой энергии деформации U ei , а также расходуется на поворот
субблоков и зёрен на определённый угол в процессе резания (U п ), т. е. учитываются как
трансляционная, так и ротационная моды деформации твёрдых тел.
В термодинамической теории прочности и разрушения материалов за интегральную
меру повреждаемости и критерий разрушения приняты плотность внутренней энергии и
её критическое значение U * , накапливаемое в деформируемых микрообъёмах и, согласно
структурно-энергетической теории прочности твёрдых тел, предложенной В.С.Ивановой,
равное энтальпии плавления в жидком состоянии H S , т.е. U * = H S . Термодинамический
критерий разрушения экспериментально доказан автором статьи В.Я. Коршуновым при
шлифовании, С.В. Хачатурьяном и Р.В. Ромашовым - при абразивном трении и циклическом нагружении [1].
Для прогнозирования упрочнения (твёрдости HV i ) и разрушения материалов в процессе механической обработки необходимо рассчитывать величину накапливаемой в микрообъёме упругой (скрытой) энергии деформации U ei с учётом её высвобождения и диссипации. Использование начального (U eо ) и критического (U e* ) уровней упругой энергии
дефектов, а также получение формул для их расчёта позволяет предложить дислокационно-термодинамическую схему для расчёта величины U ei в микрообъёме заготовки при
резании с учётом силового и температурного факторов:
ti,
(2)
где G – модуль сдвига; γ – поверхностная энергия; σ и.т – истинный предел текучести, характеризующий переход от упругой деформации к пластической; τ i – напряжение сдвига в
зоне резания; b–вектор Бюргерса; n d.n.c – количество дислокаций в плоскости скольжения;
k–постоянная Больцмана; h–постоянная Планка; Ti – средняя температура остывания обработанной заготовки; U э.а.i – средняя величина энергии активации аннигиляции дефектов
при охлаждении; ∆t – время деформирования; t i – время остывания заготовки после резания.
Согласно принятой в настоящее время инженерной методике расчета, радиальное
сжимающее напряжение σ r в любой точке первой зоны резания (рисунок) с радиусомвектором R r будет равно
(3)
33
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 1(33)
где R p – равнодействующая сила резания, зависящая от режимов резания, геометрии инструмента и типа СОТС; β 1 – угол сдвига.
Радиальное сжимающее напряжение σ rз в определённой точке контакта вновь образованной поверхности детали с задней поверхностью инструмента (зона 2 на рисунке), согласно формуле Буссинеска, определяется соотношением
(4)
где R з – равнодействующая сила трения на задней поверхности инструмента.
На основе структурно-энергетического подхода к описанию процесса пластической
деформации металлов установлена взаимная связь между
накопленной микрообъёмом при резании упругой энергией дефектов U ei и его твёрдостью HV i в виде

 U e∗
U − U TO − U eo 
 (HV∗ − HVo )
− ∗
U ei − HVo 
HV
HV∗ − HVo 
∗m


HVi =
.
U ∗ − U eo − U TO
1
(5)
2
Для обеспечения заданной глубины упрочнения,
которая определяется по формулам (3-5), необходимо
обеспечить рациональные режимы точения и угол сдвига
Рис. Схема обработки детали
при обработке конкретного материала.
резцом: 1–зона деформирования
Для определения радиуса-вектора действия оптиметалла перед режущей кромкой;
мальной (HV оп ) и критической (HV * ) твёрдости обраба2 – зона контакта поверхностного
тываемого материала в формулы (2-4) необходимо подслоя детали с задней поверхноставлять величину оптимального напряжения σ оп (τ I ) или
стью инструмента; 3 – зона конмаксимального предела прочности σ вm .
такта стружки с передней поТеоретически обосновано и экспериментально докаверхностью инструмента
зано, что для расчёта остаточных технологических напряжений первого рода σ ост , которые во многом определяют
усталостную прочность деталей машин, необходимо использовать (для учёта упругой разгрузки) величину истинного предела текучести σ и.т , определяемую по коэффициенту перенапряжения межатомных связей k σ , а не физического σ т . В основу методики положена
формула Пайерса-Набарро, которая позволяет рассчитывать касательное напряжение, возникающее при деформации материалов между двумя атомными слоями, прилегающими к
плоскости скольжения [3;4]. Такая замена значительно повышает точность расчёта остаточных технологических напряжений σ ост в поверхностном слое детали после резания и не
требует применения дополнительных уточняющих коэффициентов или функций [5]. Таким образом,
σ ост = (σ тi ±σ ri ) ± σ и.т ,
где σ тi – тепловые напряжения; σ ri – силовые напряжения в детали.
На основе коэффициента перенапряжения межатомных связей k σ получена зависимость для расчёта истинного предела текучести σ и.т :
σ и.т = (А/В)1/n .
34
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 1(33)
Здесь
; В = 2πс. Параметры с, n определяют, используя значе-
ние вектора Бюргерса, а также величину взаимного смещения двух атомов, расположенных один против другого.
На основе изложенного были получены зависимости для расчёта остаточных технологических напряжений 1-го рода в процессе механической обработки. В качестве примера запишем полученное уравнение для расчёта остаточных напряжений σ ост после обтачивания сплошного однородного цилиндра:
где r – радиус цилиндра; ΔT i – разница температур; n,c – константы.
Следует отметить, что предложенная методика позволяет учитывать при определении остаточных напряжений не только силовой и температурный факторы, но и форму и
размеры обрабатываемой детали.
Предложенный расчётно-аналитический метод прогнозирования закономерностей
формирования параметров качества поверхностного слоя детали на основе структурноэнергетического подхода к процессу деформирования и разрушения твердых тел позволяет обосновать и реализовать пути управления качеством изделия в процессе резания. В
качестве целевой функции используется минимальная себестоимость обрабатываемой детали, которая позволяет разработать технологию изготовления детали с максимальной
производительностью и минимальной себестоимостью. Для решения данной задачи разработана специальная программа для ПК.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Фёдоров, В.В. Кинетика повреждаемости и разрушения твёрдых тел / В.В. Фёдоров. – Ташкент: Фан,
1985. – 167с.
2. Коршунов, В.Я. Определение параметров упрочнения поверхностного слоя детали в процессе резания на
основе принципов синергетики / В.Я. Коршунов // Изв. вузов Сев. – Кав. региона. Техн. науки.– 1999. –
№1. – С. 32 – 35.
3. Штремель, М.А. Прочность сплавов. Дефекты решетки / М.А. Штремель. – М.: Металлургия, 1982. –
183 с.
4. Коттрел, А. Теория дислокаций / А. Коттрел. – М.: Мир, 1969. – 437 с.
5. Коршунов, В.Я. Расчет предела усталости металлов по величине коэффициента перенапряжений межатомных связей / В.Я. Коршунов // Вестник машиностроения. – 1997. – №9. – С.32 – 34.
Материал поступил в редколлегию 12.01.12.
35
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 1(33)
УДК 621.86
А. А. Реутов, С. Л. Эманов
РАСЧЁТ МЕХАНИЗМА УПЛОТНЕНИЯ ГРУЗОЗАХВАТНОГО
УСТРОЙСТВА ДЛЯ ПАКЕТОВ СИЛИКАТНОГО КИРПИЧА
Рассмотрена конструкция и приведена методика расчёта механизма уплотнения грузозахватного устройства
для пакетов силикатного кирпича. Приведены некоторые результаты расчётов.
Ключевые слова: грузозахватное устройство, механизм уплотнения, пакет кирпича, силикатный кирпич.
Основной причиной разрушения пакетов силикатного кирпича, перевозимых автотранспортом, являются зазоры между кирпичами в пакете. Зазоры препятствуют распространению в середину пакета сжимающих сил от гибкой обвязки. Поэтому под действием
транспортных нагрузок разрушение пакетов начинается с выпадения кирпичей из средней
части пакета. Это приводит к ослаблению натяжения обвязки и дальнейшему разрушению
пакета. Повысить сохранность можно путём уплотнения пакета кирпича грузозахватными
устройствами во время погрузки. Конструкция грузозахватного устройства с механизмом
уплотнения приведена на рис. 1. Предлагаемое грузозахватное устройство позволяет совместить грузоподъёмную операцию с операцией уплотнения пакета.
Грузозахватное устройство содержит плиту 1, с двух сторон которой на осях 2 установлены захватные рычаги 3 с петлями 4 и опорными уголками 5. К опорному уголку 5
крепятся внутренняя подкладка 6 и эластичная обвязка 7, имеющая скобы 8. Между внутренней подкладкой 6 и скобой 8 находятся уплотняющие скалки 9, соединённые тросами
10 с траверсой 11, имеющей петли 12. Верхний конец внутренней подкладки 6 закреплён
на плите 1, а верхний конец эластичной обвязки 7 крепится к механизму натяжения 13.
Рис. 1. Грузозахватное устройство с механизмом уплотнения скалками
Грузозахватное устройство работает следующим образом. Для установки на пакет
кирпича грузозахватное устройство поднимают краном за петли 4, закреплённые на за36
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 1(33)
хватных рычагах 3. При этом захватные рычаги 3 поворачиваются на осях 2 и разводят в
стороны опорные уголки 5. Расхождение опорных уголков 5 ограничивается тросами 10,
закреплёнными между траверсой 11 и скалками 9. В результате натяжения тросов 10 траверса 11 прижимается к плите 1. Грузозахватное устройство опускают на пакет кирпича,
установленный на поддоне 15.
Плиту 1 грузозахватного устройства укладывают на пакет кирпича, захватные рычаги 3 опускаются, и опорные уголки 5 заходят под поддон 15. В таком положении траверса
11 лежит на плите 1.
Крюки снимают с петель 4 и цепляют за петли 12, закреплённые на траверсе 11. При
подъёме за петли 12 траверса 11 поднимается, взаимодействует с механизмом натяжения
13, который натягивает эластичную обвязку 7 и фиксирует её натяжение.
При дальнейшем подъёме траверса 11 при помощи тросов 10 протягивает скалки 9
между внутренними подкладками 6 и эластичными обвязками 7 вдоль боковых поверхностей пакета. При движении вдоль поверхности пакета скалки 9 сдвигают кирпичи и уплотняют пакет. Скалки 9 достигают плиты 1, давят на короткие плечи 14 захватных рычагов 3 и прижимают опорные уголки 5 к поддону 15. Пакет кирпича поднимают и устанавливают в кузов автомобиля.
Для освобождения пакета кирпича траверсу 11 опускают и укладывают на плиту 1.
При этом натяжение эластичной обвязки 7 уменьшается. После этого грузозахватное устройство поднимают за петли 4 и снимают с пакета.
Механизм уплотнения содержит внутреннюю подкладку 6, эластичную обвязку 7 со
скобами 8, механизм натяжения 13, уплотняющие скалки 9, тросы 10 и траверсу 11 с петлями 12. Механизм уплотнения должен полностью сжимать горизонтальные ряды, на которые передаются горизонтальные силы от эластичной обвязки [3]. Для пакета кирпича,
изображенного на рис. 2, это пятый, седьмой, восьмой и девятый ряды.
Для пакета кирпича заданной формы необходимо определить следующие параметры
механизма уплотнения: радиус уплотняющих скалок R C , угол наклона троса γ i , жесткость
при растяжении эластичной обвязки E F и её начальное натяжение S 0 .
Форма пирамиды кирпича характеризуется количеством кирпичей n i в каждом ряду пакета. Определяем координаты точек, в которых изменяется угол наклона эластичной обвязки (рис. 2):
y k =h i , x k =b (n i –n 1 ) / 2,
где h - высота кирпича; b - ширина кирпича; i - номер
ряда; k – номер угла.
Углы наклона участков эластичной обвязки определяем по формуле
α k = arctg (( y k − y k −1 ) /( x k − x k −1 ) .
Длины прямолинейных участков эластичной обвязки
l k = ( x k − x k −1 ) 2 + ( y k − y k −1 ) 2 .
Длина ветви эластичной обвязки
L = ∑ lk .
Натяжение участков эластичной обвязки определяется уравнением Эйлера для гибкой нити :
Рис. 2. Схема участков ветви
S k = S k+1 е fp φ ,
(1)
эластичной обвязки
где f p - коэффициент трения эластичной обвязки о кирпич;
φ=α k – α k+1 (рад). Определение натяжения эластичной обвязки с учетом смещения крайних кирпичей ряда при уплотнении технологических зазоров эластичной обвязкой рассмотрено в [3].
37
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 1(33)
При выходе скалки из скобы и продвижении её вдоль поверхности пакета изменяются углы наклона, удлинение и натяжение участков обвязки (рис. 3).
Углы наклона обвязки при прохождении скалки по рядам
пакета определяем по формулам
α i1 = arcsin(RC / ( xi − xin1 − ∆vi + RC ) 2 + ( yi − yin1 ) 2 ) +
+ arctg(( xi − xin1 − ∆vi + RC ) /( yi − yin1 ));
α i2 = arcsin(RC / ( xi − xin 2 − ∆vi + RC ) 2 + ( yi − yin 2 ) 2 ) −
− arctg((xi − xin 2 − ∆vi + RC ) /( yi − yin 2 ))+ 90 ,
где i - номер ряда, в котором находится скалка; xin1 и yin1 - координаты точки n1 перегиба гибкой обвязки ниже скалки; xin 2 и
yin 2 - координаты точки n2 перегиба гибкой обвязки выше скалки; Δv i – горизонтальное перемещение крайнего кирпича i -го
ряда.
Величина удлинения наружной обвязки (рис. 4) при наРис. 3. Углы наклона обвязхождении скалки в i -м ряду пакета определяется как
ки при прохождении скалки по рядам пакета
ΔL i =l 1 +l 2 +l p – Σ l k ,
где l 1 - расстояние от точки касания до точки перегиба n1 наружной обвязки ниже скалки; l 2 - расстояние от точки касания до точки перегиба n2 наружной обвязки выше скалки; l p - длина дуги,
где обвязка охватывает скалку; Σl k - сумма длин участков обвязки
между точками n1 и n2 до выхода скалки из скобы.
При прохождении скалки по рядам пакета изменяется угол γ i
наклона троса (рис. 5), который зависит от количества кирпичей в
каждом ряду. Угол γ i наклона троса при нахождении скалки в i- м
ряду пакета определяем из выражения
γ i =arcos((R C +b n i /2)/l T ),
где R C - радиус скалки; l T - длина троса.
Длину троса, зависящую от
принятого угла наклона для первого ряда γ 1 , определяем по
формуле
Рис. 4. Определение
l T =(R C + b n 1 /2)/cosγ i .
удлинения гибкой обвязки
Анализ силового взаимодействия скалки с внутренней подкладкой и наружной обвязкой рассмотрен в [1]. Силы, действующие на скалку
круглого сечения, показаны на рис. 6. Равномерное качение скалки без проскальзывания по поверхности пакета описывается системой уравнений
FC cos γ i − N + S1 sin α i1 + S 2 sin α i2 = 0 ;
(2)
FC sin γ i − FTP − S1 cos α i1 + S 2 cos α i2 = 0 ;
Рис. 5. Изменение углов
S1 − FTP − S 2 + k n N / RC = 0 ,
наклона троса
где F с - сила протягивания скалки; N - нормальная реакция поверхности пакета; F TР - сила трения скалки по поверхности пакета; k n - коэффициент трения качения скалки по поверхности пакета.
38
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 1(33)
Рис. 6. Силы, действующие
на скалку
Поскольку на всей поверхности контакта скалки с наружной обвязкой происходит скольжение, соотношение сил
S 1 и S 2 описывается уравнением (1).
Условием качения скалки без проскальзывания по поверхности пакета является
F TP < f n N,
(3)
где f п - коэффициент трения скольжения скалки по внутренней подкладке.
Система трёх уравнений (2) содержит 5 неизвестных сил
(F С , F ТР , N, S 1 , S 2 ). Определение сил натяжения участков наружной обвязки S 1 и S 2 , зависящих от её растяжения ΔL i после выхода скалки из скобы рассмотрено в [1].
Тогда решение системы (2) с учётом условия (3) позволяет определить силы N и F С .
При решении системы уравнений необходимо учитывать
следующие ограничения:
- проекция силы F С на ось Y должна быть меньше поло-
вины веса пакета;
- сила N должна находиться в пределах N T < N< [N] , где N T - сумма сил трения, которые необходимо преодолеть, чтобы сдвинуть кирпичи к центру пакета [2; 4]; [N] – сила,
при которой происходит скол углов кирпича (сила [N] зависит от предела прочности кирпича при сжатии).
Выполненные расчёты показали, что N T max - в пятом ряду, а N/N T max - в седьмом.
Поэтому на рис. 7 приведены результаты расчётов только для пятого и седьмого рядов
пирамиды кирпича (представлена зависимость отношения N/N T от радиуса скалки R c при
различных углах наклона троса γ 1 и жесткости гибкого элемента при растяжении E F
=80 кН).
Горизонтальное перемещение крайнего кирпича i-го ряда Δv i является случайной величиной, зависящей от размера технологического зазора Δd между соседними кирпичами
в горизонтальных рядах пакета и от количества уплотнённых зазоров. Поэтому отношение
сил N/N T может находиться в пределах от минимального, когда зазор имеет максимальные
размеры, до максимального, когда зазор - минимальный.
Проведенные теоретические исследования позволили определить, как изменяется
радиус скалки в зависимости от жесткости гибкого элемента и угла наклона троса для
первого ряда (рис. 8).
N/NT
N/NT
RC, мм
1,5
2,0
45
1,0
1,5
40
0,5
1,0
35
0
мм
30
35
40 R C , мм
30
0,5
30
35
40 R C ,
а)
б)
Рис. 7. Зависимость отношения сил N / N T от радиуса скалки R c и
угла наклона троса γ 1 : а - для пятого ряда; б - для седьмого ряда (величина зазора Δd= 0,002 м)
39
60
70
80 E F , кН
Рис. 8. Зависимость радиуса
скалки R С от жесткости гибкого
элемента E F и угла наклона троса
для первого ряда γ 1 при S 0 =300 H
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 1(33)
Приведенные на рис. 8 зависимости R С , E F и γ 1 обеспечивают отношение N / N T в
пределах 1,0…2,2 при Δd= 1…3 мм.
Для устранения провисания гибкой обвязки на всех участках необходимо
предварительное её натяжение S 0 = 100…300 H. Это обеспечит натяжение самого удалённого участка гибкой обвязки.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Реутов, А.А. Силовой анализ устройства уплотнения пакетов силикатного кирпича, перевозимых автотранспортом/ А. А. Реутов, С. Л. Эманов // Вестн. ОГУ.- 2006. - №10. - Ч. 2.- С. 393-396.
2. Реутов, А.А. Влияние образования блока на сохранность транспортного пакета силикатного кирпича / А.
А. Реутов, С. Л. Эманов // «Изв. ОрелГТУ. Серия «Строительство. Транспорт». - 2007. -№ 1 - С. 70-73.
3. Эманов, С.Л. Взаимодействие эластичной обвязки с пакетом кирпича /С.Л. Эманов // Вестн. БГТУ. –
2009. – №3. – С.74-77.
4. Реутов, А.А. Грузозахватные устройства и средства пакетирования силикатного кирпича: монография /
А.А. Реутов, С.Л. Эманов. – Брянск: БГТУ, 2010. – 147 с.
Материал поступил в редколлегию 18.01.12.
40
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 1(33)
УДК 629.05.539.4
В.П.Лозбинев, Ф.Ю.Лозбинев
АКТУАЛЬНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ
В ОБЛАСТИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ВАГОНОВ
Рассмотрены возможности совершенствования процесса проектирования конструкций вагонов. Изложены
вопросы параметрической и структурной оптимизации. Приведено описание алгоритмов структурной оптимизации. Сформулированы перспективные направления исследований.
Ключевые слова: проектирование вагонов, несущая конструкция, целевая функция, ограничения, параметрическая оптимизация, структурная оптимизация, направления исследований.
Процесс проектирования имеет важное значение для обеспечения конкурентоспособности конструкций машин.
До настоящего времени в процессе проектирования вагонных конструкций используются традиционные подходы, при которых размеры несущих элементов назначаются
конструктором на основе имеющегося опыта. Назначенные размеры корректируются по
результатам расчетов на прочность, устойчивость и долговечность, а также по данным испытаний опытных образцов. Однако и после корректировки не удаётся обеспечить одинаково эффективную работу всех несущих элементов: всегда имеются такие, в которых напряжения значительно меньше допускаемых, что свидетельствует о недостаточной эффективности использования их материала и излишней материалоёмкости конструкции.
Кузова вагонов представляют собой сложные пространственные статически неопределимые системы, в которых параметры каждого элемента влияют на распределение
внутренних усилий в других элементах. Поэтому одной интуиции и опыта проектирования недостаточно, чтобы эффективно включить в работу все несущие элементы, обеспечив минимальную металлоёмкость.
Выход состоит в использовании теории оптимального проектирования конструкции.
Задача оптимального проектирования несущих конструкций формулируется следующим
образом: необходимо определить такие размеры несущих элементов и координаты их
размещения, при которых будут выполнены ограничения по прочности, устойчивости, надёжности, а также конструктивные и функция цели будет иметь экстремум.
Упомянутая функция характеризует принятый критерий качества проектирования.
Это может быть металлоёмкость конструкции, её себестоимость или стоимость затрат на
изготовление и эксплуатацию.
Чтобы определить параметры (размеры несущих элементов), при которых функция
цели, например металлоёмкость конструкции, будет иметь минимум, необходимо функцию цели и функции ограничений выразить через параметры проектирования. Здесь возникает первая трудность в использовании теории оптимального проектирования для статически неопределимых несущих систем: решить эту задачу не удаётся. Приходится использовать методы нелинейного математического программирования, позволяющие найти
экстремум функции численным способом.
Вторая трудность связана с требованием высокой точности расчёта напряжений в
конструкции.
При оптимизации уточненные расчётные схемы необходимы, так как в итоге снижается металлоёмкость и напряжения во многих несущих элементах достигают допускаемых. Если напряжения по принятой упрощённой расчётной схеме окажутся заниженными,
то фактические напряжения в оптимизированном варианте могут превысить допускаемые
и оптимизация приведёт к отрицательному эффекту.
41
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 1(33)
Упомянутыми трудностями объясняется отставание практической реализации теории оптимального проектирования при создании вагонов.
При оптимальном проектировании может использоваться как параметрическая, так и
структурная оптимизация.
Применительно к кузовам вагонов параметрическая оптимизация предусматривает
определение оптимальных размеров несущих элементов, при которых функция цели, например металлоемкость кузова, будет минимальной и в то же время будут обеспечены
нормативные требования по прочности, жесткости, устойчивости и надежности. В этом
случае функция цели имеет вид
n
m
V(x i ) = ∑ l i ∑(δ i b j ) → min .
i=1 j=1
Здесь l i - длина несущего элемента; δ i ,, b j - соответственно толщина и ширина прямоугольного элемента поперечного сечения; п - число несущих элементов; т - число прямоугольных элементов в поперечном сечении несущего элемента.
Ограничение по прочности имеет вид
σ i – [σ] ≤ 0 .
Здесь σ i – максимальное напряжение в i-м несущем элементе от совокупности эксплуатационных нагрузок; [σ] - допускаемые напряжения.
Ограничение по устойчивости сжатых несущих элементов следующее:
σ кр
σ iсж –  ≤ 0 .
n
Здесь σ iсж – максимальное напряжение сжатия в i-м несущем элементе; σ кр – критическое напряжение, при котором несущий элемент теряет устойчивость; n – нормируемый
коэффициент запаса.
Ограничение по сопротивлению усталости, которое характеризует долговечность,
имеет вид
σ aN
σ aэi –  ≤ 0 .
nу
Здесь σ aэi – эквивалентная величина амплитуды динамических напряжений в i-м несущем элементе; σ aN – предел выносливости для натурного несущего элемента; n у – коэффициент запаса сопротивления усталости.
В кузовах вагонов при динамических нагрузках недостаточное сопротивление усталости может приводить к появлению трещин и внеплановым ремонтам. Вопрос осложняется тем, что в конструкции могут быть начальные трещины, связанные с технологией производства. Для надежной работы вагона в этом случае необходимо обеспечить, чтобы начальная трещина не росла или росла медленно. Время роста трещины характеризует живучесть несущего элемента и конструкции в целом. В связи с изложенным при оптимизации
целесообразно учесть ограничение по живучести:
Ni
T р –  ≤ 0 .
N год
Здесь N i – число циклов динамических нагрузок для роста начальной трещины до
регламентированной длины; N год – число циклов динамических нагрузок за 1 год; T р –
время (в годах) до планового ремонта.
Для оптимизации могут использоваться различные методы нелинейного программирования, в частности градиентный метод, модифицированный покоординатный и метод
42
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 1(33)
проектирования дискретно равнонапряжённой конструкции.
Процесс оптимизации является итерационным, включает внешние и внутренние циклы. На внешнем цикле проводится итерационный расчет конструкции для определения напряжений в несущих элементах. На каждой итерации внешнего цикла корректируются
размеры несущих элементов. Для этого осуществляется итерационный процесс на внутреннем цикле: размеры несущих элементов корректируются так, чтобы выполнялось ведущее ограничение.
Ведущим на каждой итерации внешнего цикла является ограничение, для которого
коэффициент запаса минимален.
Коэффициенты запаса:
- для ограничения по прочности:
[σ]
К П =  ;
n
- для ограничения по устойчивости:
σ кр
К П =  ;
n σ iсж
- для ограничения по сопротивлению усталости:
σ aN
К уст =  ;
n у σ aэi
- для ограничения по живучести:
Ni
К ж =  ≤ 0 .
N год T р
При структурной оптимизации варьируются количество однотипных несущих элементов, их координаты размещения в конструкции, форма поперечного сечения и общая
форма конструкции. Предпочтительным является одновременное выполнение структурной
и параметрической оптимизации, однако задача при этом значительно усложняется.
Для оптимизации структурных схем несущих конструкций кузовов вагонов, как показали исследования, выполненные авторами данной статьи, эффективными являются
следующие подходы:
1. Метод модификации формы стержневых несущих элементов.
2. Метод диагностических элементов. Здесь начальный вариант конструкции формируется из одинаковых диагностических элементов, например из прямоугольных пластин, подкрепленных по контуру и диагоналям стержнями. В процессе параметрической
оптимизации отдельные подкрепления увеличиваются в размерах, определяя направление силовых потоков и оптимальную структуру.
3. Метод избыточной структуры. При использовании этого метода назначается избыточное число несущих элементов, а затем выполняется параметрическая оптимизация
без ограничения на минимальные размеры сечений. В результате часть элементов вырождаются, а оставшиеся определяют оптимизированный вариант конструкции.
4. Градиентный метод с разделением вектора градиента по ортогональным направлениям, заключающийся в определении оптимального расположения в конструктивносиловой схеме уже имеющихся стержневых элементов, количество и форма сечений которых назначены проектировщиком или определены в результате использования метода
избыточной структуры.
Рассмотрим подробнее два последних подхода.
43
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 1(33)
Метод избыточной структуры. Алгоритм формирования оптимальной структурной
схемы несущей конструкции кузова вагона основан на вырождении несущих элементов
из назначенной проектировщиком структуры, заранее имеющей избыточное количество
подкрепляющих элементов. Оптимизация выполняется итерационным методом пересчета в
рамках принципа построения дискретно равнонапряжённой конструкции при отсутствии
конструктивных ограничений на габаритные размеры сечений несущих элементов. В исходном варианте избыточные подкрепляющие элементы предполагаются сварными. Прокатные элементы на данном этапе являются неоптимизируемыми.
Алгоритм представляет собой последовательность следующих процедур:
1. Задается структурная схема несущего кузова, заранее имеющая избыточное количество подкрепляющих элементов. Конструктивные ограничения на минимальные габаритные размеры сечений принимаются близкими к нулю. Максимальные габаритные
размеры сечений не ограничиваются.
2. Выполняется расчет несущей конструкции методом конечных элементов (МКЭ) на
заданные варианты нагрузки. В сечениях всех несущих элементов определяются максимальные напряжения, и рассчитывается исходная масса конструкции.
3. На внутреннем цикле по схеме метода наискорейшего спуска максимальные напряжения в сечениях всех оптимизируемых элементов выводятся на уровень допускаемых
с учетом 10-процентного штрафа при допущении о неизменности интегральных характеристик внутренних силовых факторов.
4. Конструкция на внешнем цикле рассчитывается по МКЭ на заданные варианты
нагрузки.
5. Проверяется выполнение ограничений по прочности.
Если ограничения не выполняются - процесс повторяется с п.3. При этом если в ходе выполнения внутреннего цикла требуется уменьшить размеры сечения какого-либо элемента с нарушением условных конструктивных ограничений на минимальные габаритные
размеры, то этот элемент из структурной схемы удаляется. Удаление выродившегося элемента осуществляется введением в граничные узлы, определяющие его размещение в
расчетной схеме МКЭ, по шесть элементарных связей, соответствующих шести степеням
свободы узла в глобальной системе координат. В результате элемент, несмотря на то что
он формально присутствует в системе, нагрузку не воспринимает и на напряженнодеформированное состояние других элементов не влияет.
Если ограничения по прочности выполняются - рассчитывается новое значение массы стержневой системы m(n+1) и вычисляется его относительное изменение по сравнению
с предыдущим значением m(n). Возможны следующие случаи:
а) (m(n) - m(n+1)) / m(n) ≤ ϕ - процесс завершается;
б) (m(n) - m(n+1)) / m(n) > ϕ - процесс продолжается с п.3.
Здесь ϕ - заранее заданная малая величина, например 0,01.
Изложенный метод оптимизации традиционно принято называть методом пересчета.
Однако термин «метод пересчета» справедлив и в тех случаях, когда во внутреннем цикле
используются другие алгоритмы (покоординатный, градиентный и др.), поскольку независимо от их типа на внешнем цикле осуществляется пересчет конструкции по МКЭ на
заданные нагрузки.
Модификация
структурной
схемы
методом
градиентного
поиска.
Главной задачей на этапе такой модификации несущей конструкции является определение оптимального расположения в структурной схеме имеющихся подкрепляющих элементов, количество которых задано заранее (или определено способом, изложенным выше). Решается сопряженная задача оптимизации, направленная на перераспределение силовых потоков в структурной схеме несущей конструкции с целью снижения максималь44
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 1(33)
ных напряжений в ведущей группе стержневых элементов. Целевая функция в математическом виде представляется следующим образом:
σ max = F (C 1x ,C 1y , C 1z , C 2x , C 2y , C 2z , ... , C nx , C ny , C nz ) → min .
Здесь C 1x , C 1y , C 1z и т. д. - координаты варьируемых узлов в глобальной системе
координат; n - количество варьируемых узлов.
Оптимизация выполняется при геометрических ограничениях
Li min ≤ L i ≤ Li max ,
которые требуют, чтобы линейный размер каждого элемента L i (длина) был не меньше
минимально допустимого Li min и не больше максимально допустимого Li max .
Исследованы два способа назначения ведущей группы элементов:
- ведущей назначается та группа, в которой находится наиболее нагруженный элемент;
- в качестве ведущей назначается та группа, которая стоит на первом месте в очереди параметрической оптимизации, т.е. с которой при оптимизации параметров сечений
можно снять наибольшую порцию металла.
Оба способа оказались приемлемыми для выбора ведущей группы стержневых элементов. Предпочтительность способа зависит от класса несущей конструкции и характера ее нагружения.
Для оптимизации структурной схемы разработан алгоритм градиентного метода с
разделением градиента по ортогональным направлениям. На рисунке изображен фрагмент
расчетной схемы МКЭ для несущей конструкции кузова грузового вагона.
Перед началом процесса структурной оптимизации назначаются группы узлов, положение которых в структурной схеме будет изменяться вдоль соответствующих осей системы координат.
Например, в направлении оси
O'X'
будет изменяться положение двух групп
узлов:
- группа 1: узлы
1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11;
- группа 2: узлы
12,13,14,15,16,17,18,19,
20,21,22.
В
направлении
оси O'Y':
- группа 3: узлы
23,8,24,19,25;
- группа 4: узлы
26,6,27,17,28.
В
направлении
оси O'Z':
- группа 5: узлы
29,3,30,14,31,32;
Рис. Фрагмент расчетной схемы МКЭ для несущей конструкции кузова грузового вагона
- группа 6: узлы
33,2,34,13,35,36.
45
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 1(33)
В процессе оптимизации координаты всех узлов в группе будут изменяться на одинаковую величину. Предусмотрено также зеркальное изменение координат симметричных
групп узлов. На все варьируемые координаты узлов устанавливаются геометрические ограничения.
Пробные вариации параметров проектирования (координат узлов расчетной схемы
МКЭ) осуществляются последовательно в двух направлениях: сначала в положительном
направлении вдоль соответствующей оси системы координат, а затем в отрицательном.
Для дальнейшего рассмотрения данной группы узлов выбирается та вариация (в положительном или отрицательном направлении), которая привела к наибольшему снижению
максимальных напряжений в ведущей группе стержневых элементов. Если вариации
группы узлов привели к увеличению максимальных напряжений в ведущей группе элементов, то положение этой группы узлов на данной итерации не изменяется.
В процессе модификации структуры параметры поперечных сечений не изменяются.
Длина стержневых элементов после модификации структуры пересчитывается.
Ведущей группой узлов назначается та, для которой компонент ε вектора градиента обобщенной целевой функции максимален (либо минимален). Эта группа узлов в процессе рабочего изменения своего положения получает смещение t c , равное одной условной единице (например, 1 см). Смещения остальных групп узлов пропорциональны отношению компонентов вектора градиента (ε i / ε).
При использовании градиентного метода важно выдерживать изменения ε i t c для
всех групп. В противном случае цель модификации параметров проектирования (изменение обобщенной целевой функции в нужном направлении) не достигается, так как искажается вектор градиента, определяющий направление хода процесса оптимизации. В
итоге на такой итерации шаг получается методом не градиентного, а случайного поиска,
что, естественно, снижает скорость сходимости процесса и ухудшает результат. Искажение компонентов вектора градиента могут вызвать в первую очередь конструктивные и
геометрические ограничения.
При различной чувствительности ведущей группы элементов к пробным вариациям
групп узлов (когда ε i >> ε k и ведущая группа узлов выбрана по ε min ) рабочее изменение
координат может привести к нарушению геометрических ограничений. Поскольку геометрические ограничения должны выполняться, можно на каждом шаге структурной оптимизации изменять положение только одной группы узлов (для которой значение компонента вектора градиента является максимальным). Однако более эффективным представляется при определении компонентов вектора градиента не рассматривать те группы,
для которых ε i отличаются от ε max на заранее заданную величину (например, в 10 раз).
Положение таких групп узлов на рассматриваемой итерации не изменяется.
Для определения оптимального размещения стержневых элементов в структурной
схеме несущей конструкции разработан следующий алгоритм:
1. После пробных вариаций групп узлов структурной схемы по соответствующим
направлениям общей системы координат осуществляется предварительный расчет компонентов вектора градиента:
n
ε i = (∆σ max / ∆C ik ) / √ ∑ (∆σ max / ∆C jk )2 .
j=1
Здесь ∆σ max - наибольшее изменение максимальных напряжений в несущей конструкции, вызванное двумя последовательными вариациями ∆C ik i-й группы узлов вдоль
соответствующей оси системы координат - сначала в положительном направлении (k=1),
а затем в отрицательном (k=2). Величина n равна количеству групп узлов, изменяющих
свое положение вдоль той же оси, что и группа с номером i. В расчете компонента вектора градиента группы с номером i участвуют только те группы узлов, координаты кото46
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 1(33)
рых варьируются в одном направлении с i-й группой. В результате применения такого
принципа расчета вектор градиента оказывается как бы разделенным по ортогональным
направлениям. Этот прием улучшает сходимость алгоритма по сравнению с другим способом, когда в расчете ε i участвуют все варьируемые группы узлов.
2. Определяется группа узлов, для которой абсолютная величина ε является максимальной.
3. Для каждой группы узлов вычисляется отношение
x i = max ε k / ε i .
4. Окончательно вычисляются компоненты вектора градиента, причем те группы,
для которых x i > 10, в расчете не участвуют.
5. Ведущей назначается группа узлов, для которой абсолютная величина нового
компонента вектора градиента является минимальной.
6. Для ведущей группы узлов назначается величина рабочего шага t c , равная 1 см.
Для остальных групп величины смещений узлов пропорциональны компонентам вектора
градиента, т.е.
∆С i = (ε i / ε вед ) t с .
Если в процессе рабочего изменения положения j-й группы оказывается, что ∆С j
требует нарушения геометрических ограничений, возможны следующие способы продолжения:
- группа получает максимально допустимое смещение;
- компоненты вектора градиента пересчитываются, причем группа с номером j
из расчета исключается, и процесс повторяется с п. 5.
7. Процесс модификации структуры прекращается по желанию пользователя, когда
становится ясно, что дальнейшие вариации узлов расчетной схемы не приводят к существенному изменению максимальных напряжений в ведущей группе элементов.
В разработанном комплексе программ, осуществляющем модификацию структурной схемы, имеется процедура настройки рабочего шага на конкретные конструкции, что
расширяет возможности комплекса и позволяет оптимизировать несущие конструкции
различных классов.
Представляет интерес определение диапазона рабочих смещений координат узлов
структурной схемы, для которого искажение компонентов вектора градиента является незначительным. При определении такого диапазона в качестве ведущей можно назначить
группу узлов с максимальным значением ε i после их предварительного расчета. Тогда
величина рабочего шага для модификации структуры принимается равной величине этого
диапазона, т.е. t с = L д . Ведущая группа узлов получает смещение ∆С вед = L д , а остальные
группы ∆С i = (ε i / ε вед ) L д .
Модификация структурной схемы изложенным способом позволяет определять оптимальную форму стержневых элементов. Рабочие смещения узлов расчетной схемы
в соответствующих направлениях автоматически приводят к изменению формы некоторых балок. Так, смещения продольного элемента рамы вправо или влево определяют форму поперечных балок, имеющих переменные по длине сечения.
Однако форма стержневых элементов, полученная на этапе структурной оптимизации, может быть изменена на последующем этапе параметрической оптимизации,
поскольку может измениться размер по высоте смещенного сечения.
Разработанный алгоритм модификации структурной схемы позволяет оптимизировать и форму самого кузова. Например, если в расчетной схеме (рисунок) назначить еще
одну группу узлов (узлы 37,10,38,21,39,40) и позволить ей изменять свои координаты в
направлении осей О'Y' и O'Z' , то в результате оптимизации будут изменены углы наклона панелей обшивки крыши вагона и определена целесообразная форма ее ската.
47
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 1(33)
Применение изложенной методики к решению задач структурной оптимизации головных вагонов электропоездов позволит определять их оптимальные формы с учетом аэродинамики.
Представляют также интерес и другие аспекты оптимизации несущих систем вагонов.
В работе [1] предложена методика оптимального проектирования, включающая практический способ исследования оптимального варианта конструкции на глобальность оптимума. Здесь в качестве функции цели был принят объем металла в конструкции.
Дальнейшее развитие методов оптимизации несущих систем кузовов вагонов содержится в работе [2], где в качестве целевой функции принят критерий минимума затрат на
создание, эксплуатацию и ремонт вагона.
По проблеме оптимального проектирования кузовов вагонов получены 2 гранта (по
итогам конкурса научных работ в области фундаментальных проблем транспорта) [3]. В
Государственном фонде алгоритмов и программ зарегистрированы 16 программных
средств, образующих автоматизированную систему оптимизации несущих конструкций
подвижного состава железных дорог.
Внедрение полученных результатов в производство дало значительный подтверждённый экономический эффект при проектировании и модернизации грузовых вагонов
открытого типа.
На основании изложенного можно констатировать, что к настоящему времени в сфере оптимального проектирования несущих систем вагонов достигнуты определенные успехи. Однако остаётся недостаточно проработанным ряд задач. Это, прежде всего, задача
развития структурной оптимизации несущей конструкции.
Нерешённой является также задача оптимизации (параметрической и структурной)
при учёте ограничений по надёжности.
Реальные кузова вагонов содержат различные несовершенства (остаточные напряжения после сварки и сборки, начальные трещины, технологическая изогнутость несущих
элементов, рассеяние механических характеристик материалов, допуски на размеры,
уменьшение толщины обшивки из-за коррозии), поэтому важной является проблема разработки методики оптимизации кузовов вагонов с учётом различных начальных несовершенств.
Часто прочность несущей системы кузова вагона определяется конструкцией узлов
соединения несущих элементов. В связи с этим необходимо решить задачу структурной и
параметрической оптимизации упомянутых узлов.
Таким образом, для развития оптимального проектирования кузовов вагонов существует достаточно много направлений, реализовать которые ещё предстоит.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Лозбинев, В.П. Исследование напряженного состояния и разработка методики оптимального проектирования ортогонально подкрепленных тонкостенных пространственных систем кузовов грузовых вагонов:
автореф. дис.... д-ра техн. наук / В.П.Лозбинев. – М.: МИИТ, 1983.—43 с.
2. Лозбинев, Ф.Ю. Разработка научных основ оптимального проектирования несущих систем кузовов вагонов по критерию минимума затрат на создание, эксплуатацию и ремонт: автореф. дис.... д-ра техн. наук /
Ф.Ю.Лозбинев. –Брянск: БГТУ, 2001.—48 с.
3. Лозбинев, В.П. Теоретические основы конструирования оптимальных несущих систем вагонов / В.П. Лозбинев // Российские гранты в области транспортных наук. - М.: Минобразования РФ, 1994.
Материал поступил в редколлегию 2.02.12.
48
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 1(33)
УДК 621.9
Д.В. Левый, А.В. Тотай, В.П. Тихомиров
ФОРМИРОВАНИЕ КАЧЕСТВА ПОВЕРХНОСТИ
ПРИ ЛЕЗВИЙНОЙ ОБРАБОТКЕ ХРУПКИХ МАТЕРИАЛОВ
Рассмотрены особенности разрушения материала и формирования шероховатости в процессе обработки
хрупких материалов. Представлены теоретические уравнения взаимосвязи условий обработки с параметрами качества поверхности, позволяющие обеспечивать на деталях необходимую шероховатость.
Ключевые слова: обработка резанием, формирование шероховатости, хрупкий материал, качество поверхности.
Процесс резания хрупких материалов (графит, стекло, керамика и т.п.) по сравнению с резанием пластичных материалов имеет ряд особенностей, обусловленных их свойствами. Это приводит к цикличности процесса стружкообразования, который сопровождается образованием микростружки (пылевидной) и макростружки (надлома) (рис.1). При
перемещении лезвия инструмента из положения I, в котором сформировалась макростружка 1, на срезаемый слой зоны 2 заготовки будут действовать нормальные (σ) и касательные (τ) нагрузки (рис.1б), величина которых будет увеличиваться до σ в материала,
что неизбежно приведет к контактному разрушению в условиях сжатия с образованием
мелкой пылевидной стружки. Данный процесс будет продолжаться до тех пор, пока площадь контакта по передней поверхности лезвия не увеличится до некоторой критической
величины, при которой вновь произойдет скол и образование макростружки (положение
лезвия инструмента II (рис.1а)).
ΙΙ
1
Ι
Dr
Dr
2
Ф
L2
σ
А
O
В С
σ
hy
σΣ
L1
Ф
hy
a
Η
τ

а)
б)
Рис. 1. Схема зоны стружкообразования:а - последовательность циклов стружкообразования; б - условия формирования микростружки; 1-макростружка; 2-материал превращается
в микростружку; I, II – положения лезвия инструмента при формировании макростружки
Рассмотрев процесс обработки (рис.1) и сделав допущение, что на материал со стороны инструмента действует сила, вызывающая касательные и нормальные напряжения,
получаем следующее уравнение усилий, действующих на срезаемый слой:
τbL2 = σbL1,
где b- ширина площадки, на которую действуют касательные и нормальные напряжения;
L1 – длина площадки, на которую действуют нормальные сжимающие напряжения; L2 длина площадки, на которую действуют касательные напряжения.
(a − H ) .
L2 =
sin Φ
Здесь a – толщина среза; Н – величина хрупкоразрушаемого слоя радиусом округле49
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 1(33)
ния режущей кромки; Ф- условный угол сдвига.
Если касательные напряжения будут превышать предел прочности на сдвиг τ сдв , то
произойдет скол; если нет, то будет происходить хрупкое разрушение с образованием пылевидной стружки вследствие превышения нормальными напряжениями временного предела прочности σ в .
Учитывая все изложенное, получаем условия образования стружки при лезвийной
обработке графита:
τ СДВ (a − H )
- условие формирования микростружки;
L1 ≤
σ В sin Φ
τ СДВ (a − H )
- условие формирования макростружки;
L1 >
σ В sin Φ
σВ .
Φ = arctg
τ СДВ
При изготовлении деталей их качество оценивается по точности размеров и качеству
поверхностного слоя. Из множества параметров качества поверхностного слоя [1-3] стандартизованными являются только параметры шероховатости. Поэтому по их величине и
оценивается в большинстве случаев качество поверхностного слоя.
Спрогнозировать величину высотных параметров шероховатости можно по зависимости [2]
R z = h1 + h 2 + h 3 + h 4 ,
где h 1 -составляющая шероховатости, вызванная геометрией рабочей части инструмента (лезвия) и кинематикой его рабочего движения относительно обрабатываемой поверхности; h 2 - составляющая шероховатости поверхности, вызванная колебательными перемещениями
инструмента
относительно
обрабатываемой
поверхности;
h 3 - составляющая шероховатости поверхности, вызванная пластическими деформациями
материала обрабатываемой заготовки в зоне контакта с рабочим инструментом;
h 4 - составляющая шероховатости поверхности, вызванная шероховатостью рабочей части
инструмента.
Однако данная зависимость справедлива для пластичных материалов, при обработке
которых возможно пластическое оттеснение материала вспомогательной режущей кромкой.
При обработке же хрупких материалов картина образования шероховатости поверхности будет иной. Её формирование, как и при обработке деталей из пластичных материалов, будет определяться геометрией и кинематикой перемещения рабочей части инструмента относительно обрабатываемой поверхности (h 1 ), колебаниями инструмента (h 2 ).
Однако составляющая h 1 частично уменьшается за счёт среза вершины неровности при
сдвиге материала вспомогательной режущей кромкой на величину h 3 (рис.2). Естественно,
что пластического оттеснения материала при формировании шероховатости, вследствие
его хрупкости, в процессе обработки происходить не будет.
Шероховатость режущей кромки на вершине резца будет дополнительно увеличивать формируемую шероховатость на величину h 4 =R Zинс .
При обработке многозубым инструментом, например фрезой, на формирующуюся
шероховатость будет влиять и биение зубьев h 5 =∆ з . На высоту шероховатости в процессе
обработки будет также влиять возможная пористость материала h 6 .
Таким образом, в общем случае при лезвийной обработке хрупких материалов средняя высота профиля шероховатости будет определяться уравнением
(1)
R z = h1 + h 2 − h 3 + h 4 + h 5 + h 6 .
Формирование профиля шероховатости при однолезвийной обработке резцами пред50
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 1(33)
ставлено на рис. 2.
При этом зависимость (1) для точения принимает следующий вид:
(2)
R z = h1 + h 2 − h 3 + h 4 + h 6 .
Составляющие h 1 , h 2 можно рассчитать по известным зависимостям [1;2]. На формирование составляющей h 3 будут влиять сжимающее и касательное напряжения. Условие равновесия будет выглядеть следующим образом:
τ сдв bс = σ В sinχ1сl АВ ,
где с – ширина площадки, на которую действуют сжимающее и касательное напряжения;
b - длина площадки, на которую действует касательное напряжение; l AB =ρΦ- длина площадки, на которую действует сжимающее напряжение, ρ- радиус округления режущей
кромки, Φ- угол сдвига; χ 1 – угол контакта вершины лезвия с обработанной поверхностью
по вспомогательной режущей кромке (рис.2).
h6
A
Rz
b
h1
χ1
h3
Б
A
Н
Dr
b
c
σ
hy
Н
q
Б-Б
А-А
τ
А O
В
Б
Рис. 2.Формирование профиля шероховатости при лезвийной обработке
хрупких материалов
Для того чтобы произошел срез вершины неровности, должно выполняться условие
b<
σВ
sinχ1 ρΦ,
τ сдв
причем в эту зависимость необходимо подставлять следующие значения χ 1 :
S
S
S
1) при ϕ ≥ arcsin
и ϕ1 ≥ arcsin
χ1 = arcsin ;
2r
2r
2r
S
S
2) при ϕ ≥ arcsin
и ϕ1 < arcsin
χ1 = ϕ1 (вспомогательный угол в плане инст2r
2r
румента);
S
S
3) при ϕ < arcsin
и ϕ1 < arcsin
χ1 = ϕ1 .
2r
2r
51
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 1(33)
b
b
F
h3
l
q
D
H
E
r
r
q
χ1
φ1
F
l
χ
а)
а)
h3
D H E
б)
б)
b
φ1
D
φ
h3
H E
q
l
F
в)
в)
Рис. 3. Схема для расчета высоты скола (h 2 ) при формировании профиля:
а- радиусной частью лезвия инструмента; б - радиусной частью лезвия и вспомогательной режущей кромкой инструмента; в- радиусной частью лезвия, главной и вспомогательной режущими кромками инструмента
Для величин b и h 3 , являющихся сторонами треугольника гребешка скола, получены
уравнения взаимосвязи при следующих условиях обработки:
S
S
1) при ϕ ≥ arcsin
и ϕ1 ≥ arcsin
(рис. 3а)
2r
2r
btgχ
S

h3 =
 χ = χ1 = arcsin  ,
2
2r 

где χ - угол контакта вершины лезвия с обработанной поверхностью по главной режущей
кромке;
S
S
2) при ϕ ≥ arcsin
и ϕ1 < arcsin (рис. 3б)
2r
2r
b
S

h3 =
 χ1 = ϕ1 , χ = arcsin  ;
 1
1  
2r 


+
 tgχ1 tgχ 
S
S
и ϕ1 < arcsin (рис. 3в)
2r
2r
b
h3 =
, (χ1 = ϕ1 , χ = ϕ) .
 1
1 


+
 tgχ1 tgχ 
Предложенная модель проверялась при обработке графита марки МГ1 на станке
3) при ϕ < arcsin
52
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 1(33)
h3
S0
h6
Rz
h1
мод. 16К20 резцом с напайной пластиной ВК8. Учитывая, что величина колебания составляющей силы резания ∆Р у при обработке графита на порядок меньше, чем при обработке
конструкционной стали, можно пренебречь этой величиной, следовательно, h 2 =0. Таким
образом, уравнение (2) для случая токарной обработки графита примет следующий вид:
R z = h1 − h 3 + h 4 + h 6 .
b
b
b
b
b
Рис.4. Профилограмма поверхности, обработанной точением (радиус вершины r = 0,4
мм, глубина резания t = 1мм, скорость резания V = 200 м/мин, подача S 0 = 0,7 мм/об,
углы в плане φ =φ 1 = 45º, ВУ/ГУ=10)
Снятые профилограммы полученной поверхности подтверждают предложенную
картину формирования шероховатости (рис.4), поэтому выведенные зависимости можно
использовать для прогнозирования процесса резания и определения высотных параметров
шероховатости деталей из хрупких материалов. Назначение режимов обработки по предложенным зависимостям позволит повысить производительность и снизить себестоимость
изготовления деталей благодаря отсутствию пробных ходов и снижению количества бракованных деталей.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Суслов, А. Г. Инженерия поверхности деталей / А.Г. Суслов. -М.: Машиностроение,2008.- 320 с.
2. Суслов, А.Г. Качество поверхностного слоя деталей машин / А.Г. Суслов. - М.: Машиностроение, 2000. 320 с.
3. Сулима, A.M. Поверхностный слой и эксплуатационные свойства деталей машин / A.M. Сулима, В.А.
Шулов, Ю.Д. Ягодкин. - М.: Машиностроение, 1988. -240 с.
Материал поступил в редколлегию 26.01.12.
53
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 1(33)
УДК 624.046.2:62-41:510.67
А.В. Коробко, М.Ю. Прокуров
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ФОРМЫ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ
НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ ПРЯМОУГОЛЬНЫХ ПЛАСТИНОК
ИЗ УПРУГОПЛАСТИЧЕСКОГО МАТЕРИАЛА
Приведено решение задачи по определению разрушающей нагрузки для шарнирно опёртых прямоугольных
пластинок, выполненных из упругопластического материала и нагруженных сосредоточенной силой, с использованием интегральной характеристики плоской области – коэффициента формы. Получены расчётные
формулы в зависимости от координат точки приложения силы. Построены алгоритмы и программы для определения схем разрушения пластинок и значений разрушающих нагрузок.
Ключевые слова: прямоугольные пластинки, сосредоточенная сила, предельное равновесие, схема разрушения, разрушающая нагрузка, коэффициент формы, несущая способность, упругопластический материал.
Большое значение в расчетной практике имеет разработка и совершенствование простых аналитических методов, позволяющих оперативно получать результат при решении
типичных задач вариантного проектирования. В ряде задач, связанных с рассмотрением
плоской выпуклой области, эффективное применение находит аппарат геометрического
моделирования на основе интегральной характеристики – коэффициента формы, используемого при сравнении фигур разных классов [1]. Одним из возможных приложений коэффициента формы в инженерных расчетах является определение предельной сосредоточенной нагрузки для пластинок из упругопластического материала.
Рассмотрим произвольную выпуклую область (рис. 1а) и зададимся уравнением ее
контура в полярных координатах: r = r(φ). Выберем внутри области точку а и опустим из
неё перпендикуляр h на касательную, проведенную к переменной точке контура области.
Интеграл, взятый по периметру заданной области, называется коэффициентом формы [1]:
ds
(1)
K fa = ∫ ,
Lh
где ds – линейный элемент контура.
r( w)
ai bi
h 90
ds
hi
a
a
li
а)
б)
Рис. 1. Определение коэффициента формы:
а – произвольная область; б – полигональный контур
Для областей с полигональным контуром выражение (1) представляется в виде
n l
n
(2)
K fa = ∑ i = ∑ (ctg α i + ctg β i ),
i =1 h i i =1
где n – число сторон многоугольника, а остальные обозначения указаны на рис. 1б.
Для областей с криволинейным контуром формула (1) принимает следующий вид:
ds 2π  r ′ 2 
(3)
K fa = ∫ = ∫ 1 +
dϕ .

r 2 
Lh
0
54
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 1(33)
Если контур состоит из прямолинейных и криволинейных участков, то используется
комбинация выражений (2) и (3).
Покажем возможность применения коэффициента формы при решении задачи предельного равновесия шарнирно опёртых пластинок, нагруженных сосредоточенной силой.
В работах А.Р. Ржаницына [3; 4] установлено, что для шарнирно опёртых прямоугольных пластинок могут быть реализованы схемы разрушения с образованием периферийных шарниров текучести, приведенные на рис. 2.
а)
б)
в)
г)
д)
е)
ж)
з)
Рис. 2. Возможные схемы разрушения шарнирно опёртой прямоугольной пластинки,
нагруженной сосредоточенной силой
Как видно из рис. 2, шарниры текучести часто имеют криволинейное очертание, которое может быть описано уравнением логарифмической спирали в полярных координатах:
(4)
r = A e cϕ ,
где произвольные постоянные А и с определяются координатами выхода шарнира текучести на опорный контур.
55
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 1(33)
Установлено, что коэффициент формы области, ограниченной криволинейным пластическим шарниром и участками заданного контура прямоугольника, с полюсом в точке
приложения сосредоточенной нагрузки определяет её предельное значение:
(5)
Pразр = K f (K ′f ) m т ,
где m т – предельный погонный момент в шарнире текучести [3; 4]. В выражении (5) величина K′f принимается вместо K f в случае образования криволинейного краевого шарнира текучести. При этом следует учитывать известное свойство равенства работ предельных моментов в краевых и радиальных шарнирах текучести [3; 4].
Рассмотрим выражения, определяющие разрушающую нагрузку для различных возможных схем разрушения прямоугольной пластинки.
1. Сосредоточенная сила Р расположена в центральной части пластинки
(рис. 2а). Значение разрушающей нагрузки определится из выражения
4
x y b−y
a−x a−x b−y
x
y
=
+
+
+
+
+
Р разр = m т ∑ (ctgα i + ctgβi ) = m т  + +
b − y a − x 
y
b−y a−x
x
i =1
y x
a
a
b
b 
 .
= m т  +
+ +
(6)
y b−y x a−x
Если сосредоточенная сила Р приложена в центре прямоугольной пластинки
(рис. 2б), то с учётом координат x = a/ 2 , y = b/ 2 выражение примет вид
Р разр = 4m т (a/b + b/a ).
Не трудно заметить, что для пластинки квадратной формы будет получено известное
решение Р разр = 8 m т .
А.Р. Ржаницын показал [3], что для достаточно длинной пластинки (a/b ≥ 2,093) ,
нагруженной в центре сосредоточенной силой Р, возможна схема разрушения с образованием краевого шарнира текучести, приведенная на рис. 2в, которой соответствует
Р разр = 10,283 m т . Покажем, что использование выражений (2) и (3) приводит к анало-
гичному результату.
Поскольку краевой шарнир в этом случае очерчивается по окружности, в выражении
(4) следует принять с = 0 . Тогда разрушающую нагрузку, соответствующую рассматриваемой схеме, определим следующим образом:

 π 2  r′2 
dϕ + 2 ctg π  =
Pразр = 2m т 2 ∫ 1+
4
 0  r 2 

π2
= 2m т 2 1 + c 2 ϕ 0 + 2 = 2m т (π + 2) = 10,283 m т .


Здесь множитель 2 перед квадратной скобкой учитывает симметрию области пластического разрушения, а множитель 2 перед знаком интеграла учитывает образование
краевого шарнира текучести, не выходящего на контур пластинки, что соответствует условию равенства предельного момента в образующихся краевом и радиальном пластических шарнирах [4].
2. Сила Р приложена вблизи края пластинки (рис. 2г,з). Из научной литературы
[4] известно, что для данной схемы разрушения Pразр = 11,425 m т . Получим этот же ре-
(
)
зультат из выражения (4) с учетом с = 0 :
(
)

 3π 2  r ′ 2 
dϕ + 2 ctg π  = m т 2 1 + c 2 ϕ 3π 2 + 2 = m т  3π + 2  = 11,425 m т . (7)
Pразр = m т 2 ∫ 1+
0


4
 2

 0  r 2 

56
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 1(33)
3. Сила Р приложена вблизи вершины угла (рис. 2е). Подробная схема расположения пластического шарнира в предельном состоянии пластинки приведена на рис. 3.
Для логарифмической спирали АСВ угол между касательной и радиусом-вектором есть
величина постоянная и определяется из соотношения ctg ψ = r ′ r = c . Известно также, что
углы выхода периферийного шарнира текучести АСВ на стороны пластинки равны
π/ 4 [4].
Из рис. 3 определим значения:
у
у
=
;
sin β1 sin (ψ − π/ 4 )
x
х
х
r2 =
=
=
.
sin β 2 sin (3π/ 4 − ψ ) cos (ψ − π/ 4 )
r1 =
Найдём отношение r1/r2 :
r1 y sin β 2 y 
π  y 1+ c
=
= сtg ψ −  =
. (8)
4  x 1− c
r2 x sin β1 x 
Согласно выражению (4),
Рис. 3. Разрушение вблизи угла пластинки
сϕ
сϕ
r1 = Ае 1 ; r2 = Ае 2 , где
ϕ1 = π 2 − β1 = 3π 4 − ψ ; ϕ 2 = π − ϕ1 = 7π 4 − ψ .
При этом искомое отношение будет определяться по формуле
с (ϕ − ϕ )
r1 Ae 1
(9)
= е 1 2 = е − сπ .
=
r2 Aecϕ 2
Приравнивая отношения (8) и (9), получим
y 1+ c
(10)
= е − сπ .
x 1− c
Из трансцендентного уравнения (10) в зависимости от координаты точки приложения силы Р определяется значение параметра с.
Предельную нагрузку для рассматриваемой схемы разрушения пластинки найдём из
выражения

 ϕ2 
r ′ 2 
Р разр = m т 2 ∫ 1 +
dϕ + ctgβ1 + ctgβ 2 + ctgα1 + ctgα 2  =

 ϕ1 
r 2 
 ϕ 2  r′2 
dϕ + ctg ψ − π  + ctg 3π − ψ + x + y  =
= m т  2 ∫ 1 +
(11)

2 

4
 4
 y x

 ϕ1 
r 
cϕ
(
)
(
)


1 + с2 x 2 + y2 
2 7π 4− ψ 1 + с 1 − с x y 
2
+
+ +  = m т 2 1 + с π + 2
+
= m т 2 1 + с ϕ
+
.
xy 
3π 4 − ψ 1 − с 1 + с y x 
1 − с2


4. Сила Р расположена в центральной части пластинки, но сдвинута к её
длинной стороне (рис. 2ж). Подробная схема расположения пластических шарниров приведена на рис. 4. В этом случае в предельном состоянии образуются две пластические зоны в виде конических поверхностей с краевыми шарнирами текучести, идущими по логарифмическим спиралям, две упругие зоны в виде треугольников AOB и DOF и две упругие зоны за периферийным шарниром текучести.
57
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 1(33)
Из рис. 4 определим значения:
у
у
;
=
r1 =
sin β1 sin (ψ − π/ 4 )
b−y
b−y
b−y
.
=
=
r2 =
sin β 2 sin (3π/ 4 − ψ ) cos (ψ − π/ 4 )
Найдём отношение r1/r2 :
r1
y sin β 2
y
π

=
=
сtg ψ −  =
r2 b − y sin β1 b − y 
4
y 1+ c
.
=
b − y 1− c
(12)
С другой стороны, имеем
Рис. 4. Разрушение в центральной части пластинки
сϕ
r1 = Аесϕ1 и r2 = Ае 2 ,
где ϕ1 = 3π/ 4 − ψ , ϕ 2 = 5π/ 4 − ψ .
С учётом приведенных выражений получим
r1 Aecϕ1
(13)
=
= e c(ϕ1 − ϕ 2 ) = e − cπ 2 .
c
ϕ
r2 Ae 2
Приравнивая выражения (12) и (13), найдём
b − y 1− с
(14)
= e cπ 2 .
y 1+ с
Из полученного трансцендентного уравнения (14) в зависимости от координаты точки приложения силы Р определяется значение параметра с, входящего в уравнение логарифмической спирали.
Предельную нагрузку, соответствующую рассматриваемой схеме разрушения, найдём из выражения
 ϕ2  r′2 

 ϕ2  r′2 



dϕ + f + d  =
Р разр = 2m т 2 ∫ 1 +
dϕ + ctgβ1 + ctgβ 2  = 2m т 2 ∫ 1 +
y b − y
 ϕ1 

 ϕ1 
r 2 
r 2 

5 π/ 4 − ψ

π

 3π

= 2m т  2 1 + с 2 ϕ
+ ctg ψ −  + ctg − ψ  =
3π/ 4 − ψ
4

 4


(
(
)
)
(
)

1 + c2 
π 1+ c 1− c 

2
=
+
+
2
m
1
с
π
2
+
= 2m т  2 1 + с 2 +
=
т
2 1 − c 1 + c 

1 − c 2 

(
)
(15)
 2

= 2m т 1 + с 2 
+ π  .
 1 − c2

5. Сила Р приложена вблизи малой стороны прямоугольной пластинки
(рис. 2д). Подробная схема расположения пластических шарниров приведена на рис. 5.
Для этой схемы разрушения пластинки часть слагаемых в выражении предельной нагрузки следует определять в соответствии с формулой (6), а другую часть – по формуле (15),
опустив сомножитель 2, учитывающий симметрию области разрушения. Значение параметра с в уравнении логарифмической спирали следует определять из выражения (14).
В этом случае разрушающую нагрузку найдём по формуле
х y b − y
 2

x
Р разр = m т  + +
+
+ 1 + с 2 
+ π  .
(16)
x
b−y
 1− c2

y x
(
58
)
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 1(33)
Таким образом, определив схему разрушения шарнирно опёртой прямоугольной
пластинки, с использованием выражений
(6), (7), (11), (15) или (16) можно найти значение предельной нагрузки. Отметим, что
все перечисленные выражения являются
функциями значений координат точки приложения разрушающей силы.
Рассмотренная задача была реализована в двух компьютерных программах, различающихся построением алгоритма для
определения схемы разрушения прямоРис. 5. Разрушение у короткой стороны пластинки
угольной пластинки.
Программа RPlate 1 использует аналитический подход к определению схемы разрушения на основе приближенных функций,
описывающих граничные линии их локализации [2]. При этом рассматривается определенный набор возможных форм разрушения прямоугольной пластинки, зависящий от соотношения её сторон k = a b .
Программа RPlateLogic использует логический блок идентификации схемы разрушения на основе определения минимального значения возможной разрушающей нагрузки.
Общий алгоритм программы RPlateLogic приведен на рис. 6.
Рассмотрим ключевые блоки приведенного алгоритма.
В качестве исходных данных программы выступают габаритные размеры пластинки
и координаты точки приложения сосредоточенной силы.
После задания значений и нажатия клавиши «Ввод» программа перебирает все экранные точки (пиксели) на четверти пластинки и устанавливает принадлежность текущей
точки (x i , yi ) характерной области разрушения:
1) по формулам (6), (7), (11), (15), (16) определяются возможные значения разру
шающей сосредоточенной силы как элементы некоторого вектора Р ;
2) среди найденных значений определяется минимальная величина P j ;
3) по номеру j устанавливается принадлежность точки характерной области разрушения пластинки.
Установив принадлежность точки (x i , yi ) определенной схеме разрушения, программа закрашивает её соответствующим цветом. Так как прямоугольная пластинка имеет две
оси симметрии, закрашивание распространяется на три соответствующие точки из других
её частей.
В завершение процедуры «Ввод» на экран выводится цветовая схема областей разрушения пластинки с указанием крестом точки приложения сосредоточенной силы.
После нажатия клавиши «Расчёт» аналогичным образом устанавливается принадлежность точки приложения сосредоточенной силы с координатами (X, Y) характерной
области разрушения пластинки. Таким образом, будет определена соответствующая схема
образования пластического шарнира в её предельном состоянии.
В завершение процедуры «Расчёт» на экран выводятся схема образования пластического шарнира и рассчитанное значение предельной разрушающей силы.
Пример выполнения указанных действий приведен на рис. 7.
Разработанное программное обеспечение может быть использовано при проведении
прочностных расчётов конструктивных элементов в виде пластинок в строительстве и
машиностроении.
1
Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2011615411 от 12.07.11.
59
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 1(33)
НАЧАЛО
Ввод параметров: a, b – стороны пластинки; X, Y –
координаты точки приложения сосредоточенной силы
ВВОД
xi = от xнач до а / 2
уi = от унач до b / 2
Установление соответствия точки (xi;yi) характерной области разрушения

Нахождение P = P j , j = 1, ..., 5, согласно формулам (6), (7), (11), (15), (16)
{ }
{ }
Pmin = min P j
Идентификация схемы разрушения по номеру j, соответствующему Pmin
Закрашивание точки (xi;yi) и 3 симметричных ей
цветом, соответствующим области разрушения
Вывод на экран цветовой схемы областей разрушения пластинки
с указанием точки приложения сосредоточенной силы (X;Y)
РАСЧЁТ
Определение принадлежности точки (X;Y) характерной области разрушения
Блок графического представления одной из 5 схем пластического шарнира
Вывод схемы образования пластического шарнира
Вывод значения предельной разрушающей нагрузки Рразр
КОНЕЦ
Рис. 6. Блок-схема общего алгоритма программы RPlateLogic
60
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 1(33)
Рис. 7. Экранное представление работы программы RPlateLogic
В заключение можно сделать следующие основные выводы:
1. Исследовано применение коэффициента формы для определения несущей способности шарнирно опёртых прямоугольных пластинок из упругопластического материала,
нагруженных одной произвольно приложенной сосредоточенной силой.
2. Получены аналитические зависимости для определения предельного значения сосредоточенной нагрузки для характерных областей разрушения рассмотренных пластинок.
3. Разработано программное обеспечение для проведения прочностных расчётов
пластинчатых конструкций указанного типа.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Коробко, А.В. Геометрическое моделирование формы области в двумерных задачах теории упругости /
А.В. Коробко. – М.: АСВ, 1999. – 320 с.
2. Коробко, В.И. Расчет прямоугольных шарнирно опёртых пластинок, нагруженных произвольно приложенной сосредоточенной силой, методом предельного равновесия / В.И. Коробко, С.А. Морозов, М.Ю.
Прокуров // Строительная механика и расчет сооружений. – 2011. – № 2. – С. 2 – 8.
3. Ржаницын, А.Р. Расчет сооружений с учётом пластических свойств материалов / А.Р. Ржаницын. – М.:
Гос. изд-во лит. по стр-ву и арх-ре, 1954. – 287 с.
4. Ржаницын, А.Р. Предельное равновесие пластинок и оболочек/А.Р. Ржаницын. – М.: Наука, 1983. – 288 с.
Материал поступил в редколлегию 14.11.11.
61
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 1(33)
УДК 621.86
И.А. Лагерев
МОДЕЛИРОВАНИЕ ФАКТОРОВ НАГРУЖЕННОСТИ
КРАНА-МАНИПУЛЯТОРА МАШИНЫ ДЛЯ СВАРКИ ТРУБОПРОВОДОВ
Предложена методика моделирования факторов нагруженности металлоконструкции крана-манипулятора
машины для сварки трубопроводов, базирующаяся на достоверном учете условий его работы и особенностей производственного процесса. Показано применение методики при выполнении численного моделирования нагруженности металлоконструкции крана-манипулятора, обслуживающего строительство магистрального нефтепровода.
Ключевые слова: кран-манипулятор, машина для сварки трубопроводов, факторы нагруженности, численное
моделирование, условия эксплуатации.
Объектом исследования является трехзвенный гидравлический кран-манипулятор
машины для сварки трубопроводов.
При проектировании стандартные инженерные решения обеспечивают требуемую
прочность и долговечность конструкции. Для кранов-манипуляторов режима работы ниже
А6-А7, изготовленных из сталей с пределом текучести ниже 600 МПа, эти решения гарантируют необходимый запас прочности [1].
Грузоподъемность эксплуатируемых кранов-манипуляторов увеличивается за счет
установки на исходной металлоконструкции с помощью сварных соединений дополнительных стальных элементов [2]. Зоны этих сварных соединений являются концентраторами напряжений и снижают сопротивление усталости конструкции. Кроме того, обеспечение высокого качества дополнительных сварных швов является сложной задачей. В связи с этим требуется детальная оценка усталостной долговечности модернизированной
конструкции. Такая оценка невозможна без определения факторов нагруженности,
влияющих на параметры процессов изменения напряжений в опасных зонах.
В статье предложена методика моделирования факторов нагруженности трехзвенного гидравлического крана-манипулятора машины для сварки трубопроводов. Работа является продолжением научных исследований [3; 4].
Нагруженность металлоконструкции крана-манипулятора определяется различными
факторами, из которых к главным относятся:
• масса поднимаемых грузов;
• число транспортируемых грузов за исследуемый период времени;
• последовательность выполнения краном-манипулятором технологических операций;
• конфигурация элементов крана-манипулятора в точках подъема и опускания груза;
• конфигурация элементов крана-манипулятора при перемещении груза;
• уклоны опорной поверхности под машиной для сварки трубопроводов;
• микропрофиль опорной поверхности под машиной для сварки трубопроводов;
• величина перемещения машины для сварки трубопроводов;
• скорость движения машины для сварки трубопроводов;
• скорости работы гидроцилиндров;
• скорость и направление ветра.
Масса поднимаемого груза является наиболее существенным фактором нагруженности, во многом определяющим величины напряжений и деформаций в различных элементах металлоконструкции крана-манипулятора. Кран-манипулятор транспортирует палатку
сварщика, поэтому массу груза можно принять постоянной.
62
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 1(33)
Число транспортируемых грузов за исследуемый период времени определяет действительный класс использования грузоподъемной машины в целом согласно ИСО 4301/1-86.
Число транспортируемых грузов определяется скоростью сварки элементов трубопровода
(труб, задвижек, клапанов и т.д.).
Конфигурация элементов крана-манипулятора (рис. 1) определяется следующими
параметрами (рис. 2): углом поворота поворотной колонны ϕ К , углом наклона стрелы по
отношению к поворотной колонне ϕ С , углом наклона рукояти по отношению к стреле ϕ Р . Углы ϕ С и ϕ Р отсчитываются от крайних нижних положений стрелы и рукояти. Угол ϕ К отсчитывается от продольной оси машины. Конфигурация крана-манипулятора определяет инерционные характеристики системы и влияет на действительные скорости работы гидроцилиндров.
Рис. 1. Конструкция крана-манипулятора:
1 – грузозахватный орган (крюк); 2 – рукоять;
3 – гидроцилиндр поворота рукояти; 4 – стрела;
5 – гидроцилиндр поворота стрелы;
6 – поворотная колонна; 7 – опорная конструкция;
8 – гидроцилиндр поворота поворотной колонны
Рис. 2. Схема описания конфигурации
стрелы крана-манипулятора
Уклоны опорной поверхности вызывают появление дополнительных усилий, действующих на металлоконструкцию крана-манипулятора. Кроме этого, уклоны влияют на
устойчивость крана-манипулятора от опрокидывания. В работе рассматриваются продольный и поперечный уклоны опорной поверхности.
Микропрофиль опорной поверхности определяет характер динамического процесса
при перемещении машины для сварки трубопроводов. Исходные данные о параметрах микропрофиля для покрытий различных типов получены экспериментальным путем и представлены в виде статистических характеристик (математических ожиданий, дисперсий,
корреляционных функций, спектральных плотностей). Суть моделирования микропрофиля
заключается в построении по этим данным конкретных реализаций геометрической неровности. При этом учитывается скорость движения машины для сварки трубопроводов.
Величины перемещений оборудованной краном-манипулятором машины определяют продолжительность динамических процессов, связанных с переносом палатки сварщика от одного сварного стыка к другому. Величины перемещений зависят от конфигурации
прокладываемого трубопровода и геометрических размеров его элементов. Размеры таких
элементов стандартизированы.
Угол ϕ В , определяющий направление ветра по отношению к машине для сварки
трубопроводов, отсчитывается от ее продольной оси против часовой стрелки. Зная конфи63
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 1(33)
гурацию стрелы, можно определить направление ветра по отношению к элементам конструкции крана-манипулятора. Ветровые нагрузки зависят от скорости ветра.
В инженерной практике при проектировании кранов-манипуляторов нагруженность
учитывается весьма приближенно. Условия нагружения конструкций и их механизмов в процессе эксплуатации учитываются группами режимов работы. Режим работы крана в целом
определяется классом нагружения и классом использования. Для каждой группы режимов
известны типовые данные о факторах нагруженности [1]. Существует несколько вариантов
компактного представления параметров распределения факторов нагруженности [3]: блок
распределения; набор частот распределения; смешанное блочно-частотное распределение.
Наиболее простой способ моделирования факторов нагруженности кранаманипулятора, обслуживающего строительство трубопровода, – моделирование методом
статистических испытаний.
Рассмотрим процесс получения последовательностей значений факторов нагруженности методом статистических испытаний для случая использования блоков распределения. Далее под Q понимается любой из рассматриваемых факторов нагруженности. Переход к i -му уровню фактора в s -м вычислительном опыте осуществляется согласно условным вероятностям перехода Ps ,i . Эти вероятности вычисляются после каждого вычислительного опыта.
В s -м вычислительном опыте номер уровня фактора Q определяется следующим
образом:
1 при x R ≤ Ps −1,1 ;

...

i
i -1
 i при ∑ Ps-1,k ≤ x R ≤ ∑ Ps-1,k ;
(1)
iS = 
k =1
k =1

...
N -1

 N при ∑ Ps-1,k ≤ x R ≤ 1,
k =1

где iS – результат, полученный в s -м вычислительном опыте; s = 1...M ; k = 1...( N − 1) ;
xR – случайное число, равномерно распределенное на интервале [0; 1] (получается с помощью встроенного в язык программирования генератора случайных чисел); N – число
уровней фактора (число ступеней в блоке распределения); M – число вычислительных
опытов, равное числу циклов работы крана-манипулятора за исследуемый период N Σ .
Вероятности перехода Ps ,i вычисляются следующим образом. Пусть в ходе модели
рования после s − 1 вычислительных опытов получено N i значений фактора Q , лежащих
в i -м диапазоне. Тогда вероятность перехода в s-м вычислительном опыте к значению,
лежащему на i -м уровне, определяется по зависимости

Mν Бi − N i
,
Ps ,i =
M −s
где ν Бi – относительная частота i -й ступени блока распределения фактора.
Если требуется определить точное значение фактора, то оно вычисляется пропорционально xR по следующей формуле:
iS −1


xr − ∑ QБ ,iS
k =1
QS =  iS + i
iS −1
S
Q
−

∑ Б ,iS ∑ QБ ,iS
k =1
k =1

64


 QБ ,i ,
Q
 max

(2)
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 1(33)
где QS – значение фактора, полученное в s -м вычислительном опыте; QБi – амплитуда
i -й ступени блока распределения фактора.
Для набора частот распределения моделирование выполняется по указанному алгоритму, однако в этом случае следует ограничиться только вычислением номера уровня фактора iS . Для смешанного блочно-частотного распределения одна часть значений вычисляется с использованием выражений (1) и (2), другая часть – с использованием только выражения (1).
После окончания процесса моделирования оказывается сформированной последовательность из M значений фактора Q . Нагруженность крана-манипулятора в пределах
одного цикла работы определяется совокупностью значений всех рассматриваемых факторов.
Для оценки результатов моделирования с использованием данного алгоритма выполнена серия расчетов для тестовых блоков различной полноты. Полнота блока вычисляется как
N Q ν
N
ξ Б = ∑ Бi Бi ∑ν Бi .
i =1 Qmax
i =1
Тестовые блоки приведены в табл. 1, результаты моделирования – в табл. 2.
Коэффициент
полноты
0,475
0,625
0,925
Таблица 1
Тестовые блоки распределения
Амплитуда ступени блока распределения фактора
[0,0…0,25)
[0,25…0,5)
[0,5…0,75)
[0,75…1,0]
0,1
0,1
0,4
0,4
0,25
0,25
0,25
0,25
0,85
0,05
0,05
0,05
Таблица 2
Результаты моделирования методом статистических испытаний
Алгоритм
Ступени блока распределения фактора нагруженности
[0,0…0,25)
[0,25…0,5)
[0,5…0,75)
[0,75…1,0]
Блок 1
Предлагаемый
0,105
0,103
0,402
0,390
Стандартный
0,064
0,066
0,437
0,433
Блок 2
Предлагаемый
0,250
0,250
0,250
0,250
Стандартный
0,239
0,261
0,259
0,241
Блок 3
Предлагаемый
0,846
0,051
0,051
0,052
Стандартный
0,956
0,015
0,016
0,013
Таким образом, при моделировании факторов нагруженности методом статистических
испытаний полученные c использованием зависимостей (1) и (2) значения факторов нагруженности соответствуют исходным блокам распределения. Если использовать стандартный
алгоритм, то погрешность при моделировании в зависимости от полноты блока составляет
5…30%. При этом чем ближе полнота к 0,625, тем меньше погрешность моделирования.
Рассмотренный алгоритм применим только при наличии большого количества эмпирических данных, на основании которых можно построить законы распределения факторов нагруженности. При этом для различных условий эксплуатации параметры законов
могут отличаться. В настоящее время такая информация о кранах-манипуляторах машин
для сварки трубопроводов отсутствует.
65
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 1(33)
При отсутствии достоверных данных о законах распределения факторов нагруженности предлагается строить две взаимосвязанные модели: сетевую имитационную модель
(СИМ) и модель трубопровода (МТ).
Модель трубопровода служит для наглядного описания положения отдельных рабочих зон и параметров грузовых операций, выполняемых краном-манипулятором. В конечном счете с помощью этой модели определяются конкретные значения факторов нагруженности. Модель включает в себя описание конфигурации прокладываемого трубопровода, параметров его элементов (труб, задвижек, сварных швов), состояния опорной поверхности на строительной площадке (тип покрытия и уклоны в пределах каждого элемента). Графическое представление модели трубопровода приведено на рис. 3, где показана трасса трубопровода с указанием направления строительства. Окружностями обозначены зоны расположения стыков труб. В этих зонах кран-манипулятор выполняет подъем
и опускание палатки сварщика. Кроме того, показаны высотные отметки местности и граница участков опорной поверхности с различным типом микропрофиля.
Рис. 3. Графическое представление модели трубопровода
Сетевая имитационная модель учитывает особенности производственного процесса
строительства магистрального трубопровода и используется для определения порядка и
моментов времени выполнения краном-манипулятором грузовых операций. Каждому элементу сетевой имитационной модели соответствует один или несколько элементов модели
трубопровода. В случае использования при строительстве нескольких машин для сварки
трубопроводов одновременно СИМ позволяет учесть распределение грузоподъемных
операций между ними.
Значения факторов нагруженности крана-манипулятора машины для сварки трубопроводов в определенный момент времени полностью определяются текущим состоянием
СИМ. Структура СИМ и общие алгоритмы моделирования подробно изложены в [4; 8].
Разработана компьютерная программа «Манипулятор – СМО». После построения модели трубопровода и сетевой имитационной модели моделируются значения факторов нагруженности металлоконструкции крана-манипулятора. Каждому типу компонента имитационной модели в программе соответствует определенная процедура. Алгоритм численного моделирования предусматривает упорядоченное обращение к этим процедурам, отражающим
поведение моделируемой системы.
На рис. 4 показаны СИМ строительства трубопровода с использованием крановманипуляторов машин для сварки трубопроводов. Разработаны три модели: для исследования работы одной машины для сварки трубопроводов, работы нескольких машин, при
работе различного количества машин и бригад сварщиков.
При работе одной машины (рис. 4 а) СИМ содержит: источник заявок, генерирующий требования на сварку стыков труб и перемещения палатки сварщика в соответствии с
66
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 1(33)
МТ; накопитель заявок; устройство, генерирующее время обслуживания стыка (включая
перемещения машины для сварки трубопроводов, работу крана-манипулятора, сварку).
а)
б)
в)
Рис. 4. СИМ строительства трубопровода:
а – при работе одной машины; б – при работе нескольких машин;
в – при различном количестве машин и бригад сварщиков
При одновременной работе N машин (рис. 4 б) СИМ содержит N параллельных цепей устройств, заявки на которые перераспределяет узел модели. Каждая цепь включает
устройство, генерирующее время работы машины и крана-манипулятора, и устройство,
генерирующее время сварки стыка. Это связано с тем, что на обслуживание конкретного
стыка направляется свободная в данный момент машина.
Пусть количество используемых машин – N, а количество бригад сварщиков – M.
Тогда в СИМ добавляются параллельные цепи, связанные с работой машин и сварочных
бригад. Управляют передачей заявок на обслуживание стыков машинам и сварочным бригадам дополнительные узлы модели (рис. 4 в).
Применим разработанную методику для исследования нагруженности кранаманипулятора машины для сварки трубопроводов АСТ-4-А производства ЗАО «ДизельРемонт», принадлежащей ООО «Спецстрой» (г. Брянск).
Блоки распределения факторов нагруженности для моделирования методом статистических испытаний получены из проектной документации на трубопроводы общей протяженностью 1250 км (уклоны поверхности, величины перемещений машины), инструкции по эксплуатации машины для сварки трубопроводов (скорости работы механизмов, конфигурации
стрелы) и открытых источников (скорость и направление ветра, параметры микропрофиля).
При моделировании использованы данные о скорости и направлении ветра [6]. Распределение направления ветра по отношению к крану-манипулятору построено на основе
исходного распределения [6] с учетом распределения направления строительства трубопровода, полученного из анализа проектной документации.
Скорости работы гидроцилиндров исследуемой машины считаются постоянными и
приведены в [5]. Скорость штока гидроцилиндра подъема рукояти – 0,037 м/с; скорость
штока гидроцилиндра подъема стрелы – 0,029 м/с; скорость поворота колонны – 0,2 рад/с.
Конфигурация стрелы крана-манипулятора при подъеме, перемещении и опускании груза
67
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 1(33)
жестко задана требованиями технологического процесса [5], поэтому эти факторы нагруженности не моделировались.
Исходные данные для моделирования факторов нагруженности методом статистических испытаний приведены ниже.
Распределение массы груза:
Масса груза, т
0,575
0,620
0,750
Вероятность появления
0,749
0,250
0,001
Масса груза при работе крана-манипулятора с одной палаткой сварщика постоянна.
Однако ниже приведено распределение, в котором отражено применение в строительстве
трубопроводов палаток сварщика двух моделей.
Распределение величины перемещения машины для сварки трубопроводов:
Величина перемещения, м
0,5
1,0
6,2
6,5
11,0
11,5
Вероятность появления
0,002
0,007
0,32
0,14
0,53
0,001
Распределение величины уклона поверхности:
Уклон, град
–10…–8
–8…–6
–6…–4
–4…–2
–2…0
Вероятность появления для
0,001
0,004
0,02
0,04
0,43
продольного уклона
Вероятность появления
–
–
–
0,01
0,45
для поперечного уклона
Уклон, град
0…2
2…4
4…6
6…8
8…10
Вероятность появления для
0,42
0,06
0,02
0,003
0,002
продольного уклона
Вероятность появления
0,52
0,02
–
–
–
для поперечного уклона
Распределение направления ветра по отношению к крану-манипулятору:
Направление ветра, град
10
20
30
40
50
60
70
80
90
Вероятность появления
0,034 0,161 0,046 0,276 0,081 0,115 0,195 0,023 0,069
Распределение скорости ветра:
Скорость ветра, м/с
0…2
3…6
7…10
Вероятность появления
0,19
0,75
0,6
Распределение типа микропрофиля поверхности:
Болотистая
Разбитая
Тип поверхности
Бездорожье
Грунтовая
местность
грунтовая
Номер при моделировании
1
2
3
4
Вероятность появления
0,1
0,03
0,32
0,55
На основе исходных данных смоделированы значения основных факторов нагруженности крана-манипулятора (листинг 1).
Листинг 1
Результаты моделирования факторов нагруженности
Масса, т
0,575
0,575
0,620
0,575
0,620
0,575
0,575
0,575
…
Перемещение
машины, м
11,0
11,0
11,0
6,2
11,0
6,5
11,0
11,0
…
Ветер
Скорость, м/с Направление, град
3,2
20
5,4
40
3,8
60
4,2
40
3,0
50
4,5
70
0,1
40
8,2
20
…
…
68
Тип
микропрофиля
3
4
4
4
3
4
3
3
…
Уклон поверхности, град
продольный поперечный
1,35
0,50
-1,54
-0,55
2,03
0,47
-0,47
0,21
0,93
0,33
-0,17
-0,17
2,16
0,66
1,20
-0,42
…
…
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 1(33)
Полученные значения соответствуют исходным законам распределения, однако они
не в полной мере соответствуют условиям эксплуатации. Кран-манипулятор работает с
одной палаткой сварщика, поэтому масса груза должна быть постоянной. Тип микропрофиля и уклон опорной поверхности от стыка к стыку должны изменяться постепенно, так
как связаны с топологией местности.
Поэтому для исследования нагруженности крана-манипулятора применим имитационное моделирование. Результаты моделирования при трех используемых машинах для
сварки трубопроводов (рис. 4 б) приведены в листинге 2.
Масса, т
0,575
0,575
0,575
0,575
0,575
0,575
0,575
0,575
…
Результаты моделирования факторов нагруженности
Перемещение
машины, м
11,0
11,0
11,0
11,0
11,0
11,0
11,0
11,0
…
Ветер
Скорость, м/с Направление, град
2,2
10
3,4
50
3,3
60
4,2
40
2,1
40
4,5
60
1,1
50
3,2
20
…
…
Тип
микропрофиля
3
3
3
3
3
3
3
4
…
Листинг 2
Уклон поверхности, град
продольный поперечный
0,07
0,50
0,07
0,51
0,07
0,47
0,07
0,45
0,08
0,39
0,08
0,01
0,09
-0,05
1,01
-0,12
…
…
Сравним результаты оценки факторов нагруженности крана-манипулятора по предложенной методике с результатами использования типовых блоков. Для примера по аналитическим зависимостям [2] определим максимальное усилие P ц на гидроцилиндре поворота рукояти крана-манипулятора самоходной энергетической машины АСТ-4-А производства ЗАО «Дизель-Ремонт», принадлежащей ООО «Спецстрой». Реализации процесса
изменения усилия приведены на рис. 5.
Рис. 5. Реализации усилия на гидроцилиндре крана-манипулятора:
1 – с использованием типового блока для группы режимов А1-А3;
2 – с использованием типового блока для группы режимов А4-А5;
3 – полученные методом статистических испытаний;
4 – полученные с использованием СИМ
На основе выполненных исследований можно сделать следующие выводы:
1. При моделировании факторов нагруженности методом статистических испытаний
полученные c использованием зависимостей (1) и (2) значения факторов нагруженности
соответствуют исходным блокам распределения. Если использовать традиционный подход, то погрешность при моделировании в зависимости от полноты блока составляет
5…30%, причем чем ближе полнота к 0,625, тем меньше погрешность моделирования.
2. При отсутствии достоверных данных о законах распределения факторов нагруженности следует строить две взаимосвязанные модели: сетевую имитационную модель и
69
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 1(33)
модель трубопровода. В противном случае возможно моделирование методом статистических испытаний.
3. Значения факторов нагруженности зависят от особенностей технологического
процесса работы крана-манипулятора. В связи с этим требуется моделирование особенностей технологического процесса.
4. При использовании типовых блоков распределения массы груза без учета особенностей технологического процесса работы крана-манипулятора погрешность в определении характеристик нагруженности достигает 70% (рис. 5). При этом характеристики нагруженности занижаются, что снижает реальный запас усталостной долговечности металлоконструкции и отрицательно влияет на безопасность эксплуатации.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Соколов, С.А. Металлические конструкции подъемно-транспортных машин / С.А.Соколов. – СПб.:
Политехника, 2005. – 423 с.
2. Лагерев, А.В. Модернизация крана-манипулятора самоходной энергетической машины АСТ-4-А / А.В.
Лагерев, И.А. Лагерев, В.В. Говоров // Вестн. БГТУ. – 2010. – №4. – С. 59-66.
3. Лагерев, И.А. Имитационное моделирование факторов нагруженности металлоконструкции мостового
крана / И.А. Лагерев // Вестн. БГТУ. – 2009. – №4. – С. 65-70.
4. Лагерев, И.А. Моделирование факторов нагруженности металлоконструкции мостового крана на основе
сетевой имитационной модели / И.А. Лагерев // Вестн. БГТУ. – 2010. – №2. – С. 74-81.
5. Инструкция по эксплуатации самоходной энергетической машины АСТ-4-А. – Брянск, 2010. – 26 с.
6. Скорость ветра – сводные данные – Брянск. – Режим доступа: http://bryansk-meteo.ru/brjansk/pivot/wind.
7. Тарасик, В.П. Теория движения автомобиля / В.П. Тарасик. – СПб.: БВХ-Петербург, 2006. – 478 с.
8. Норенков, И.П. Информационная поддержка наукоемких изделий. CALS-технологии / И.П. Норенков,
П.К. Кузьмик. – М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2002. – 320 с.
Материал поступил в редколлегию 11.01.12.
70
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 1(33)
УДК 621.86.2;658.512.011.56
В.И. Сакало, С.П. Новиков
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОТЕРЬ НА ТРЕНИЕ КАЧЕНИЯ РОЛИКОВ ПОДВЕСОК
ПО НАПРАВЛЯЮЩИМ КОНВЕЙЕРА С ПОДВЕСНОЙ ЛЕНТОЙ
Представлена методика определения потерь энергии на трение качения роликов подвесок по трубчатым
направляющим конвейера с подвесной лентой.
Ключевые слова: конвейер с подвесной лентой, роликовая подвеска, трубчатая направляющая, спин, крип,
потери энергии.
Одним из перспективных типов специальных ленточных конвейеров является конвейер с подвесной лентой. Наряду с преимуществами по сравнению с типовыми ленточными конвейерами он позволяет на 20…25% уменьшить энергоемкость транспортирования [1].
На рис.1 показана схема горизонтального ленточного конвейера с подвесной лентой.
На ставе 1 установлен приводной барабан 4 с приводом 2, натяжной барабан 3 и трубчатые направляющие 6. Конвейерная лента 7 посредством гибких лент 8 крепится к узлам,
состоящим из подвесок 10 и роликов 11. Ролики катятся по трубчатой направляющей,
обеспечивая плавное перемещение ленты с грузом 12. Вблизи барабанов трубчатые направляющие имеют отгибы в горизонтальной плоскости, позволяющие ленте при выходе
на барабан принять плоскую форму. Они образуют переходный участок.
Такая конструкция конвейера является сравнительно новой, чем объясняется отсутствие методик выполнения некоторых расчетов, в том числе затрат энергии на транспортирование груза. Здесь будет уделено внимание расчету потерь энергии на трение качения
роликов по трубчатым направляющим. Рассмотрен конвейер с шириной ленты 1200 мм.
Максимальная погонная нагрузка Q на неё составляет 6 кН/м. При установке подвесок с
шагом 1 м на одну подвеску приходится сила N, которая определяется из уравнения равновесия:
N = 4255 Н.
2 N cos 45  = Q ,
На рис.2 показан ролик с двумя коническими поверхностями катания и трубчатая
направляющая с диаметром внешней поверхности 76 мм. Угол 2α между образующими
конических поверхностей составляет 100°. При этом радиус окружности катания ролика
r p равен 42 мм. В работе [2] показано, что для приближенного определения размеров контактного пятна и распределения давлений между роликом и направляющей может быть
использовано решение Герца [3]. Нормальная сила в контакте ролика и направляющей на
линейном участке равна
N
P = sin α = 1630 Н.
2
Главные радиусы кривизны ролика в точке контакта равны
R11 = rp / sin α = 54,83 мм, R 12 = ∞,
трубчатой направляющей –
R 21 = ∞, R 22 = 38 мм.
Для определения длин полуосей a и b эллиптического контакта вычисляются значения следующих величин:
1 1
1 
 = 22,23 м-1;
A + B = 
+

2  R11 R22 
71
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 1(33)
Загрузка
A
V
3
4
6
1
A
7
Переходный
участок
Переходный
участок
Линейный
участок
2
Б
A–A
12
Б
45°
10
11
8
5
9
7
Рис.1. Конвейер с подвесной лентой: 1- став; 2- привод; 3- натяжной барабан; 4- приводной барабан;
5- кронштейн; 6- трубчатые направляющие; 7- лента; 8- гибкие ленты; 9- узел крепления;
10- подвеска; 11-ролик; 12-груз
B−A=
1 1
1 

 = 4,04 м-1;
−


2  R22 R11 
cos θ =
B−A
= 0,181 ,
A+ B
θ = 79,56°.
72
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 1(33)
Длины полуосей контакта равны
3π P(k1 + k 2 )
3π P(k1 + k 2 )
; b = n3
,
a = m3
4
A+ B
4
A+ B
2(1 − µ 2 )
где
k1 + k 2 =
= 0,298 ⋅ 10 −11 м2/Н; Е = 2·1011 Па – модуль упругости первого роπE
да материалов тел; μ – коэффициент Пуассона материалов тел; m = 1,13, n = 0,89 - определяются в зависимости от значения параметра θ [3].
a = 0,905 мм, b = 0,71 мм.
Качение ролика по направляющей сопровождается спином – верчением относительно нормали к начальной точке контакта. Угловая скорость ролика при
качении равна
ω = V / rp ,
где
V – скорость перемещения ленты; r p – радиус
окружности катания ролика.
Тогда для скорости верчения
N/2 N
R11
ω z = ω cos α = V cos α / rp .
ω
z
α
Для определения распределения касательных
α
усилий в точках пятна контакта применен алгоритм
P
ω
α
FASTSIM [4]. В нем используются величины, назыR22
ваемые жесткими скольжениями, т.е. скорости взаимωy
ного скольжения точек ролика и направляющей в
предположении, что они представляют собой абсолютно жесткие тела. На рабочем участке конвейера
они определяются только спином:
cos α
v x = −ω z yi = −V
yi = −Vψyi ;
rp
Рис.2. Силы и спин в контактах
ролика и трубчатой направляющей
v y = ω z xi = Vψxi ,
где
v x , v y – скорости жесткого скольжения вдоль
осей х и у; x i , y i – координаты точки i (рис.3); ψ = cos α / rp – спин (при α = 50° спин равен
15,5 м-1).
На переходном участке скорость v y получает добавку, обусловленную поперечным
крипом ξ y :
v y = Vξ y + Vψxi .
На переходном к барабану участке ролик перекатывается, поворачиваясь на угол 45°
относительно оси направляющей за счет поперечного крипа ξ у . При длине переходного
участка l п = 4 м поперечный крип равен
πR / 4 38 ⋅10 −3 π
= 7,46 ⋅10 −3 .
ξ y = 22 =
4⋅4
lп
Пятно контакта покрывается сеткой с прямоугольными ячейками с размерами Δx и
Δy по осям х и у соответственно (рис.3). Узлы располагаются на пересечении линий сетки.
Определение интенсивности касательных сил ведется вдоль линий у = const и начинается
с узла, расположенного на набегающем крае контакта. Компоненты интенсивности касательных сил в узле i определяются с использованием зависимостей
q xi = q x (i −1) − V (ξ x −ψyi )∆x / L ;
73
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 1(33)
q yi = q y (i −1) − V (ξ y + ψxi )∆x / L ,
где
ξ x - продольный крип (при свободном качении ролика он равен нулю); L – податливость,
L = [ L1 ξ x + L2 ξ y + L3 cψ ] /(ξ x2 + ξ y2 + c 2ψ 2 )1 2 ,
ψ
a
(−0,119 − 0,486 β + 1,25 β ) ,
G
a
L2 = (−0,142 − 0,337 β + 1,207 β ) ,
G
a
L3 = (−0,122 − 0,383β + 1,039 β ) ,
G
β = b / a , G – модуль упругости при сдвиге.
Суммарная интенсивность касательных сил
в узле i равна
L1 =
xi
yi
y
i
x
Δy
V
yi
qi = q xi2 + q xi2 .
Δx
Участок
Интенсивности касательных сил q i совпасцепления
дают по направлению со скоростями скольжеvs
vy
ния, которые показаны на рис.4 для линейного и
y
φ i
переходного участков. Скорость движения ленты
v
x
ξyV
принята равной 1 м/с.
ρ
При определении скорости взаимного проx
φ
скальзывания точек ролика и направляющей
xi
кроме составляющей, представляющей жесткое
скольжение, необходимо учесть составляющую,
Рис.3. Скорости скольжения
обусловленную скоростью деформирования их
материалов. В алгоритме Калкера [5] перемещения точек, расположенных на поверхности
контакта, определяются зависимостями
(1)
u = Lq x ; v = Lq y ,
где
u, v – перемещения точек по осям х и у.
Продифференцировав зависимости (1) по времени, получим скорости скольжения,
обусловленные деформациями материалов тел:
dq
du du dx
v ∗x =
=
= VL x ;
dt dx dt
dx
dq y
dv dv dx
.
=
= VL
v ∗y =
dt dx dt
dx
На участке скольжения пятна контакта интенсивность касательных сил ограничена
силами трения:
q y = qxi / ri ,
q x = qyi / ri ;
где
q = fp = fp0 1 − x 2 / a 2 − y 2 / b 2 , f – коэффициент трения скольжения (в работе принят равным 0,2), p0 = 3P / 2πab = 1211 МПа – максимальное давление в контакте;
ri = xi2 + yi2 .
Окончательно выражения для скоростей взаимного скольжения точек тел примут вид
dq y
dq
.
v x = V (ξ x −ψyi ) − VL x ; v y = V (ξ xy + ψxi ) − VL
dx
dx
74
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 1(33)
Распределения скоростей взаимного проскальзывания точек ролика и направляющей
представлены векторами на рис.4а,в,д.
у,
мм
у,
мм
Участок сцепления
1,0
1,0
0,5
0,5
0
0,5
1,0
1,5 x, мм
0
0,5
а)
1,0
1,5 x, мм
б)
у,
мм
у,
мм
Участок сцепления
1,0
1,0
0,5
0,5
0
0,5
1,0
1,5 x, мм
0
0,5
в)
у,
мм
1,0
1,5 x, мм
г)
у,
мм
Участок сцепления
1,0
1,0
0,5
0,5
0
0,5
1,0
1,5 x, мм
0
д)
0,5
1,0
1,5 x, мм
е)
Рис.4. Распределения скоростей скольжения точек пятна контакта (а,в,д,) и области сцепления (б,г,е):
а,б – для переходного участка с положительным спином; в, г – для переходного участка с отрицательным спином; д, е – для линейного участка
На переходном участке спины для правой и левой дорожек катания имеют разные
знаки, вследствие чего распределения скоростей для них различные (рис.4а,в). Пятно кон75
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 1(33)
такта делится на участки скольжения и участки сцепления. Светлые области на рис.4б,г,е
представляют участки сцепления.
Потеря энергии, приходящаяся на узел i , равна
∆Wi = (q x v x + q y v y )∆x∆y .
Вычислены потери энергии на трение качения ролика при нагрузке N на подвеску
4,255 кН на линейном участке конвейера и на переходных участках. Длина переходного
участка принята равной 4 м, расстояние между подвесками – 1 м, скорость перемещения
ленты – 1 м/с. Значения нагрузок на подвески на переходном участке взяты из работы [6].
Значения потери энергии, приходящейся на ролик, для переходного участка приведены в
таблице.
Таблица
Потери энергии на трение качения ролика по направляющей на переходном участке, Вт
Дорожка
Правая
Левая
Всего
3,0
2,03
1,91
3,94
3,1
2,11
1,97
4,08
Нагрузка на ролик, кН
3,6
2,5
2,32
4,82
4,1
2,85
2,68
5,51
7,0
5,35
4,93
10,28
Потеря энергии для ролика при качении на линейном участке составила 4,26 Вт. Нагрузка на ролики на нерабочем участке ленты мала, в связи с чем потери на трение не учитывались. При длине конвейера 50 м потери энергии на трение качения роликов составляют 483 Вт.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Аверченков, В.И. Конвейеры с подвесной лентой / В.И. Аверченков, С.В. Давыдов, В.П. Дунаев [и др.];
под общ. ред. В.И. Аверченкова, В.Н. Ивченко.- М.: Машиностроение – 1, 2004. – 256 с.
2. Новиков, С.П. Напряженно-деформированное состояние в области контакта массивных деталей и оболочек: дис….канд. техн. наук/ С.П. Новиков. – Брянск, 2002. – 203 с.
3. Тимошенко, С.П. Теория упругости / С.П. Тимошенко, Дж. Гудьер.- М.: Наука, 1975. – 576 с.
4. 4. Kalker, J.J. Three-dimensional elastic bodies in rolling contact / J.J. Kalker.
– Dorrecht; Boston; London:
Kluwer academic publishers, 1990. – 314 p.
5. Kalker, J.J. A Fast Algorithm for the Simplified Theory of Rolling Contact / J.J. Kalker // Vehicle system dynamics. – 1982. – Vol.11. – P. 1-13.
6. Ивченко, В.Н. Обоснование рациональных параметров и разработка конструкции несущих элементов
конвейера с подвесной лентой: дис….канд. техн. наук/ В.Н. Ивченко. – Брянск, 2009. – 154 с.
Материал поступил в редколлегию 3.02.12.
76
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 1(33)
УДК 621.43: 51.001
А.А. Обозов, М.А. Старокожев
ИССЛЕДОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ДВУХБЛОЧНОГО ЧЕТЫРЕХКАМЕРНОГО
РОТОРНО-ПОРШНЕВОГО ДВИГАТЕЛЯ В ШИРОКОМ ДИАПАЗОНЕ
ЕГО НАГРУЗОЧНЫХ И СКОРОСТНЫХ РЕЖИМОВ
Приведены результаты исследования рабочего процесса двухблочного четырехкамерного роторнопоршневого двигателя, полученные методом математического моделирования для широкого диапазона его
эксплуатационных режимов. Выполнен регрессионный анализ данных. Получены универсальные характеристики двигателя.
Ключевые слова: двухблочный роторно-поршневой двигатель, рабочий процесс, математическое моделирование, регрессионный анализ, универсальные характеристики, эксплуатационные режимы.
Степень открытия дроссельной
заслонки δ(μFвс) , %
В более ранних публикациях [1;2] приводилось описание конструктивных особенностей двухблочного четырехкамерного роторно-поршневого двигателя (РПД) и результаты
исследования его рабочего процесса с использованием метода математического моделирования. Применяемая при проведении исследования математическая модель рабочего
процесса РПД представляет собой систему дифференциальных уравнений, описывающих
законы сохранения энергии и массы открытой термодинамической системы. Для определения параметров рабочего тела используется известное из термодинамики уравнение состояния Клапейрона-Менделеева. В результате исследования были определены параметры
двигателя для номинального режима его работы (n дв =4000 мин-1; эффективная мощность
элементарного цикла P e ц = 15 кВт; эффективная мощность, снимаемая с двух блоков,
P e =60 кВт). Целевое назначение РПД предполагает его работу не только на режиме номинальной мощности, но и на долевых скоростных и нагрузочных режимах, и в связи с этим
представляет интерес получение параметров двигателя в широком диапазоне режимов
его работы.
Определим диапазон нагрузочных режимов двигателя от максимальных нагрузок
(дроссельная заслонка полностью
открыта, при этом дозирование топ125
лива должно задаваться с обеспечеМоделируемые режимы
4
9
100
нием коэффициента избытка воздуха
14
19
при сгорании α сг =1,05) до режимов
3
75
18
холостого хода, при которых индикаторная мощность двигателя равна
2
17
50
механическим потерям, и соответстРежимы холостого хода
венно эффективная мощность двига1
25
теля равна нулю.
5
20
0
Определим также диапазон ско5000
2000
3000
4000
0
1000
ростных режимов работы двигателя
-1
от 1000 мин-1 (режим минимальных
Частота вращения вала двигателя n дв , мин
оборотов) до 4000 мин-1 (режим ноРис. 1. План моделирования рабочего процесса двигателя
минальных оборотов).
Для оценки характера изменения основных параметров двигателя в широком диапазоне нагрузок и скоростей было проведено математическое моделирование его работы в
соответствии с планом, приведенным на рис. 1.
77
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 1(33)
Как видно из рис. 1, точки плана моделирования (20 точек) образуют совокупности
нагрузочных (n дв =const) и скоростных (δ (μFвс) =const) характеристик двигателя.
Вычислительный алгоритм строится следующим образом. Изначально задается положение дроссельной заслонки (задается значение параметра δ (μFвс) ), которое определяет
степень наполнения камеры всасывания свежим зарядом. Далее моделируются процессы
сжатия заряда и перепуска его в камеру сгорания, в результате чего определяется количество заряда Gпер , поступившего в камеру сгорания. Затем определяется величина цикловой подачи топлива из условия полного сгорания при заданном коэффициенте избытка
воздуха α сг =1,05:
qц =
Gпер
α сг L0
,
(1)
где L 0 – теоретически необходимое количество воздуха для сгорания 1 кг топлива
(для бензина L 0 =14,81 кг) .
При моделировании всех режимов работы двигателя принималось, что зажигание
(подача искры) осуществляется в момент времени, когда прекращается перепуск смеси из
камеры сжатия в камеру сгорания, т. е. в момент, когда камеры разобщаются. В связи с
этим для всех моделируемых режимов параметр функции Вибе φ z = 0/360 град ПВ.
Было принято допущение, что при изменении скоростного режима двигателя продолжительность процесса сгорания топлива (время t z полного выгорания цикловой подачи) остается постоянной. Соответственно параметр функции Вибе - угол φ z ,
характеризующий продолжительность процесса сгорания, - при изменении скоростного
режима работы двигателя будет изменяться. При этом если рассматривать предельный
dx
случай, то при n дв ≈0 мин-1 относительная скорость тепловыделения
будет стремиться
dϕ
к бесконечности (φ z стремится к нулю). Отсюда следует, что параметр φ z необходимо корректировать (задавать зависимым от n дв из условия t z =const). Была принята зависимость
изменения параметра φ z от частоты вращения вала из следующего условия: при
n дв =4000 мин-1 φ z =65 град ПВ; при n дв =1000 мин-1 φ z =30 град ПВ. Получена однопараметрическая линейная зависимость
φ z = 0,011667 n дв +18,33.
При изменении нагрузочного режима (при дросселировании потока смеси на входе в
камеру всасывания) будут в значительной степени изменяться условия в камере сгорания
в момент зажигания смеси. Чем выше температура и давление смеси, тем скорость тепловыделения будет выше (повышение температуры будет приводить к ускорению реакций
окисления; давление определяет объемную концентрацию реагирующих веществ), и наоборот, понижение температуры и давления в камере приводит к уменьшению скорости
тепловыделения. В технической литературе содержатся скупые сведения о характере зависимости скорости выгорания топлива (бензинов) от названных факторов. Авторами была принята зависимость изменения параметра Δφ z от степени дросселирования δ (μFвс) из
следующего условия: при полностью открытой дроссельной заслонке, т. е. при
δ (μFвс) =100%, Δφ z =0 град ПВ; при δ (μFвс) =25% Δφ z =+30 град ПВ. В результате φ z задавался
с использованием следующей двухпараметрической линейной зависимости:
φ z = (0,011667 n дв +18,33)+ Δφ z ,
где Δφ z = - 44,44 δ (μFвс) +40; μ - коэффициент расхода впускного отверстия камеры всасывания (μ=0,9).
Показатель функции Вибе m, определяющий характер тепловыделения, для всех моделируемых режимов принят постоянным (m=2).
При моделировании было принято допущение, что температура стенок камер неизменна на всех режимах. Это внесло некоторые погрешности в полученные результаты.
78
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 1(33)
На рис.2 показаны полученные в результате моделирования зависимости изменения
давлений в камерах двигателя от угла поворота вала для двух граничных точек плана
внешней скоростной характеристики (рис.1, точки 19, 4).
а)
Давление в камере всасывания
(сжатия) P вс и камере сгорания
(выпуска) P сг , бар
60
Перепуск
50
P сг
40
30
P вс
20
Начало
впуска 1
10
Окончание
впуска 2
Окончание
впуска 1
Начало
впуска 2
A
C
Начало
выпуска
B
0
0
90
180
270
360
450
540
630
720
Угол поворота вала двигателя φ , град
б)
Рис. 2. Изменение давлений в камерах двигателя на режимах внешней скоростной
характеристики: а – точка плана 19 (номинальный режим работы двигателя;
n дв = 4000 мин-1, δ μFвс =100%); б – точка плана 4 (минимальная частота вращения вала;
n дв = 1000 мин-1, δ μFвс =100%)
Представляют интерес полученные параметры режимов холостого хода (точки плана
20 и 5), приведенные на рис.3. Как видно из рис. 3, в результате дросселирования потока
воздуха на входе в камеру всасывания максимальное давление, которое создается в камере сжатия, не превышает 7 бар. В момент начала процесса сжатия абсолютное давление в
камере сжатия составляет p вс (φ=180 град ПВ) =0,19…0,23 бар, т. е. наблюдается значительное
разрежение. Температура смеси в конце процесса сжатия равна T вс(φ=360 град ПВ) = 590…690
K. Максимальное давление сгорания и максимальная температура газов в камере сгорания
на режимах холостого хода соответственно равны p сг max =8…8,5 бар и
T сг max =2100…2150 K.
79
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 1(33)
а)
б)
Рис. 3. Изменение давлений в камерах двигателя на режимах холостого хода скоростной
характеристики:
а – точка плана 20 (холостой ход; n дв = 4000 мин-1, δ μFвс =13,2%);
б – точка плана 5 (холостой ход; n дв = 1000 мин-1, δ μFвс =3,9%)
Полученные в результате моделирования основные параметры двигателя для всех
точек плана (рис.1) приведены в таблице.
Полученные данные обрабатывались с применением метода регрессионного анализа
[3;4] с помощью стандартного пакета обработки данных - приложения Excel (ОС
Windows). Регрессионный анализ широко используется исследователями при решении
различного рода задач, связанных с аппроксимацией характеристик двигателей внутреннего сгорания.
В качестве примера на рис.4 представлены универсальные характеристики двигателя, показывающие характер изменения некоторых параметров в поле эксплуатационных
режимов работы двигателя. Аппроксимация характеристик осуществлялась полиномом
второй степени (в форме полной квадратики) от двух определяющих переменных - частоты вращения коленчатого вала n дв и эффективной мощности двигателя P e . На графиках
(рис.4) также показано положение внешней скоростной характеристики двигателя.
80
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 1(33)
Параметры рабочего процесса роторно-поршневого двигателя, полученные в результате моделирования по плану эксперимента
Точка
плана
1
2
3
4
5*
6
7
8
9
10*
11
12
13
14
15*
16
17
18
19
20*
n дв ,,
мин-1
1000
1000
1000
1000
1000
2000
2000
2000
2000
2000
3000
3000
3000
3000
3000
4000
4000
4000
4000
4000
δ (μFвс)
,
%
25
50
75
100
3,9
25
50
75
100
6,61
25
50
75
100
9,67
25
50
75
100
13,2
Pe,
кВт
M кр ,
кН·м
ηv
12,73
13,97
14,26
14,47
0,020
16,74
28,44
31,66
32,33
0,003
13,83
34,61
44,17
48,34
0,006
10,41
33,51
49,86
60,00
0,004
0,1216
0,1334
0,1362
0,1382
0,0002
0,0799
0,1358
0,1512
0,1544
0,0000
0,0440
0,1102
0,1406
0,1539
0,0000
0,0249
0,0800
0,1190
0,1432
0,0000
0,8990
0,9546
0,9650
0,9698
0,2280
0,6332
0,9001
0,9439
0,9537
0,1992
0,0440
0,7716
0,9005
0,9378
0,1957
0,3400
0,6334
0,8187
0,9018
0,1990
pc,
бар
Tc,
К
G пер ,
г
p сг max ,
бар
T сг max ,
К
Li ц,
кДж
α сг
27,17
28,38
28,53
28,60
7,10
20,64
29,52
30,67
30,80
6,90
15,15
27,22
31,75
32,80
7,08
12,29
23,65
30,78
33,80
7,40
764
751
746
743
708
779
784
776
771
715
782
803
802
796
729
784
813
819
817
745
0,6004
0,6276
0,6317
0,6385
0,1430
0,4182
0,5938
0,6261
0,6253
0,1250
0,2863
0,5088
0,5937
0,6182
0,1220
0,2194
0,4162
0,5398
0,5946
0,1240
37,38
44,93
53,73
61,17
8,440
23,47
37,35
45,01
52,39
7,37
15,17
28,40
37,14
44,06
7,47
12,18
21,87
29,89
37,10
7,63
2599
2681
2760
2859
2099
2558
2692
2772
2837
2121
2451
2651
2733
2805
2118
2355
2576
2688
2777
2127
0,4319
0,4692
0,4778
0,4842
0,0507
0,3010
0,4765
0,5249
0,5349
0,0500
0,1883
0,3961
0,4917
0,5334
0,0500
0,1281
0,3013
0,4239
0,4999
0,0500
0,880
0,979
1,036
1,050
0,763
0,880
0,979
1,036
1,050
0,763
0,880
0,979
1,036
1,050
0,763
0,880
0,979
1,036
1,050
0,763
be,
Таблица
b e ’,
qц,
г
q’ ц ,
г
г/(кВт·ч)
г/(кВт·ч)
0,0386
0,0403
0,0406
0,0410
0,0092
0,0268
0,0381
0,0402
0,0402
0,0080
0,0184
0,0327
0,0381
0,0397
0,0078
0,0141
0,0267
0,0347
0,0388
0,0080
0,0460
0,0432
0,0411
0,0410
0,0127
0,0320
0,0409
0,0408
0,0402
0,0110
0,0219
0,0350
0,0387
0,0403
0,0108
0,0168
0,0287
0,0351
0,0388
0,0100
363,9
346,6
341,8
340,5
385,6
322,3
305,2
298,5
479,4
340,4
311,1
296,1
650,4
383,3
334,2
310,7
-
434,3
371,7
346,5
340,6
460,2
345,6
309,4
298,6
572,0
365,0
315,4
300,1
776,2
411,0
338,8
310,8
-
Примечание. Символом «*» отмечены режимы холостого хода; условные обозначения параметров: n дв - частота вращения вала двигателя; δ (μFвс) – степень открытия
дроссельной заслонки; P e - эффективная мощность двигателя; M кр - крутящий момент на валу двигателя; η v - коэффициент наполнения камеры всасывания; p c , T c давление и температура в камере сжатия (в начале перепуска); G пер – количество свежего заряда, поступающее в камеру сгорания; p сг max , T сг max - максимальные давление и температура в камере сгорания; L i ц – индикаторная работа элементарного цикла; α сг – коэффициент избытка воздуха; q ц , q ц ‘– цикловая подача топлива (с символом «‘»- скорректированная); b e , b e ‘- удельный эффективный расход топлива (с символом «‘» – скорректированный).
81
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 1(33)
60
Внешняя
скоростная
характеристика
(δ μFвс =100%)
50
Эффективная мощность двигателя Pe , кВт
Эффективная мощность двигателя Pe , кВт
60
40
30
20
35
25
30
20
15
10
Внешняя скоростная
характеристика
(δ μFвс =100%)
50
40
30
20
0,05
0,035
0,025
0,04
10
0,02
0,015
0,03
Pс =10 бар
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
q ц =0,01
3500
0
500
4000
1000
а)
2500
3000
3500
4000
б)
60
60
Внешняя
скоростная
характеристика
(δ μFвс =100%)
50
Эффективная мощность двигателя Pe , кВт
Эффективная мощность двигателя Pe , кВт
2000
Частота вращения вала n дв , мин
Частота вращения вала n дв , мин
40
30
20
30
50
10
1500
-1
-1
25
20
15
35
40
P сг max=10 бар
Внешняя
скоростная
характеристика
(δ μFвс =100%)
50
40
30
20
2800
2700
2600
2500
2400
10
2300
2200
T сг max=2100 K
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
Частота вращения вала n дв , мин
-1
Частота вращения вала n дв , мин
-1
в)
г)
Рис. 4. Универсальные характеристики: а - p c =f(n дв , P e ); б - q ц = f(n дв , P e );
в - p сг max =f(n дв , P e ); г - T сг max =f(n дв , P e )
82
4000
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 1(33)
Универсальные характеристики описываются следующими полиномами:
p c = 23,51 - 0,01359 n дв +1,237 P e -0,0001624 n дв P e +2,422·10-6 n дв 2 -0,002903 P e 2;
q ц = 0,03639 - 2,284·10-5 n дв +0,001784 P e -2,732·10-7 n дв P e +4,005·10-9 n дв 2 -3,887 ·10-6P e 2;
p сг max = 49,32 - 0,3630 n дв +2,412 P e -0,0005604 n дв P e +6,711·10-6 n дв 2 +0,003619 P e 2;
T сг max = 2553 - 0,3613 n дв +37,37 P e -0,004679 n дв P e + 6,653·10-5 n дв 2-0,1628 P e 2.
Полученные значения квадрата множественного коэффициента корреляции R2 и
критерия Фишера F позволили сделать заключение об удовлетворительном качестве аппроксимации характеристик двигателя (R2≈0,89…0,97; F≈25 …90).
На рис.5 приведена универсальная характеристика, иллюстрирующая характер изменения удельного эффективного расхода топлива b e в режимной области работы двигателя.
Функция b e =f(n дв , P e ) имеет следующий вид (при R2=0,992, F=281,4):
b e = 392,8 + 0,05328 n дв - 7,6809 P e - 0,002470 n дв P e + 1,2759·10-5n дв 2 + 0,15565P e 2.
Как видно из рис.5, область наиболее экономичных режимов работы двигателя (b e =300…320 г/(кВт·ч)) расположена вблизи внешней скоростной характеристики в
диапазоне частот вращения n дв = 2300…3500 мин-1. При увеличении мощности и частоты
вращения двигателя экономичность двигателя несколько ухудшается, тем не менее на режиме номинальной мощности удельный эффективный расход топлива равен приблизительно 310 г/(кВт·ч).
60
Область наиболее экономичных
режимов работы двигателя
305
50
300
Эффективная мощность двигателя Pe , кВт
Внешняя скоростная
характеристика
(δ μFвс =100%)
40
30
300
310
20
320
330
340
350
10
360
380
0
500
400
1000
420
1500
450
500
2000
2500
3000
3500
Частота вращения вала n дв , мин
-1
Рис.5. Универсальная характеристика удельного эффективного
расхода топлива b e =f(n дв , P e )
83
4000
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 1(33)
В заключение следует сделать одно уточнение. Известно, что для обеспечения устойчивой работы двигателя на долевых режимах и режимах, близких к режимам холостого хода (на данных режимах осуществляется значительное дросселирование потока заряда
на входе в цилиндр), следует обогащать смесь. Для устойчивой работы двигателя на режимах холостого хода рекомендуется, чтобы коэффициент избытка воздуха был в
диапазоне
α сг =0,65…0,8 [5]. Это является вынужденной мерой и приводит к ухудшению экономичности двигателя, так как часть топлива в условиях недостатка воздуха (кислорода) не может сгореть и выбрасывается из двигателя в атмосферу. Приведенные результаты
моделирования (рис.5) получены для условий сгорания при α сг =ivar=1,05. При этом величина цикловой подачи смеси q ц , полностью сгорающей в камере двигателя, определялась
по формуле (1).
Действительная (скорректированная) цикловая подача топлива q ц ’ с учетом несгоревшей доли (при α сг <1) может быть определена из выражения
1,05
.
qц ' = qц
α сг
Параметр α сг для учета осуществляемого обогащения смеси на долевых режимах
может быть задан как полиномиальная функция от степени открытия дроссельной заслонки:
α сг = - 0,0000341 δ (μFвс) 2 +
0,006527 δ (μFвс) +0,738.
Вид приведенной функции
α сг = f [δ (μFвс) ] иллюстрирует
рис.6.
Учитывая
изложенное,
можно сделать вывод о том, что
на долевых режимах при значительной
степени
дроссеРис.6. Зависимость действительного коэффициента избытка
воздуха αсг от степени открытия дроссельной заслонки δ(μFвс)
лирования потока действительные значения цикловой подачи
топлива q ц ’, а также удельного расхода топлива b e ’ будут несколько выше рассчитанных
при условии α сг =1,05. На режимах, близких к режимам холостого хода, эта разница может
достигать 20%.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Обозов, А.А. Исследование процессов двухблочного роторно-поршневого двигателя с помощью метода
математического моделирования / А.А. Обозов, М.А. Старокожев// Вестн. БГТУ. – 2011. – №4. С.47-54.
2. Обозов, А.А. Двухблочный роторно-поршневой двигатель: конструкция и принцип работы / А.А. Обозов, М.А. Старокожев // Двигателестроение. – 2012. – №1. - С.7-10.
3. Фёстер, Э. Методы корреляционного и регрессионного анализа / Э. Фёстер, Б. Рёнц; пер. с нем. В.М.
Ивановой. – М.: Финансы и статистика, 1983. – 302 с.
4. Дрейпер, Н. Прикладной регрессионный анализ / Н. Дрейпер, Г. Смит; пер. с англ. и науч. ред. Ю.А. Адлера и В.Г. Горского. – М.: Статистика, 1973. –392 с.
5. Ленин, И.М. Автомобильные и тракторные двигатели. Ч. 1. Теория двигателей и системы их топливоподачи / И.М.Ленин, В.А.Костров, О.М. Малышкин [и др.]; под. ред. проф. И.М. Ленина. – М.: Высш. шк.,
1976.- 368 с.
Материал поступил в редколлегию 18.01.12.
84
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 1(33)
УДК 621:658.011.56
В. П. Фёдоров, Нагоркин, И. Л. Пыриков, А.Г. Ивахненко, Г.А. Федяева, Л.А. Потапов
АВТОМАТИЗАЦИЯ ДИАГНОСТИКИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ
ПО ПАРАМЕТРАМ КАЧЕСТВА ПОВЕРХНОСТЕЙ
ОБРАБАТЫВАЕМЫХ ДЕТАЛЕЙ
Рассмотрены актуальные вопросы автоматизации диагностики технологических систем по параметрам качества поверхностей обрабатываемых деталей, включая их эксплуатационные свойства. Представлены примеры действующих систем диагностики качества поверхности, построенных на основе модернизированных
отечественных приборов и оборудования.
Ключевые слова: автоматизация, диагностика, технологическая система, качество поверхности, эксплуатационные свойства, надёжность, модернизация, компьютеризация.
Эксплуатационные свойства деталей машин и их соединений формируются в ходе
технологического процесса их изготовления, который является сложной динамической
системой, объединяющей в единый комплекс оборудование, средства контроля и управления, обрабатывающий инструмент, объекты производства и многое другое, включая
транспорт и людей. Причём все эти составляющие находятся в постоянном движении и
изменении[1]. Технологические системы (ТС) как элементы технологического процесса,
представляющие его отдельные операции, должны решать задачу обеспечения требуемых
показателей качества поверхностей обрабатываемых деталей с заданной надёжностью. В
связи с этим одним из важнейших показателей безотказности ТС по i-му параметру качества является вероятность выполнения задания P(t), которая для обеспечения одновременно m регламентируемых параметров в соответствии с ГОСТ 27.203-83 определяется как
P{E i1 ≤ y1 (t) ≤ E s1 ; E i2 ≤ y2 (t) ≤ E s2 ; …; E im ≤ y m (t) ≤ E sm } = P(t). Здесь E ij , E sj1 – соответственно нижнее и верхнее предельные отклонения для i-го параметра, установленные нормативно-технической документацией; yj (t) – значения j-го параметра в момент t.
При оценке надёжности ТС по параметрам качества за критерий её отказа следует
принимать выход за заданный уровень только тех параметров, значения которых регламентированы конструкторско-технологической документацией.
Для оценки работоспособности технологического процесса обработки деталей необходима диагностика входящих в него ТС по обеспечению требуемых параметров качества
обрабатываемых поверхностей.
Качество поверхности детали – понятие достаточно широкое и многогранное. В настоящее время наряду с традиционными показателями (геометрические параметры, физико-механические свойства, структура поверхностного слоя) оно включает параметры эксплуатационных свойств (ПЭС), которые определяются функциональным назначением детали. Это могут быть параметры износостойкости, контактной жёсткости, усталостной
прочности и др.
Каждая ТС имеет свои особенности в плане формирования обрабатываемой поверхности и её показателей качества. Эти особенности определяются не только технологической
сущностью системы и происходящими в ней физическими процессами взаимодействия инструмента с обрабатываемой поверхностью, но и физическим состоянием самой ТС, обусловленным временем и условиями эксплуатации, качеством технологического обслуживания, износом и другими факторами. В связи с этим рекомендации и модели формирования
ПКПС и ПЭС для тех или иных методов обработки, имеющиеся в научной и справочной
литературе, могут оказаться неактуальными для конкретной ТС и требовать уточнения.
Это подчёркивает актуальность технической диагностики ТС по параметрам качества поверхностного слоя (КПС) и эксплуатационных свойств (ЭС) обрабатываемых по85
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 1(33)
верхностей для всех единиц оборудования, входящего в технологический цикл, даже если
они являются ТС одной и той же модели. Чтобы справиться с таким объёмом диагностики
и обеспечить её высокое качество и эффективность, необходима автоматизация этого процесса, предусматривающая применение стандартизованных или унифицированных измерительных средств и современных информационных технологий.
Процесс автоматизированной экспресс-диагностики ТС с ЧПУ (ЭДТС) предполагает
автоматизацию обработки поверхностей образцов в соответствии с заданным планом
(блоки А, В, рис. 1); измерение ПКПС (С1 и С2) и ПЭС (С3) с применением информационно-измерительных систем (ИИС) на базе ПК2 (блок С, рис. 1); общее управление процессом ЭДТС, обработку и статистический анализ результатов диагностики с выдачей соответствующей документации (блок D, рис. 1).
Автоматизацию диагностики ТС с ЧПУ по параметрам качества целесообразно осуществлять путём реализации активного эксперимента программным способом, что даёт
возможность получить физико-статистическую модель формирования ПКПС и ПЭС в зависимости от условий обработки. План такого эксперимента формируется в блоке А. При
обработке плоских поверхностей деталей типа направляющих трения скольжения целесообразно диагностировать последние операции технологического процесса (ТП), определяющие окончательные ПКПС и ПЭС. Так, при диагностике окончательной стадии ТП,
предусматривающего в качестве финишной обработки ОУО ППД, эта задача может быть
решена в несколько этапов.
Этап 1. В блоке А (рис. 1) формируется план эксперимента, который для данного
примера предполагает диагностику ТС при вариации четырёх факторов обработки (таблица): трёх количественных (S пр , мм/мин, - величина подачи при предварительной обработке
(фрезеровании); Q, H, - сила воздействия на индентор при финишной обработке ППД;
S, мм/об, - величина подачи при ППД) и одного качественного (метод ППД (алмазное выглаживание (АВ, +), накатывание шариковым индентором (НШ, –)). Уровни значений количественных факторов назначаются в каждом конкретном случае технологом.
Этап 2. В блоке В (рис. 1) выполняется окончательная стадия обработки поверхности образца в соответствии с планом ЭДТС (таблица) в автоматизированном режиме. Одна из схем (ТС1, рис. 1) предварительной обработки торцевым фрезерованием предусматривает возможность получения верхнего (+) и нижнего (–) заданных уровней шероховатости за один проход, что обеспечивается повышенной технологической гибкостью ТС с
ЧПУ. Такая обработка поверхностей реализуется путём дискретного изменения величины
подачи S пр в пределах перехода программным способом (рис. 2а). С этой целью эффективно
использовать метод параметрического
программирования. В качестве исходных данных
вводятся следующие величины: L – длина образца; i – количество
групп участков обработки с чередующейся подачей (+, –); величина Z0
и глубина резания t; значения подач при обработке – максимальной
(S max (+)) и минимальной
(S min (–)).
Рис. 1. Автоматизация ЭДТС программным методом на базе ПК:
А – блок планирования; В – блок обработки поверхности образцовсвидетелей; С – измерительный блок; D – блок обработки результатов
86
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 1(33)
Таблица
Матрица планирования процесса
«Фрезерование – ОУО ППД плоских поверхностей»
N
1
2
3
4
5
6
7
8
S пр ,
мм/мин
Х1
+
–
+
–
+
–
+
–
Q,
H
Х2
–
–
–
–
+
+
+
+
S,
мм/об
Х3
–
–
+
+
–
–
+
+
Метод
ППД
Х4
+
+
+
+
–
+
+
+
N
9
10
11
12
13
14
15
16
S пр ,
мм/мин
Х1
+
–
+
–
+
–
+
–
Q,
H
Х2
–
–
–
–
+
+
+
+
S,
мм/об
Х3
–
–
+
+
–
–
+
+
Метод
ППД
Х4
–
–
–
–
–
–
–
–
Предварительная обработка может осуществляться по схеме с переменным вектором
подачи (рис. 2б), что обеспечит переменную ориентацию наследуемых следов обработки после последующей ОУО ППД и окажет безусловное влияние на ПЭС обработанной поверхности. Выбор рационального направления следов обработки способствует оптимальному распределению смазки в соединении во время эксплуатации, а смена направления, вызываемая
переменным вектором подачи, может препятствовать возникновению резонансных явлений
при относительных перемещениях контактирующих поверхностей в процессе эксплуатации,
особенно в области малых скоростей. Исходные данные, используемые в этом случае, показаны на рис. 2б. Предварительная обработка с подачами S прmax и S прmin позволяет получить
поверхность с шероховатостью в пределах Raпр max…Raпр min , что приводит к формированию
различных физико-механических свойств поверхности, и, следовательно, через механизм
технологического наследования после ОУО ППД влияет на ПКПС и ПЭС поверхностей.
Дальнейшая обработка образцов в ТС2 (блок В, рис. 1) осуществляется ОУО ППД в
соответствии с планом ЭДТС (таблица) путём программной реализации двух полуреплик
плана (для алмазного выглаживания (АВ, опыты 1 – 8) и накатывания шариком (НШ, опыты
1 – 16)) по схеме на рис. 2в. Удобно использовать метод параметрического программирования. Исходные данные l, l 1 , b понятны из рис. 2в. Уровни нагрузки Q выбираются из тарировочного графика устройства ППД упругого действия и обеспечиваются перемещением
инструмента по оси Z на величину Z0 + ∆, где ∆ = ∆ min (Q min ) или ∆ max (Q max ). Значения подачи S max и S min соответствуют верхнему (+) и нижнему (–) уровням. Величина Z0 выбирается из технологических соображений.
Автоматизация обработки образцов программным способом на данном этапе диагностики наиболее эффективна при использовании современных мехатронных ТС металлообработки. Известно, что одним из основных направлений технического перевооружения предприятий России является модернизация оборудования, так как возможности машиностроительных заводов по приобретению новых станков весьма ограниченны. Одной
из важнейших задач развития машиностроения России является модернизация станочного
оборудования, определяющего качество продукции промышленных предприятий. Значительный парк станков не используется из-за выхода из строя систем управления (при том,
что механическая часть находится в рабочем состоянии). Эта проблема не позволяет повышать эффективность производства, выполнять все заказы, поступающие на предприятия. Решению этой проблемы поможет модернизация систем управления станков, включающая замену устаревших СЧПУ новыми, построенными на базе ПЭВМ, замену измерительных систем, комплексную замену узлов электропривода и электроавтоматики станка.
СЧПУ модернизируется в зависимости от типа станка и задач, которые необходимо
87
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 1(33)
на нём выполнять, количества управляемых координат
и т. д.
В последнее время при
модернизации оборудования
большое
распространение
получает использование в
качестве программного УЧПУ обычного ПК. Особенностью такого УЧПУ является отсутствие специализированного пульта управления станком.
В основном программное УЧПУ используют для
управления шаговыми двигателями (рис. 2), которое
осуществляется
через
имеющийся порт LPT. Приводы подач можно легко
модернизировать путём установки силового шагового
привода, что требует минимальных
конструктивных
доработок, касающихся сопряжения валов силовых
ШД и редукторов приводов
подач.
В качестве программного обеспечения целесообразно использовать программный контроллер ЕМС2. EMC
(the Enhanced Machine Controller) – это система программ для управления станками, роботами и другим
технологическим оборудованием с бесплатным проРис. 2. Автоматизированная обработка поверхностей образцов
граммным обеспечением и
при диагностике ТП ОУО ППД с учётом технологической
наследственности: а - предварительная обработка торцевым
открытым исходным кодом.
фрезерованием с дискретно изменяемой подачей Sпр;
Реализованная в проб - предварительная обработка торцевым фрезерованием с
цессе
модернизации станка
переменным вектором подачи; в - схема реализации активного
6Р13Ф3 система «EMC2 +
эксперимента на станке FQW-400 с применением
силовой ШП» наряду с пропараметрического программирования
граммированием с клавиатуры ПК позволяет программировать с помощью CAM-систем, которые избавляют технолога-программиста от необходимости проведения математических вычислений, обеспечивают его типовыми функциями, автоматизирующими ту или иную обработку [2]. Трехмерная визуализация позволяет осуществлять предварительное моделирование процесса
обработки, что важно при решении задач инженерии поверхности.
88
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 1(33)
Из возможных пакетов программного обеспечения – EdgeCam (www.edgecam.com),
MasterCam (www.mastercam.com) и Adem (www.adem.ru) – используется пакет Adem, который, наряду с другими функциями, на основе моделей DEM CAM решает широчайший
спектр задач по формированию управляющих программ (УП) для фрезерной и других видов
обработки. Он находится в одном ряду с наиболее передовыми системами подобного класса.
Открытость программного обеспечения EMC2 даёт возможность его обновления и возможность использования модернизированного на его основе оборудования в составе виртуальных предприятий.
Этап 3. Цель этапа заключается в измерении ПКПС и ПЭС поверхностей образцов в
блоке С (рис. 1) после технологических воздействий. Диагностику ТС по геометрическим
параметрам качества поверхностей (С1, рис. 1) можно проводить с помощью как стационарных, так и мобильных информационно-измерительных систем (ИИС).
Стационарная автоматизированная ИИС-1 включает (рис. 3) в качестве измерительных модулей для измерения параметров шероховатости и волнистости профилографпрофилометр мод. 170311 («Калибр») (рис. 3 а); для измерения отклонений от круглости –
кругломер мод. 175121 («Калибр») (рис. 3 б). В качестве модуля сопряжения между
ПЭВМ и измерительными блоками используется универсальный адаптер аналого-цифрового ввода-вывода NVL 03 для IBM PC («Сигнал»). При помощи управляющей программы пользователь через устройство ввода-вывода адаптера NVL 03 выполняет ряд операций по обеспечению процессов тарировки, балансировки, измерения, расчёта, накопления
и представления информации [3; 4].
ИИС-1 позволяет в процессе диагностики ТС в автоматизированном режиме определить следующие геометрические характеристики поверхностей: 1) параметры шероховатости в пределах базовой длины со стандартизованным алгоритмом расчёта по ГОСТ
25142-82; 2) параметры волнистости (Wa – среднее арифметическое отклонение профиля
волнистости; Wz – высота неровностей профиля волнистости по десяти точкам; Wmax –
наибольшая высота волнистости; Smw – среднее значение
шага волнистости по средней
линии; ρw – средний радиус
закругления вершин выступов
волны); 3) параметры отклонений от круглости в соответствии с ГОСТ 24642-81.
Аналогичные
задачи
можно решать, проводя измерения мобильными средствами
диагностики непосредственно в
рабочей зоне ТС в периоды
между технологическими переРис. 3. Автоматизированная на базе ПК стационарная система
ИИС-1 диагностики ТС по геометрическим параметрам качества
ходами обработки поверхноповерхностного слоя деталей
стей (рис. 4). ИИС-2 построена
89
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 1(33)
аналогично ИИС-1 и включает в качестве измерительного модуля цеховой профилометр мод.
170622 (Россия), а в качестве управляющего модуля – ноутбук [4]. На этом этапе можно использовать зарубежные модели профилометров, имеющие возможность подключения к ПК:
профилометры «MarSurf PS1» (рис. 4 в), TR-200 и др.
Использование при диагностике ТС укаФрезерный станок
занных систем позволяет создавать соответстДеталь
вующие банки данных и, проводя периодичеПривод с
ПЭВМ
датчиком
скую экспресс-диагностику, выявлять картину
Электронный
эволюции соответствующих ПКПС во времени.
блок
Диагностика
ТС
по
физикомеханическим свойствам (С2, рис. 1) проводится путём измерений твёрдости, микротвёрдости поверхности и остаточных напряжений
а)
известными способами с применением соответствующих приборов и методик. Существенно облегчить решение целого класса задач
может модернизация существующих отечественных средств металлографической микроскопии на основе их компьютеризации при
незначительных
материальных
затратах.
Удачным примером в этом плане может служить разработанная в БГТУ система микроб)
структурного анализа поверхностей деталей
после различных методов обработки и их эволюции в процессе приработки с помощью отечественных микроскопов и средств вычислительной техники (рис. 5), ядром которой служат серийно выпускаемые в России микроскопы, позволяющие регистрировать увеличенный фрагмент поверхности детали или образца. Изображение через оптико-механическое устройство сопряжения передаётся на
в)
цифровую фото- или видеокамеру, которая
Рис. 4. Мобильные системы диагностики ТС
запоминает его с помощью того или иного
по геометрическим ПКПС: а – состав ИИС-2;
устройства и передаёт на ПК для детального
б – общий вид ИИС-2;
исследования и анализа с помощью специаль3 – переносной профилометр «MarSurf PS1»
ного программного обеспечения. Видеокамера
наряду с дискретной (режим «Фото») обеспечивает непрерывную регистрацию процесса
(режим «Видео») с возможностью его фиксации в требуемые программируемые моменты
времени. Это очень важно при исследовании кинетики процессов на поверхности в результате физических (склерометры и др.) и химических (нанесение плёнок, исследование
коррозии и др.) воздействий [4].
При проведении диагностики ТС можно использовать пакет программ ImageScope
Color, его отдельные элементы или другие редакторы обработки изображений, которые
позволяют получить различные характеристики поверхности (профиль яркости, гистограмму её распределения, 3D-модели поверхности и др.) (рис. 5 в).
Система имеет ряд положительных особенностей [4], а миниатюризация современных аппаратных средств микроскопии и информационных технологий, включая цифровую видеотехнику и средства беспроводной передачи информации, позволяет создать
аналогичную систему микроанализа обработанной поверхности, адаптированную к при90
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 1(33)
менению в рабочей зоне ТС,
вплоть до уровня измерительноинформационного блока, устанавливаемого в инструментальный
магазин.
Измерение параметров эксплуатационных свойств поверхностей, формирующихся в процессе
обработки, входит в блок С «Измерение параметров» общей схемы
ЭДТС (рис. 1) и имеет ряд особенностей, связанных с отсутствием
стандартов для определения и регламентации ПЭС, отсутствием
стандартизованных методов и установок для диагностики поверхностей по ПЭС и др., которые обосновывают целесообразность разработки автоматизированных методов и
программ испытаний эксплуатационных свойств поверхностей. Их
можно реализовать в непосредстРис. 5. Компьютеризированная система микроанализа
венной близости к рабочей зоне фиструктуры и текстуры поверхности образцов в процессе
нишной обработки поверхности,
диагностики ТС: а – блок-схема; б – инструментальное
обеспечение (1 – цифровая видеокамера; 2 – оптическое
унифицировать, а результаты иссогласующее устройство; 3 – микротвердомер);
пользовать при сравнительной
в – результаты мониторинга поверхности
оценке и ранжировании различных
(1 – микротопография; 2 – профиль яркости;
ТС чистовой и финишной обработ3 - гистограмма яркости)
ки по указанным параметрам.
Диагностика ТС по ПЭС обработанной поверхности имеет свою специфику, заключающуюся в том, что для получения численных значений ПЭС необходимо провести соответствующие стендовые испытания соединений под воздействием внешних эксплуатационных факторов или их аналогов. В ряде случаев априорную оценку поведения обработанной поверхности в тех или иных условиях эксплуатации можно получить путём расчёта комплексных показателей ПКПС (например, комплекс Крагельского-Комбалова).
Для оценки относительной износостойкости поверхности в рабочей зоне можно программным способом проводить диагностику ТС по остаточному следу индентора на обработанной поверхности образца (рис. 6), полученному при регламентируемых материале
(АСПК) и радиусе (r инд ) инструмента, характере взаимодействия с испытуемой поверхностью (скольжение, качение), силе (Q, H) и подаче (S, мм/мин) обработки поверхности.
В процессе такой диагностики регламентируются следующие величины: х б – базовая
длина контактирования при тестировании, принимаемая исследователем при испытании
поверхности П; М – материал индентора; r инд – радиус сферического индентора, который
должен быть постоянным; P – сила воздействия на индентор (требование к ней то же, что и
к r инд ); S – подача при тестировании поверхности; i – количество проходов индентора по
трассе во время тестирования; n – число оборотов индентора в процессе тестирования; С
(смазка) – смазывающая среда.
Процедура автоматизированной диагностики состоит в следующем (рис. 6а): 1) на
тестируемую поверхность наносится слой выбранной смазки с установленной интенсивностью; 2) в программу реализации теста в качестве исходных данных вводятся числен91
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 1(33)
ные значения х б , z 0 , Δ
(определяет силу Р воздействия на индентор),
число i парных (+, –)
повторений контактирования индентора с тестируемой
поверхностью, величина подачи S
(все указанные параметры, а также число оборотов
индентора
n
должны быть обязательно постоянными для
всех тестируемых поверхностей); 3) по завершении работы программы с помощью мобильной системы ИИС-2
или ей подобной осуществляется профилографирование остаточного
Рис. 6. Диагностика ТС в рабочей зоне по остаточному следу индентора
следа индентора (А – А,
на поверхности образца программным способом: а - схема;
б – профилограммы поперечных сечений остаточных следов индентора
рис. 6б) с получением
для различных сил Q при ОУО ППД; в – микрофотографии
профилограмм 1, 2 или
соответствующих сечений остаточных следов индентора
3 в зависимости от условий финишной обработки (Q = 0 – предварительная обработка; Q 1 , Q 2 – силы воздействия на индентор при
финишной обработке ППД (Q 2 > Q 1 )); по профилограммам измеряется остаточная ширина
или глубина следа индентора (соответственно b исх , b 1 и b 2 ); 4) параллельно проводится
микрофотосъемка остаточных следов индентора, результаты которой представлены на
рис. 6в; 5) определяется относительная эффективность обработки ППД по коэффициенту
снижения остаточного следа индентора при тестировании в зависимости от режимов финишной обработки ППД (в данном случае k i = b исх /b i ).
Предложенный метод диагностики имеет ряд преимуществ: простота, реализация
процесса непосредственно в рабочей зоне обработки, минимальные затраты временных и
материальных ресурсов при высокой надёжности результатов.
Если диагностику ТС по ПЭС в рабочей зоне или по комплексным показателям осуществить не представляется возможным, то численные значения ПЭС определяются по
результатам стендовых испытаний. Как показывает практика, во многих случаях возникает необходимость проектирования и создания специальных испытательных стендов (ИС),
условия испытания соединений в которых подобны или воспроизводят реальные условия
эксплуатации.
С целью унификации ИС следует создавать по модульному принципу. Так, при диагностике износостойкости основными модулями являются модуль привода относительного скольжения поверхностей трибоэлементов, модуль нагрузки на соединение, измерительный модуль. Аналогичные модули используются при диагностике ТС и по другим
эксплуатационным свойствам. Это диктует целесообразность применения унифицированных приводов управления указанными модулями. С этой целью предлагается автоматизированный привод управления модулями (рис. 7), основу которого составляет силовой шаговый привод (СШП). Шаговый двигатель 1 и программируемый контроллер 2 конструк92
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 1(33)
тивно могут составлять одно целое (например, сервопривод типа
СПШ-10).
Программа
управления
СШП формируется ЭВМ с учётом
исходных данных при помощи
программируемого контроллера 2
(ЕМС2 или др.) и вводится в
энергонезависимую память контроллера (контроллер СПШ-10
Рис. 7. Автоматизированный привод управления модулями
испытательных стендов при диагностике ТС по параметрам
имеет 8 банков программ). От
эксплуатационных свойств обрабатываемых поверхностей
СШП механическое воздействие
через редуктор 3 передаётся на
исполнительный элемент 4 одного из модулей ИС. Такой компьютеризированный привод
при высокой мобильности обладает широкими возможностями моделирования внешних
воздействий на диагностируемое соединение: реализация различных законов изменения
скоростей относительного скольжения трибоэлементов в достаточно широком спектре как
при вращательном, так и при возвратно-поступательном движении; приложение как статических, так и динамических нагрузок на соединение. Последнее особенно важно при диагностике ТС по параметрам контактной жёсткости соединений обрабатываемых поверхностей.
Значения ПЭС регистрируются измерительным модулем, который в отличие от других модулей является рассредоточенным, так как его датчики имеются как в модулях приводов, так и в модуле нагрузки. С целью экономии времени и повышения достоверности и
надёжности результатов в процессе диагностики целесообразно применять мехатронные
измерительные системы, которые представляют собой сочетание механических, электронных и компьютерных элементов, помещённых в единую внешнюю оболочку. Задача
получения или уточнения ПКПС или ПЭС при различных видах обработки поверхностей
и заданных условиях эксплуатации решается путём соответствующей обработки потоков
полученной информации.
Наиболее эффективны автоматизированные системы диагностики ТС, типовая структура
которых включает испытательные стенды (механическая часть), системы управления, сбора и
обработки информации (электронная и программная части), работающие под управлением ПК.
Для таких систем можно рекомендовать блок-схему канала обработки информации, которая
включает датчики измерительного модуля (индуктивные, тензометрические, температурные и
др.), устройство сопряжения, плату сбора данных и ЭВМ (рис. 8).
Одним из ключевых элементов блок-схемы является устройство сопряжения датчиков с платой сбора данных, которое должно устойчиво и надёжно работать, передавая
первичную информацию с минимальными помехами и искажениями при достаточном
усилении. Блок-схема программируемого устройства сопряжения [5] включает каналы
усиления для тензометрических датчиков, которые широко применяются в триботехнологических исследованиях плоских и цилиндрических соединений пар трения (при исследовании их контактной жёсткости и др.), каналы усиления для термопары и индуктивных
датчиков, используемых при исследовании геометрических параметров качества поверхностей и при измерении микроперемещений. Устройство способно работать в различных
компьютеризированных системах обработки информации. В системе можно использовать
платы сбора данных PCI-1202L («Signal», г. Москва) или NI PC1-6221. Работа осуществляется под управлением программы, разработанной в среде графического программирования LabView и предназначенной для удобства сбора и обработки данных. Пример окна
пользователя подобной программы представлен на рис. 8.
93
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 1(33)
Этап 4. В блоке D (рис. 1)
осуществляется окончательная обработка результатов измерений,
полученных в ходе диагностики
ТС по ПКПС и ПЭС в блоке С.
Специальное программное обеспечение позволяет получить модели
формирования ПКПС и ПЭС при
обработке поверхностей деталей в
виде, например, моделей КоббаДугласа:
k
R i = b 0 ∏ bi X ki ,
(1)
i =1
где R i – i-й ПКПС или ПЭС; X i –
значения i-го фактора обработки
или процесса эксплуатации; b 0 , b i
(i = 1, k ) – параметры модели.
Рис. 8. Блок-схема канала обработки информации в
процессе диагностики и фрагмент окна пользователя проРезультаты ЭДТС в виде мограммы обработки данных, полученных при
делей (1) уточняют имеющуюся в
диагностике ТС по параметрам контактной жёсткости
справочной и научной литературе
плоского стыка
информацию
технологического
характера по тому или иному методу обработки в плане обеспечения конкретных параметров качества, применительно к конкретной технологической системе, в которой непосредственно будет осуществляться обработка. Так как диагностика ТС проводится в суженной области факторного пространства, продиктованной условиями конкретного производства, адекватность моделей (1), полученных для неё в результате автоматизированной ЭДТС, выше адекватности моделей, полученных в идеализированных лабораторных
условиях.
Итоговыми документами могут быть протоколы, содержащие гистограммы распределения ПКПС и ПЭС, параметры физико-статистических моделей их формирования и надёжности обеспечения требуемых параметров в заданном интервале, или иная документация, предусмотренная системой качества предприятия в соответствии со стандартами ISO
серии 9000. Важность такого подхода особенно очевидна при разработке технологии производства деталей с повышенными требованиями к качеству функциональных поверхностей.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Проников, А. С. Надёжность машин / А. С. Проников. – М.: Машиностроение, 1978. – 592 с.
2. Фёдоров, В. П. Отделочно-упрочняющая обработка поверхностным пластическим деформированием деталей машин с закономерным изменением качества поверхностных слоев / В. П. Фёдоров, М. Н. Нагоркин, И.
Л. Пыриков // Вестн. БГТУ. – 2011. – № 1 – С. 22 – 31.
3. Аверченков, В. И. Новые подходы к автоматизации технологических исследований на основе виртуальных измерительных комплексов / В. И. Аверченков, В. П. Фёдоров, М. Н. Нагоркин // Вестн. БГТУ. –
2005. – № 1. – С. 64 – 75.
4. Федоров, В. П. Автоматизированные системы научных исследований (АСНИ) в инженерии поверхностей
деталей машин / В. П. Федоров, Д. Н. Финатов, В. А. Хандожко // Справочник. Инженерный журнал. –
2007. – № 3. – С. 18 – 22.
5. Фёдоров, В. П. Технологические и метрологические аспекты адаптации поверхностей деталей машин к
нестационарным условиям эксплуатации в процессе изготовления / В. П. Фёдоров, М. Н. Нагоркин, И. Л.
Пыриков // Справочник. Инженерный журнал. – 2009. – № 10. – С. 8 – 15.
Материал поступил в редколлегию 20.12.11.
94
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 1(33)
УДК 629.4
В.В. Кобищанов, Д.Я. Антипин
ОЦЕНКА БЕЗОПАСНОСТИ ПРОХОЖДЕНИЯ ПАССАЖИРСКИМИ
ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫМИ СОСТАВАМИ СТРЕЛОЧНЫХ ПЕРЕВОДОВ
Предложена методика оценки безопасности прохождения пассажирскими железнодорожными составами
стрелочных переводов, находящихся в исправном и неисправном состояниях, основанная на методах математического моделирования.
Ключевые слова: оценка безопасности, пассажирский железнодорожный состав, стрелочный перевод, неисправности, параметры ходовой динамики, математическое моделирование.
В настоящее время участились случаи возникновения аварийных ситуаций, связанных со
сходом с рельсов пассажирских поездов на стрелочных переводах. Результаты расследования
подобных аварий указывают одной из основных причин неисправность стрелочного перевода.
В связи с этим актуальной является задача исследования безопасности прохождения пассажирскими железнодорожными составами стрелочных переводов, в том числе и неисправных.
Для решения указанной задачи предложена методика, основанная на математическом моделировании прохождения стрелочных переводов пассажирским составом с использованием
твердотельных пространственных динамических моделей.
На первом этапе оценивается безопасность прохождения пассажирским составом
исправного стрелочного перевода с разными скоростями и определяется максимальная
безопасная скорость.Второй этап предусматривает анализ безопасности прохождения пассажирским составом неисправного стрелочного перевода. При этом оцениваются предельно допустимые скорости,не приводящие к аварийному сходу состава с рельсов.
Предложенная методика апробирована на примере сцепа из тепловоза ТЭП-70БС, движущегося в режиме тяги, и трех пассажирских вагонов модели 61-425.
При моделировании сцеп представляется в виде системы связанных твердых тел, описывающей его пространственные колебания иреализованной в среде программного комплекса
моделирования динамики систем тел «Универсальный механизм» [1]. В состав твердотельной
математической модели сцепа включены модели тепловоза, пассажирского вагона,
автосцепного устройства СА-3, стрелочного перевода.
При движении сцепа тяговое усилие тепловоза моделировалось специальными силами,
соответствующими тяговым характеристикам локомотива ТЭП-70 [2], и прикладывалось в виде шести крутящих моментов, действующих на соответствующие оси модели тепловоза.
Силы сопротивления движению локомотива и вагонов учитывались в соответствии с рекомендациями, приведенными в [2;3].
В качестве полигона для математических экспериментов рассматривается участок пути
класса 1В2, звеньевой, грузонапряженность – 29 млн т брутто/км в год. План и профиль пути –
прямая длиной 30 м, спуск 1,2 %, съезд на перевод длиной19,5 м, рельсы типа Р-65, шпалы
железобетонные (эпюра шпал – 1840 шт. на 1 км пути), балласт щебеночный.
Скоростьдвижения по главному пути – 60 км/ч, по боковому направлению – 40 км/ч.
Стрелочный перевод –проект 2768, рельсы типа Р-65, марка крестовины 1/11, левый, на
железобетонных брусьях, балласт щебеночный.Качество пути принимается равным 40 баллам,
что отвечает оценке «хорошо»[4].
Для решения задачи первого этапа построена динамическая твердотельная модель состава, учитывающая двухточечный контакт колеса с рельсом, макро- и микронеровности пути исправного рельсового перевода.
В рамках второго этапа разработана детализированная твердотельная модель стрелочного
перевода(с использованием соответствующей конструкторской документации).
95
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 1(33)
Взаимодействие колесных пар единиц железнодорожного состава с элементами стрелочного перевода, включая шпалы и грунт, описывается специальными контактными элементами,
учитывающими реальные контактные жесткости элементов рельсошпальной решетки и грунта.
Поскольку при аварийном прохождении стрелочного перевода определяющим источником возмущающего динамического воздействия является макрогеометрия перевода, микронеровности рельсов в модели не учитываются.
В качестве критериев оценки безопасности прохождения стрелочного перевода приняты:
• вертикальные ускорения кузова;
• горизонтальные ускорения кузова;
• силы отжатия рельса;
• коэффициенты безопасности в отношении вкатывания колеса на рельс [5];
• сход колесной пары с рельсов.
Сход колесной пары с рельсов фиксируется в момент возникновения контактного взаимодействия колеса любой из колесных пар подвижного состава со шпальной решеткой.
При оценке безопасности прохождения пассажирским железнодорожным составом стрелочного перевода рассматривается наиболее опасный случай –«противошерстное» прохождение с переходом на соседний путь. Моделирование проводилось в скоростном интервале
5 – 50 км/ч с шагом 5 км/ч. При этом рассматривалисьдва варианта динамической модели:модель прохождения исправного стрелочного переводас уточненным описанием контакта колеса с рельсом и учетом микронеровностей рельса(вариант 1) имодель,упрощенно описывающая
взаимодействие колеса с рельсом иучитывающая взаимодействие колес со шпальной решеткой
после схода (вариант 2).
Для примера на рис. 1
представлены
графики зависиλ
8
мости минимальных значений
7
коэффициентабезопасности в
6
отношении вкатывания колеса
5
на рельс λ от скорости прохождения стрелочного перевода для
4
первого вагона по ходу движе3
ния состава.Пунктирной линией
2
показан уровень минимально до1
пустимых
значений λ[5].
0
Анализируя
результаты
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
моделирования
прохождения
V,км/ч
Вариант 1
Вариант 2
пассажирским составом исправРис. 1. Зависимость коэффициента безопасности в отного стрелочного перевода,
ношении вкатывания колеса на рельс от скорости
можно сделать следующие выдвижения вагона по стрелочному переводу
воды:
• параметры ходовой динамики, полученные с помощью второго (упрощенного) варианта
динамической модели, отличаются от результатов первого варианта не более чем на 5%;
• параметры ходовой динамики при скоростях прохождения стрелочного перевода
до 48 км/ч не превышают допускаемых уровней.
При анализе безопасности прохождения составом неисправного стрелочного перевода
рассматривается наиболее опасная с точки зрения схода с рельсов неисправность - отставание
остряка от рамного рельса. Величина отставания остряка от рамного рельса, измеряемая у остряка против первой тяги, не должна превышать 4 мм[4].
При моделировании рассматривалось отставание остряка от рамного рельса в пределах от
1 до 7 мм с шагом 1 мм. Соответствующие изменения были внесены во второй вариант динамической модели. Для полученных модифицированных моделей с разными уровнями неис96
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 1(33)
правности перевода анализировались параметры ходовой динамики для скоростей
5 – 40 км/ч с шагом 5 км/ч.
В качестве примера на рис. 2 приведены графики зависимости коэффициента безопасности λ от скорости движения вагона по стрелочному переводу с различными величинами отставания остряка от рамного
λ 8
рельса.
На рис. 3 приведен гра7
фик зависимости скорости
6
прохождения стрелочного перевода, при которой происхо5
дит сход с рельсов колесной
4
пары состава, от величины
3
отставания остряка от рамного рельса.
2
Результаты моделиро1
вания прохождения пасса0
жирским составом стрелочно5
10
15
20
25
30
35
40
го перевода с различной стеV, км/ч
1 мм
2 мм
3 мм
4 мм
5 мм
6 мм
7 мм
пенью неисправности позвоРис. 2. Зависимость коэффициента безопасности в отношеляют сделать следующие вынии вкатывания колеса на рельс от скорости движения вагона по
воды:
неисправному стрелочному переводу
• для скорости 40 км/ч
безопасность обеспечивается
при величине отставания ост45
ряка от рамного рельса не более 2 мм;
40
• для рекомендуемой
величины отставания остряка
35
от рамного рельса 4 мм безопасная скорость составляет
30
26 км/ч;
25
• для
максимальной
рассматриваемой величины от20
ставания остряка от рамного
0
1
2
3
4
5
6
7
S, мм
рельса 7 мм безопасная скоРис. 3. Зависимость скорости прохождения
рость составляет около15 км/ч.
стрелочного перевода, при которой происходит сход с рельсов
Анализируя
развитие
колесной пары состава, от величины отставания остряка
аварийных
ситуаций,
связанот рамного рельса
ных с прохождением железнодорожным составом неисправных стрелочных переводов, можно сделать следующие выводы:
• Наиболее вероятен сход с рельсов первой колесной пары первой тележки первого вагона состава.
• Все колесные пары тепловоза при всех вариантах неисправности стрелочного перевода не
сходят с рельсов, что объясняется значительным весом локомотива и передаваемыми на колесные
пары крутящими моментами. Даже при значительной величине отставания остряка от рамного
рельса (до 7 мм) колесные пары локомотива заезжают на остряк и уходят на соседний путь.
Колесные пары первой тележки первого вагона состава перескакивают остряк, сходят с
рельсов и продолжают двигаться по основному пути, при этом локомотив переходит на соседний путь и через автосцепное устройство создает тяговое усилие, стремящееся сместить кузов
V, км/ч
50
97
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 1(33)
первого вагона на соседний путь. При прохождении расстояния 150 -250 м сошедшая с рельсов
тележка упирается в рельсошпальную решетку, разворачивается, происходит разрушение
шкворня или пятникового узла и выход тележки из-под кузова с дальнейшим падением кузова
на рельсошпальную решетку.
Адекватность данного сценария и соответственно предлагаемой методики подтверждается совпадением результатов моделирования спараметрами реальной аварийной ситуации, произошедшей в январе 2011 г.с пассажирским поездом № 314 сообщением Пенза – Нижневартовск на станции Пыть-Ях.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Программный комплекс «Универсальный механизм». – URL: http://www.umlab.ru.
2. Гребенюк, П.Т. Тяговые расчеты: справочник/ П.Т. Гребенюк, А.Н. Долганов, А.И. Скворцов. – М.:
Транспорт , 1987. – 272 с.
3. Вершинский, С.В. Динамика вагона/С.В. Вершинский, В.Н. Данилов, И.И. Челноков. – М.: Транспорт,
2004. – 304 с.
4. Инструкция МПС РФ от 01.07.00 № ЦП-774. Инструкция по текущему содержанию железнодорожного
пути (ред. от 29.03.02). – М.: Транспорт, 2002. –223 с.
5. Нормы для расчета и проектирования вагонов железных дорог МПС колеи 1520 мм (несамоходных). –
М.: ГосНИИВ – ВНИИЖТ, 1996. –319 с.
Материал поступил в редколлегию 5.03.12.
98
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 1(33)
УДК 621.74: 669.13
К.В. Макаренко, А.В. Тотай, А.Н. Поддубный, Е.А. Зенцова
КОМПОЗИЦИОННОЕ СТРУКТУРИРОВАНИЕ ВЫСОКОПРОЧНОГО ЧУГУНА
Рассмотрены особенности получения композиционного распределения фаз в высокопрочном чугуне. Описаны основные факторы, оказывающие влияние на формирование ферритной оболочки вокруг графитовых
включений. Предложены способы управления толщиной ферритной оболочки в структуре «бычьего глаза» и
изменения механических и эксплуатационных свойств чугуна.
Ключевые слова: высокопрочный чугун, композиционные структуры, феррит, кремний, графитовые включения, термическая обработка.
Чугуны относятся к группе эвтектических железоуглеродистых сплавов. В зависимости от химического состава, условий охлаждения и технологии модифицирования в чугунах могут быть получены различные по морфологическим параметрам и фазовому составу эвтектические композиции. Используя специальные методы управления процессами
структурообразования на этапах кристаллизации или термической обработки, можно получать естественные композиты методом in situ [1].
Чугуны с шаровидным графитом обладают наиболее высокими механическими
свойствами, а в сочетании с аусферритной структурой металлической матрицы превосходят улучшаемые стали по ряду механических и эксплуатационных характеристик [2]. Глобулярная форма графитовых включений позволяет снизить отрицательное воздействие на
прочностные и пластические свойства материала.
Кроме того, графитовая фаза в чугунах оказывает положительное влияние на такие
эксплуатационные свойства, как теплопроводность, износостойкость, демпфирующая
способность [3]. Изделия из графитизированных чугунов имеют меньшую материалоемкость, чем стальные, что также обусловлено присутствием графита в структуре сплава.
Последнее свойство позволяет существенно уменьшить эксплуатационные расходы и уровень загрязнений (в связи с уменьшением энергозатрат), что особенно актуально для автомобильной промышленности [4].
Помимо чугунов, где включения графита являются естественными фазами, в отечественном машиностроении находят широкое применение композиционные материалы на
базе цветных металлических матриц. В частности, разработаны литые композиционные
материалы типа «алюминий – графит» и «силумин – графит», получаемые добавкой в расплав дисперсных частиц графита [5]. Такие материалы обладают уникальными триботехническими свойствами в сочетании с относительно высокой удельной прочностью [6; 7].
Новое направление в области получения композиционных графитизированных сплавов, которые фактически представляют собой аналог графитизированных чугунов, - это
технология армирования железоуглеродистых сплавов углеродными волокнами [8]. Получение таких композиционных структур является очень перспективным, однако в настоящий момент их производство ограничено. Основная причина, препятствующая широкому
распространению таких материалов, - физико-химические процессы, обусловленные диффузионным взаимодействием железной металлической матрицы с синтетическими углеродными волокнами.
Естественным композитом, содержащим в своей структуре графитовые включения,
является графитизированный чугун. Используя различные методы композиционного
структурирования и особенности строения чугунов, можно повысить их эксплуатационную эффективность [9].
99
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 1(33)
Все предложенные направления получения естественных композитов методом in
situ основаны на использовании особенностей строения графитизированных чугунов.
Включения графитовой фазы в структуре чугуна фактически являются локальными источниками углерода. Концентрация и распределение углерода в аустените при термической обработке или в процессе кристаллизации оказывает существенное влияние на
структурные превращения. Такая локальная химическая неоднородность используется
для получения требуемых структурных композиций вокруг графитовых включений в чугунах.
Большинство графитизированных чугунов склонны к образованию ферритной оболочки вокруг графитовых включений. Такая структура образуется в результате обратной
эвтектической микроликвации кремния. Такое строение, именуемое в металлографии чугуна «бычьим глазом», блокирует рост микротрещин, возникающих на границе графит металлическая матрица [10]. Это обусловлено тем, что феррит, обладающий большей
способностью к пластической деформации, чем окружающая перлитная матрица, лучше
сопротивляется процессам зарождения и развития трещин, трансформируя энергию разрушения в пластическую деформацию металлической матрицы. Изменяя термокинетические параметры, химический состав и технологию модифицирования чугуна, можно
управлять толщиной ферритной оболочки вокруг графитовых включений. На рис. 1 представлен пример изменения толщины ферритной оболочки вокруг графитовых включений
в зависимости от скорости охлаждения и способа модифицирования.
а)
б)
в)
г)
Рис. 1. Влияние скорости охлаждения на изменение структуры чугуна с шаровидным графитом
(травление 4%-м спиртовым раствором азотной кислоты), × 100:
а – нижняя часть; б – середина пробы; в – верхняя часть; г – нижняя часть пробы при использовании технологии «синергетического» модифицирования
100
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 1(33)
Микроструктурный анализ проводился по высоте стандартной клиновидной пробы,
используемой для оценки склонности чугуна к отбелу.
Структура «бычьего глаза» в чугуне с шаровидным графитом формируется при охлаждении из литого состояния или при термической обработке. При этом толщина ферритной оболочки может быть определена по следующей формуле [11]:
Rгр
ρα (Сα −γ − Сα − гр )
dRα
,
= Dcα
dt
Rα ( Rα − Rгр ) ( ργ Сγ −α − ρα Сα −γ )
(1)
где dR α /dt – скорость роста ферритной оболочки; D c α – коэффициент диффузии углерода в
феррите; R гр – радиус графитового включения; R α – радиус ферритной оболочки; ρ α –
плотность феррита; ρ γ – плотность аустенита; С α-γ , С α-гр , С γ-α – равновесная концентрация
углерода на соответствующих границах раздела фаз (феррит – аустенит, феррит – графит,
аустенит – феррит) (рис. 2).
В процессе диффузии углерода из аустенита через феррит и роста ферритных оболочек выделяется вторичный графит, что приводит к изменению радиуса графитовых включений, который может быть определен по формуле
ρα (Сα −γ − Сα − гр )
Rα
,
(2)
dt
Rгр ( Rα − Rгр ) ( ρ гр Сгр −α − ρα Сα − гр )
где ρ гр – плотность графита в чугуне; С α-гр – равновесная концентрация углерода на границе графит – феррит (С α-гр = 100 % С).
Основным
термокинетическим показателем, согласно уравнениям (1, 2), определяющим интенсивность изменения диаметра
ферритных оболочек, является коэффициент диффузии углерода в
феррите – D c α. Коэффициент диффузии углерода в феррите определяется на основании формулы Аррениуса:
dRгр
= Dcα
α
−
0,873
RT
Dc = 0, 02e
,
(3)
где 0,873 – энергия активации, эВ;
R – постоянная Больцмана; Т – темРис. 2. Схема определения равновесной концентрации угпература [12].
лерода в процессе роста ферритной оболочки вокруг шароХимические компоненты чувидного включения графита
гуна существенно влияют на процессы диффузии. Наиболее сильно это влияние проявляется под воздействием кремния,
который сегрегирует в зоне около графитовых включений. Для оценки распределения
кремния в структуре чугуна с шаровидным графитом использовали специальный метод
теплового травления. Для получения реактива 5 г пикриновой кислоты (C 6 H 2 (NO 2 )OH) и
20 г едкого натра (NaOH) растворяли в 100 мл дистиллированной воды. Травление шлифов проводили при температуре 70 оС с выдержкой в реактиве 40 мин. После выдержки
при заданной температуре шлиф охлаждали в реактиве до комнатных температур. Микроструктура чугуна после теплового травления представлена на рис. 3.
Такой способ травления очень чувствителен к сегрегации кремния в чугуне (точность выявления концентрации - 0,1 % Si) [13]. Из рис. 3 видно, что наибольшая концентрация в чугуне кремния наблюдается у графитовых включений, по мере удаления от графитовой фазы она уменьшается. Кремний, повышая термодинамическую активность угле101
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 1(33)
рода в феррите, тем самым увеличивает
коэффициент диффузии. По данным
М.А. Криштала [14], при содержании
2,38 % Si, что соответствует средней
концентрации данного элемента в высокопрочном чугуне, коэффициент
диффузии углерода в феррите
α
Dc = 0,85e
−
1,182
RT
.
(4)
Из анализа уравнений (3, 4) можно сделать вывод, что, несмотря на повышение энергии активации процесса
диффузии углерода, кремний значительно увеличивает предэкспоненциРис. 3. Микроструктура высокопрочного чугуна
альный множитель в уравнении Аррес шаровидным графитом (тепловое травление), × 1000
ниуса, тем самым способствуя обезуглероживанию металлической матрицы в области графитовых включений.
Помимо химического состава чугунов большое влияние на развитие процессов диффузии оказывают термокинетические факторы. В частности, чем медленнее скорость охлаждения чугуна, тем в большей степени развиваются диффузионные процессы и тем
толще будет ферритная оболочка вокруг графитовых включений (рис. 1 а – в).
Наиболее важным параметром, контролирующим развитие процесса образования
ферритной оболочки, является величина переохлаждения чугуна ниже температуры начала эвтектоидного превращения ∆T (рис. 2). Именно она определяет величину градиента
концентрации углерода, который обусловливает равновесную концентрацию углерода на
соответствующих границах раздела фаз. При этом с увеличением величины переохлаждения увеличивается диаметр ферритной оболочки вокруг графитового включения.
Для технологического использования этого управляющего параметра был разработан режим термической обработки, позволяющий эффективно управлять толщиной ферритной оболочки вокруг графитовых включений (рис. 4).
Термическая обработка включает нагрев
изделий из чугуна с шаровидным графитом до
температуры аустенитизации металлической
матрицы с последующей изотермической выдержкой в закалочной среде с температурами,
обеспечивающими требуемый уровень переохлаждения чугуна ∆T ниже температуры начала
эвтектоидного превращения. Продолжительность выдержки в закалочной ванне увеличивается по мере увеличения переохлаждения,
что связано с уменьшением диффузионных
процессов в феррите. На рис. 4 заштрихованная
область указывает диапазон температур и длительность изотермической выдержки.
Способ получения отливок из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом с
Рис. 4. Схема термической обработки высокотребуемой толщиной ферритной оболочки из
прочного чугуна с изотермической закалкой для
литого состояния может быть реализован в
управления толщиной ферритной оболочки ворамках изобретения, защищенного патентом
круг графитовых включений
РФ № 2196835.
102
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 1(33)
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
13.
14.
Мэттьюз, Ф. Композиционные материалы. Механика и технология / Ф. Мэттьюз, Р. Ролингс. – М.: Техносфера, 2004. – 408 с.
Roedter, H. ADI – Austempered Ductile Iron. Аустемпированный чугун / H. Roedter // Литейщик России.
– 2004. - №3. - С. 12 – 21.
Гиршович, Н.Г. Кристаллизация и свойства чугуна в отливках / Н.Г. Гиршович. – М.-Л.: Машиностроение, 1966. – 562 с.
Шебатинов, М.П. Высокопрочный чугун в автомобилестроении / М.П. Шебатинов, Ю.Е. Абраменко,
Н.И. Бех. – М.: Машиностроение, 1988. – 216 с.
Гаврилин, И.В. Особенности затвердевания литых композиционных материалов системы «алюминий – графит» / И.В. Гаврилин, А.В. Панфилов, В.М. Баландин // Литейное производство. – 1990. - № 6. - С. 9 – 10.
Курганова, Ю.А. Литейные триботехнические композиционные материалы на базе алюминиевых сплавов / Ю.А. Курганова, Т.А. Чернышева, А.А. Аграев // Литейщик России. – 2003. - № 1. - С. 15 – 16.
Чернышева, Т.А. Взаимодействие металлических расплавов с армирующими наполнителями / Т.А.
Чернышева, Л.И. Кобелева, А.В. Панфилов. – М.: Наука, 1993. – 272 с.
Машиностроение. Т. II-2. Стали. Чугуны: энциклопедия / Г.Г. Мухин, Н.Н. Александров [и др.]; под
общ. ред. О.А. Банных и Н.Н. Александрова. – М.: Машиностроение, 2001. – 784 с.
Макаренко, К.В. Фрактографический анализ графитизированных чугунов / К.В. Макаренко, Д.В. Чмыхов // Заготовительные производства в машиностроении. – 2009. - №10. - С. 39 – 44.
Волчек, И.П. Сопротивление разрушению стали и чугуна / И.П. Волчек. – М.: Металлургия, 1993. – 192 с.
Stefanescu, D. M. Modeling of cast iron solidification – the defining moments / D. M. Stefanescu // Metallurgical and materials transactions. – 2007. - №7. - Р. 1433 – 1447.
Verhoeven, J. D. Steel metallurgy for the non-metallurgist / J. D. Verhoeven. – ASM International, 2007. –
220 р.
Коваленко, В.С. Металлографические реактивы / В.С. Коваленко. – М.: Металлургия, 1981. – 120 с.
Криштал, М.А. Диффузионные процессы в железных сплавах / М.А. Криштал. – М.: Металлургия,
1963. − 278 с.
Материал поступил в редколлегию 1.03.12.
103
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 1(33)
УДК 681.3
А.В. Хандожко, А.В. Тотай, В.И. Аверченков
ПРОФИЛИРОВАНИЕ ДИСКОВОГО ИНСТРУМЕНТА ДЛЯ ОБРАБОТКИ
ВИНТОВЫХ КАНАВОК С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЭЛЕМЕНТА САПР
ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРОЦЕССА ФОРМООБРАЗОВАНИЯ
Изложены пути решения задачи профилирования режущего инструмента при обработке винтовых
поверхностей. Рассмотрены вопросы математического моделирования, алгоритмического и программного
обеспечения решения этой задачи.
Ключевые слова: алгоритмическое обеспечение, программное обеспечение, профилирование, дисковый
инструмент, винтовые канавки, математическое моделирование.
Винтовые поверхности широко используются в машиностроении. Они выполняют
разнообразные функции: крепеж, передача движения (винтовые и червячные передачи),
транспортировка (шнеки, стружечные канавки и др.). Одним из важнейших параметров
винтовой поверхности является ее профиль. Задают этот профиль по-разному. Условно
винтовые поверхности делят на резьбы и винтовые канавки. Признаком, по которому выполняется деление, является угол подъема винтовой линии ω. При угле ω более 60° поверхности называются винтовыми канавками, менее 60° - резьбами. Винтовые канавки
менее технологичны. В отличие от резьб их практически невозможно обрабатывать точением. При больших углах подъема витка кинематический задний угол на одной из сторон
профиля обеспечить в разумных пределах (2-4°) не удается.
Основным методом обработки винтовых канавок является метод бесцентроидного
огибания. При этом формообразование осуществляется с использованием фасонного инструмента (фрезы или профилированного абразивного круга). Формальное деление винтовых поверхностей на резьбы и канавки обычно сопровождается изменением сечения, в котором задается их профиль. Для резьб это осевое сечение, для винтовых канавок обычно
регламентируют торцевое сечение. В ряде случаев рассматриваются и другие сечения, например для шариковинтовых передач, как и для конволютных червяков, профиль задается
в нормальном сечении.
Исходная инструментальная поверхность (ИП) и деталь (Д) при бесцентроидном
огибании касательны, причем касание происходит по пространственной кривой, которую
называют характеристикой. Обработка происходит в условиях подреза, а получаемый
профиль детали зависит не только от профиля инструмента, но и от параметров его установки. Положение точки скрещивания осей инструмента и детали, угол установки оси инструмента относительно угла подъема винтовой линии, межцентровое расстояние Aw оказывают большое влияние на профиль получаемой поверхности. Поэтому задача профилирования инструмента для данного случая имеет специфику: ее нужно решать для конкретного случая установки инструмента на станке относительно детали. Причем интерес эта
задача представляет как в прямой, так и в обратной постановке.
Прямая постановка характерна для проектирования инструмента: нужно рассчитать
профиль инструмента для обработки поверхности определенного профиля при определенном взаимном расположении инструмента и детали.
Сегодня возрастает роль обратной задачи, которая обычно выполняется лишь как
проверочный расчет возможных погрешностей обработки. Она представляет и самостоятельный интерес при разработке процессов вышлифовывания стружечных канавок на режущем инструменте на станках с ЧПУ. Для многономенклатурного производства важно
снижение числа инструментов. Поэтому на 5-координатных шлифовально-заточных станках с ЧПУ широко используется обработка различных винтовых поверхностей в условиях
104
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 1(33)
подреза набором из кругов 2-4 профилей. Эта практика может быть расширена и для других видов обработки, например для фрезерования.
Существующие способы профилирования дискового инструмента разрабатывались
до появления станков с такими возможностями. Имеющиеся современные методики предлагаются в виде законченных закрытых программных продуктов, работающих по принципу «черного ящика». В большинстве случаев эти программы позволяют работать лишь в
жестких рамках, не давая возможности варьировать все возможные параметры процесса.
Таким образом, задача профилирования инструмента для рассмотренной схемы формообразования сложна, а ее решение позволяет более эффективно использовать ресурсы
производства.
Одним из интересных и распространенных вариантов обработки методом бесцентрового огибания является обработка винтовых поверхностей дисковым инструментом
при параллельном расположении их осей. Резьбофрезерование гребенчатой фрезой, накатывание абразивных кругов правящими роликами - наиболее характерные виды такой обработки. Несмотря на наличие большого числа методик профилирования при проектировнии такого инструмента, эта задача является интересной и не до конца решенной.
Задача, несмотря на свою внешнюю простоту, плохо доводится до инженерных зависимостей приемлемой сложности. Методики, предложенные С.И. Лашневым и
П.Р. Родиным, базируются на дифференциальной геометрии, и инженеры не всегда могут
их освоить. Хорошие результаты дает использование компьютерной графики, особенно
при применении совершенных программных пакетов (CATIA, Pro/ENGINEER, Unigraphics
и т.п.). Но эти системы дороги и не всегда доступны. При использовании более простых
систем (Компас, TFlex и др.) графическое решение с 3D-моделями такой сложности затруднено. В связи с этим интерес могут представлять решения, которые базируются на более простых и доступных программных продуктах и несложном математическом аппарате.
Рациональный выбор расчетной схемы позволяет решать эту задачу как плоскую и ограничиться аппаратом аналитической геометрии и численными методами.
Рассмотрим схему контактирования
кольцевого тела вращения и винтовой поверхности, которая является архимедовым
червяком (рис. 1). Такой червяк имеет прямолинейный профиль высотой H в осевом
сечении и спираль Архимеда в торцевом.
Расстояние между осями контактирующих
тел Aw в процессе формообразования не
меняется.
В зависимости от постановки задачи
(прямая или обратная) нужно найти параметры соприкасающихся кривых. При моделировании процесса резьбофрезерования
оценивается точность резьбы, обрабатыРис. 1. Осевое и торцевое сечения расчетной схемы
ваемой резьбофрезой с кольцевой нарезкой
прямолинейного профиля. При профилировании ролика для правки абразивного червячного шлифовального круга, наоборот, известен профиль червяка, а нужно найти сопряженный профиль диска, т.е. по параметрам спирали найти радиус окружности.
Для решения этой задачи представим инструмент (кольцевое тело) как совокупность
отдельных дисков нулевой толщины. Рассечем винтовую поверхность детали и инструмент плоскостью, перпендикулярной их осям. В сечении винтовой поверхности и кольца
мы получаем соответственно спираль Архимеда и окружность, касающиеся друг друга.
105
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 1(33)
Так как межцентровое расстояние известно, можно найти радиус диска, который будет находиться в контакте с соответствующей спиралью Архимеда. Выполнив процедуру сечения винтовой поверхности плоскостями с малым шагом, мы получим совокупность спиралей Архимеда, которых касаются окружности. Найдя радиусы этих окружностей, мы фактически дискретно зададим профиль ИП.
Если речь идет о режущем инструменте, то профиль в исполняемых и контролируемых сечениях рассчитывается дополнительно по известным методикам. Соединив точки
контакта, мы можем построить и характеристику. Задавая число сечений, можно обеспечить высокую точность профилирования.
Рассмотрим принятую расчетную схему. Пусть задан профиль червяка, а значит, параметры спирали известны (рис. 2).
В декартовой системе координат уравнение спирали можно записать параметрически:
x = ρ cos ϕ = aϕ cos ϕ ;
y = ρ sin ϕ = aϕ sin ϕ .
Известно положение центра окружности. Для упрощения задачи будем считать, что
центр окружности расположен на оси OX. Уравнение окружности имеет вид
( x − x0 ) 2 + ( y − y 0 ) 2 = R 2 ,
где x 0 и y0 — координаты центра окружности.
Нужно найти окружность, которая
касательна к спирали Архимеда. Неизвестными при этом являются координаты
точки касания x и y, радиус окружности
R, а также угол развертки спирали, т.е.
есть четыре неизвестных и три уравнения. Четвертое уравнение выражает условие наличия общей касательной.
Наклон касательной к спирали относительно оси ОХ определяется суммой
углов µ и ϕ. Как известно из аналитической геометрии, угол µ между касательной к спирали и радиусом-вектором в
Рис. 2. Расчетная схема для определения параметров
точку касания ρ определяется следующим
касания спирали и окружности
образом:
ρ aϕ
=
tgµ =
=ϕ .
ρ′ a
Тогда угол наклона к оси OX равен arctg(ϕ)+ϕ.
С другой стороны, угол наклона касательной к окружности относительно оси абсцисс равен
y
c o µs +( ϕ ) = .
R
Приравняв два выражения для угла наклона общей касательной, получим последнее
уравнение для системы, описывающей касание спирали и окружности:
y
a r ϕc+ ϕt =
g a r c c,
R
где ϕ - угол развертки спирали; y – ордината точки касасания.
Выполнив подстановки и преобразования, получим систему из двух уравнений с
двумя неизвестными:
106
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 1(33)
a 2ϕ 2 − 2ax ϕ cos ϕ + x 2 = R 2 ;
0
0

(1)

aϕ sin ϕ
arctgϕ + ϕ = arccos
.
R

Данная система не имеет очевидного точного решения, но может быть решена
численными методами. Следует отметить, что система имеет бесконечное множество
решений: касание может быть наружным на нескольких витках при радиусе-векторе
спирали меньше x 0 , а при большом угле раскрытия спирали, когда радиус-вектор больше
x 0 , возможно произвольно большое число внутренних касаний на различных витках
спирали. Поэтому корни должны быть локализованы.
Это несложно сделать, ограничив угол ϕ диапазоном ожидаемых значений. Для червяка Архимеда эти ограничения можно определить следующим образом. В его торцевом
сечении мы имеем две ветви спирали Архимеда. На угле 180° они имеют спад, равный
теоретической высоте профиля. В пределах этого угла и находятся искомые решения системы уравнений. Предельные значения угла развертки спирали получаем, зная наружный
и внутренний диаметры червяка.
Найденные углы можно использовать как начальные приближения и границы вычислительного процесса для исключения зацикливания.
Некоторую сложность представляет поиск точек касания со спиралями, которые довернуты на некоторый угол, т.е. начинаются не от положительного направления оси OX.
Их доворот на определенный угол δ приводит к изменению радиуса-вектора спирали пропорционально углу доворота. Следовательно, величину доворота нужно просто вставлять
в формулу. Тогда формула спирали будет иметь вид
ρ = a(ϕ − δ ) .
Величина доворота вычитается, если доворот идет в положительном направлении
(против часовой стрелки). Соответственно в систему уравнений подставляется угол развертки спирали, уже скорректированный на величину доворота δ.
Для решения системы уравнений (1) был использован метод Ньютона-Рафсона, а на
основе полученных математических зависимостей был разработан программный модуль.
Он позволяет вычислять радиус окружности касательной спирали с задаваемой точностью. Предусмотрено аварийное завершение программы при ее зацикливании. Модуль является частью прикладной программы профилирования роликов для накатывания червячных абразивных кругов, предназначенных для шлифования зубчатых колес. На основе
данных, заданных в диалоговом режиме, профиль разбивается на N отдельных сечений,
для каждого из которых решается задача поиска радиуса инструмента. Число сечений задается в зависимости от высоты профиля сечения и теоретически не ограничено. Важным
достоинством программы является отсутствие ограничений на модули, углы зацепления,
наличие коррекции. Программа создана в двух модификациях: как прикладная библиотека
для графического пакета Компас и как самостоятельный модуль, функционирующий в
рамках операционной системы. Модуль для среды Компас использует возможности графической среды для ввода исходных данных, а также для отображения полученного профиля. В обоих вариантах программы предусматривается запись в файл результатов расчета, в частности точек профиля накатанного круга.
Предложенный подход, расчетная схема и алгоритмы легко могут быть адаптированы
для решения других задач профилирования при обработке винтовых поверхностей дисковым инструментом как в прямой, так и в обратной постановке.
Тестирование показало хорошую сходимость результатов расчета профиля с результатами, полученными альтернативными методами.
Материал поступил в редколлегию 29.02.12.
107
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 1(33)
ВЫЧИСЛИТЕЛЬНАЯ ТЕХНИКА
И ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ
УДК 629.4+62-83
Г.А. Федяева, С.Ю. Матюшков, Г.В. Роговцев, Д.В. Кочевинов
СИСТЕМА АВТОМАТИЗИРОВАННОГО УПРАВЛЕНИЯ ТЯГОВЫМ
ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ С АСИНХРОННЫМИ ДВИГАТЕЛЯМИ 1
Изложены принципы построения и компьютерного моделирования системы управления тяговым электроприводом с асинхронными двигателями на пределе по сцеплению колес с рельсами.
Ключевые слова: тяговый электропривод, асинхронные двигатели, система автоматизированного управления, компьютерное моделирование, снижение автоколебаний.
Опыт эксплуатации отечественных грузовых магистральных тепловозов 2ТЭ25А
«Витязь» показывает их высокие тяговые качества [1], но вместе с тем свидетельствует о
пробуксовке колесных пар при разгоне и имеющихся поломках в тяговой передаче, вызванных значительными динамическими нагрузками. Это обусловливает актуальность исследований в области совершенствования систем управления (СУ) тяговым электроприводом (ТЭП), направленных на снижение динамических усилий в тяговой передаче средствами управления асинхронными тяговыми двигателями (АТД).
У современных грузовых локомотивов с АТД, развивающих высокие тяговые усилия
и осуществляющих разгон на пределе по сцеплению колес с рельсами, повышаются вибрации в тяговой передаче, которые усиливают износ и могут привести к поломкам [2-5].
Исследованию фрикционных автоколебаний в тяговых электроприводах при реализации
предельных тяговых усилий и систем раннего обнаружения буксования, построенных по
принципу обнаружения данных колебаний, посвящены работы А.П. Павленко и его учеников [4;5].
Анализ динамических процессов в электроприводе, являющемся сложной нелинейной системой, традиционно ведется на основе математического моделирования. Так, в работах [4;5] исследования выполнены на математических моделях системы «экипаж – тяговый электропривод – путь», которые хорошо отражают качественный характер и спектральный состав возникающих колебаний, но не учитывают особенностей управления
электроприводом и процессом разгона локомотива. Для более полного представления динамических процессов в тяговой электропередаче как единой электромеханотронной системе следует доработать математические модели, дополнив их уравнениями движения локомотива, а также электрической (силовой и управляющей) подсистемой.
Расчетная схема механической передачи магистрального грузового тепловоза с
опорно-осевым подвешиванием тяговых двигателей (рис. 1), отражающая угловые, горизонтальные и вертикальные колебания элементов тягового привода с учетом упругодиссипативных свойств рельсового основания, составлена с использованием работ [4-6]. С
учетом традиционных для решаемых задач допущений получаем следующую систему
дифференциальных уравнений движения механической подсистемы ТЭП:
- вращение (и угловые колебания) ротора двигателя:
dω r
Jr
= M − β r [ω r − µω K 1 − ( µ + 1)ω d ] − M r ;
dt
Исследования выполнены в рамках государственного задания Министерства образования и науки
РФ (НИР № 06/62 «Прогнозирование динамических процессов в электромеханотронных системах»).
1
108
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 1(33)
dM r
= cr [ωr − µωK 1 − ( µ + 1)ωd ] ;
dt
- угловые колебания блока «редуктор–двигатель» относительно оси колесной пары:
dω
( J d + mr L2r + md L2d ) d = β r ( µ + 1)[ωr − µωK 1 − ( µ + 1)ωd ] + ( µ + 1) M r − M −
dt
dv
dv
− (md Ld cos ϕ + mr Lr cos ϕ ) Кz − (md Ld sin ϕ + mr Lr sin ϕ ) Кx − β d l p (vКz + l pωd ) − M d ;
dt
dt
dM d
= cd l p ( vКz + l pωd ) ;
dt
Рис.1. Расчетная схема механической подсистемы ТЭП оси тележки грузового локомотива
- вращение (и угловые колебания) первого (ближайшего к зубчатому зацеплению
редуктора) колеса оси тележки:
dω
J К 1 K 1 = µβ r [ωr − µωK 1 − ( µ + 1)ωd ] + µM r − β 0 (ω K 1 − ω K 2 ) − M 0 − M K 1;
dt
dM 0
= c0 (ω K 1 − ω K 2 );
dt
D
M K 1 = FK 1 K 1 ;
2
- вращение (и угловые колебания) второго (удаленного от зубчатого зацепления редуктора) колеса оси тележки:
dω K 2
= β0 ( ωK 1 − ωK 2 ) + M 0 − M K 2 ;
JK2
dt
D
M K 2 = FK 2 K 2 ;
2
- вертикальные колебания колесно-моторного блока:
109
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 1(33)
(mK + md + mr )
dvKz
dω
= −(md Ld cos ϕ + mr Lr cos ϕ ) d − β П (vKz − vη ) − FП −
dt
dt
− β d (vКz + l pωd ) − Fd − FZ − β Z vKz ;
dFП
= cП ( vKz − vη );
dt
dFZ
= cz vKz ;
dt
dFd
= cd (vKz + l pω d );
dt
- горизонтальные колебания колесно-моторного блока:
dv
dω
( mK + md + mr ) Kx = FK 1 + FK 2 − ( md Ld sin ϕ + mr Lr sin ϕ ) d − β x vKx − Fx ;
dt
dt
dFx
= cx vKx ;
dt
Fк1 = N к1ϕ 01 k1; Fк = N к ψ 02 k 2 ;
2
2
N к = ( N 0 + ∆N ); N к = ( N 0 + ∆N );
1
1
2
2
∆N = β П ( vКz − vη ) + FП ;
- горизонтальное движение локомотива:
dv
mл л = Fx + β x vKx − Fc ,
dt
где М – электромагнитный момент двигателя, определяемый из системы уравнений электрической части; М r , М d и М o – моменты упругих сил на валу ротора, в подвеске остова
и на оси колесной пары соответственно; µ - передаточное число редуктора; ωd - угловая
скорость корпуса двигателя относительно оси колесной пары; ωr , ω K1 и ωK2 – угловые
скорости ротора, первого и второго колес (далее колес) относительно собственных осей
соответственно; D K1 , D K2 – диаметры первого и второго колес соответственно; N 01 , N 02 и
N K1 , N K2 – статические и суммарные вертикальные нагрузки колес соответственно; ∆N –
динамическая составляющая суммарной вертикальной нагрузки колес; M K1 , M K2 и F K1 ,
F K2 – тяговые моменты и силы тяги колес соответственно; ψ 01 и ψ 02 – потенциальные коэффициенты сцепления колес; k 1 и k 2 – коэффициенты сцепления первого и второго колес
в относительных единицах соответственно; v л – линейная скорость локомотива (и поезда);
v Kz и v Kx – линейные скорости вертикальных и горизонтальных колебаний оси колесной
пары соответственно; v η = dη/dt – скорость изменения обобщенной вертикальной неровности η; l p – база подвески двигателя; с r и c 0 – эквивалентная угловая жесткость связи
«ротор − колесная пара» и оси колесной пары соответственно; с d – линейная жесткость
подвески двигателя; с z , с x , с П – эквивалентные линейные жесткости буксового рессорного
подвешивания, продольной связи колесной пары с тележкой, рельсового пути соответственно; β z , β x , β п - эквивалентные коэффициенты демпфирования буксового рессорного
подвешивания, продольной связи колесной пары с тележкой, рельсового пути соответственно; β r , β o, β d – коэффициенты демпфирования связи «ротор − колесная пара», оси колесной пары, подвески двигателя соответственно; F Z , F d и F П − вертикальные упругие силы в буксовом подвешивании, подвешивании двигателя и со стороны пути соответственно; F X − горизонтальная упругая сила продольной связи колесной пары с тележкой; F C −
сила сопротивления движению; m r , m d и m K − массы ротора двигателя, корпуса блока
«редуктор − двигатель» и колесной пары соответственно; m Л − масса локомотива (и поезда), приходящаяся на одну ось; J r , J d , J K1 , J K2 − моменты инерции (относительно собственных осей) ротора двигателя, корпуса блока «редуктор − двигатель» и каждого колеса
110
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 1(33)
колесной пары соответственно (с учетом жестко связанных с ротором и первым колесом
масс редуктора); l р , L d, L r ,φ – базовый линейный параметр редуктора, расстояния вдоль
централи редуктора от оси колесной пары до центров тяжести корпуса блока «редуктор −
двигатель» и якоря двигателя, а также угол наклона централи редуктора к горизонтальной
оси x соответственно.
Скорость ротора относительно корпуса двигателя (ωrd ), которая входит в уравнения
электрической части ТЭП и определяющим образом влияет на электромагнитные процессы в двигателе, вычисляется по уравнению
ω rd = 2ωr − (µ + 1)ωd − µ⋅ωк1 .
Силы тяги колес определяются как произведения вертикальных нагрузок колес (N K1 ,
N K2 ) на соответствующие потенциальные коэффициенты сцепления (ψ 01 , ψ 02 ), зависящие
от линейной скорости локомотива (v л ), и коэффициенты сцепления в относительных единицах (k 1 , k 2 ), зависящие от скорости продольного проскальзывания колес, выраженной в
относительных единицах или процентах от скорости локомотива: v ск1 = (v к1 − v л )/v л , v ск2 =
(v к2 − v л )/v л , где v к1 , v к2 − линейные скорости колес. Зависимости k i =f(v скi ) (характеристики
сцепления) и ψ 0i =f(v л ), i=1,2, задаются таблично на основе опубликованных экспериментальных данных и правил тяговых расчетов с интерполяцией промежуточных значений.
Для начала движения локомотива скорость проскальзывания колес задается в абсолютных
единицах.
Адекватность модели механической части подтверждается удовлетворительным
совпадением результатов моделирования динамических процессов в механической передаче тепловоза ТЭ116 с опубликованными результатами расчетов и натурных испытаний
магистральных грузовых тепловозов ТЭ116, оборудованных системами обнаружения предельных сил сцепления (СОПСС), расхождение не превышает 10 % [7;8].
С использованием представленной математической модели в MatLab/Simulinc выполнен расчет динамических процессов в механической подсистеме ТЭП тепловоза
2ТЭ25А при срыве сцепления и свободном развитии буксования (рис. 2а, б).
vк1
vк2
vл
а)
б)
Рис. 2. Результаты моделирования динамических процессов в механической части ТЭП
оси тепловоза 2ТЭ25А при свободном развитии буксования (ψ 0 = 0,3):
а- линейные скорости колес и локомотива; б- крутящий момент на оси колесной пары
111
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 1(33)
Моделирование показывает, что в удовлетворительных и хороших условиях сцепления (ψ 0 = 0,19...0,35 и выше) при достаточной крутизне падающего участка характеристики сцепления при буксовании (рис. 2а) наблюдаются фрикционные автоколебания (рис.
2а, б). При свободном развитии колебаний динамические нагрузки в элементах ТЭП могут
в 4 раза превышать нагрузки номинального режима (рис. 2б). Фрикционные автоколебания с частотой 62…65 Гц с узлом на оси колесной пары (рис. 2б) проявляются также в
зубчатом зацеплении редуктора и на валу ротора и вызывают в этих звеньях передачи знакопеременный момент с амплитудой, превышающей номинальное значение в 1,5…2 раза.
Усиливаются также колебания с частотой 8…11 и 30…35 Гц, причем практически все
максимумы частотного спектра фиксируются в вертикальных и угловых колебаниях блока
«редуктор − двигатель».
Для снижения динамических нагрузок в передаче и улучшения тяговых свойств разработаны функциональная схема и алгоритмы работы СУ ТЭП локомотива с индивидуальным регулированием АТД на пределе по сцеплению колес с рельсами и подавлением
фрикционных автоколебаний в тяговом тракте.
Анализировались два алгоритма, позволяющие осуществлять реализацию предельных тяговых усилий: экстремальное регулирование (самонастройка на максимум кривой
сцепления) и релейное регулирование проскальзывания колес. В каждом из них предусмотрен контроль виброускорений корпуса АТД [9].
В качестве примера на рис. 3 приведена схема с релейным регулированием проскальзывания. В СУ используется внешний контур регулирования частоты вращения тягового двигателя по отклонению, где задание на частоту вращения двигателя, приведенную к ободу колеса, определяется путем интегрирования задания на ускорение, выбираемого из двух значений - а 0 , которое в режиме тяги на небольшую величину ∆а меньше
линейного ускорения локомотива а Л , и а 1 , которое в режиме тяги на ∆а больше а Л (в режиме торможения - наоборот), - а также внутренний контур регулирования момента двигателя, входным сигналом которого является выходной сигнал регулятора частоты вращения с учетом ограничения по моменту, поступающего из СУ верхнего уровня.
Рис. 3. Функциональная схема системы управления ТЭП грузового локомотива
112
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 1(33)
Чтобы удержаться вблизи максимума характеристики сцепления, регулирование момента тягового двигателя должно быть высокодинамичным. Этому требованию удовлетворяют: 1) система векторного управления АТД; 2) система прямого управления моментом (Direct Torque Control - DTC). Задание на потокосцепление АТД формируется в обеих
системах в зависимости от скорости ротора с учетом ослабления поля.
Выбор между значениями а 0 = а Л − ∆а и а 1 =а Л + ∆а (в режиме тяги) или а 0 = а Л + ∆а
и а 1 =а Л − ∆а (в режиме торможения) выполняется СУ в соответствии с таблицей переключений (рис. 3) с учетом сигналов двух устройств: 1) регулятора абсолютной величины
скольжения ∆V = |V Д − V Л |, имеющего релейную характеристику и переключающегося при
увеличении ∆V выше значения ∆V max и уменьшении ниже значения ∆V min (где ∆V – абсолютная величина скольжения, м/с, V Д – частота вращения ротора двигателя, приведенная
к ободу колеса, V Л – линейная скорость локомотива); 2) устройства, анализирующего уровень вертикальных ускорений корпуса АТД U к в заданных частотных диапазонах, имеющего релейную характеристику и переключающегося при повышении уровня колебаний
выше значения U кmax и понижении ниже значения U кmin . Значения максимального и минимального проскальзывания предварительно выбираются по известным результатам натурных
испытаний
локомотивов в следующих пределах: ∆V min = 0,13…0,17 м/с;
∆V max = 0,25…0,4 м/с (с возможной последующей адаптацией в зависимости от скорости
локомотива). Скорость локомотива измеряется в данной схеме датчиком линейной скорости (возможно также применение косвенных методов определения скорости локомотива,
основанных на использовании псевдобегунковой оси).
Разработана модель электрической части ТЭП в основной библиотеке
MatLab/Simulinc на основе уравнений АТД, представленного двухфазной обобщенной
машиной, математического описания систем векторного управления и DTC с использованием пропорциональных (П) и пропорционально-интегральных (ПИ) регуляторов скорости ротора.
Для проверки адекватности модели электрической подсистемы ТЭП проведено
сравнение результатов моделирования динамических процессов в электроприводе с DTC с
осциллограммами экспериментальных исследований, выполненных на лабораторной установке. Установка оборудована преобразователем частоты ACS850 фирмы «ABB» c
DTC, программным обеспечением для компьютерного отображения результатов, асинхронным электродвигателем АО42-4 с электромагнитным тормозом, электроизмерительными приборами. Эксперимент проводился путем дозированного увеличения и уменьшения момента сопротивления на валу двигателя в замкнутой системе регулирования с Прегулятором скорости. Максимальное расхождение расчетных и экспериментальных данных по фиксируемым параметрам момента и угловой скорости ротора составляет 8 %.
Модели электрической и механической подсистем ТЭП объединены в общую модель, реализующую управление электроприводом оси локомотива на пределе по сцеплению колес с рельсами и подавление фрикционных автоколебаний в соответствии с функциональной схемой СУ (рис. 3). На основе численных экспериментов исследовано функционирование СУ, реализующих максимальные тяговые усилия при применении для регулирования АТД систем векторного управления и прямого управления моментом. В качестве примера (рис. 4а, б) приведены результаты моделирования разгона локомотива с
составом при использовании ТЭП с DTC.
Установлено, что при прямом управлении моментом АТД и векторном управлении
использование в системе управления для изменения задания на ускорение ротора сигнала
устройства контроля виброускорений корпуса АТД совместно с сигналом превышения
максимума силы тяги или максимального проскальзывания колес позволяет подавить
развитие буксования (рис. 4а) и снизить динамические нагрузки в тяговой передаче
от фрикционных автоколебаний при реализации предельных тяговых усилий до уров113
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 1(33)
ня, не превышающего 30 % от усилий номинального режима (рис. 4б).
vк1, vк2
vл
а)
б)
Рис. 4. Результаты моделирования динамических процессов ТЭП оси тепловоза 2ТЭ25А
при управлении на пределе по сцеплению с подавлением колебаний (ψ 0 = 0,3):
а - линейные скорости колес и локомотива; б - крутящий момент на оси колесной пары
Таким образом, моделирование подтверждает эффективность предлагаемой системы
управления тяговым электроприводом с асинхронными двигателями.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
Тепловозы БМЗ: от маневрового ТЭМ1 до магистрального 2ТЭ25А «Витязь»/ Трансмашхолдинг.- 2010. - № 5. –
С. 8 – 11.
Кёрнер, О. Сравнение концепций механической части трехфазного тягового привода/ О. Кёрнер// Железные дороги
мира. - 2005. - № 9. - С. 31 - 41.
Бушер, М. Регулирование проскальзывания колес на электровозах с асинхронным тяговым приводом/М. Бушер [и
др.]// Железные дороги мира. - 1994.- № 4.- С. 30-45.
Павленко, А.П. Динамика тяговых приводов магистральных локомотивов/А.П. Павленко. - М.: Машиностроение,
1991. - 192 с.
Павленко, А.П. Прогнозирование развития фрикционных автоколебаний в произвольных конструкциях тяговых
приводов при буксовании/ А,П. Павленко, Н.В. Клипаков// Вестн. Восточноукр. нац. ун-та. Технические науки. Ч. 1.
– Луганск: Изд-во ВНУ, 2005. - № 8.- С. 66-70.
Федяева, Г.А. Моделирование асинхронного тягового привода тепловоза с системой прямого управления моментом
/ Г.А.Федяева // Мир транспорта. - 2006.- № 4.- С. 10-15.
Павленко, А.П. Влияние эксплуатационных режимов на динамические характеристики систем тягового привода
грузовых тепловозов/ А.П. Павленко, О.А. Осиновский //Вестн. Восточноукр. нац. ун-та. Технические науки. Ч. 1. –
Луганск: Изд-во ВНУ, 2005.- № 8. - С. 71-77.
Осиновский, О.А. Результаты натурных испытаний микропроцессорной системы предупреждения буксования колесных пар магистральных тепловозов/ О.А. Осиновский //Вестн. Восточноукр. нац. ун-та. Технические науки. Ч. 2.
– Луганск: Изд-во ВНУ, 2006.- № 8. - С. 25-31.
Способ управления тяговым электроприводом локомотива на пределе по сцеплению колес с рельсами: решение о
выдаче патента на изобретение по заявке № 2010121570/11(030693); принято 20.10.11 /Федяева Г.А., Федяев Н.А.,
Матюшков С.Ю., Роговцев Г.В.
Материал поступил в редколлегию 13.02.12.
114
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 1(33)
УДК004.8; 122
С.В. Ешин
АЛГОРИТМ ВЫЯВЛЕНИЯ ПРИЧИННО-СЛЕДСТВЕННЫХ СВЯЗЕЙ
НА ОСНОВЕ ЭМПИРИЧЕСКИХ ДАННЫХ 1
Предложен алгоритм автоматизированного выявления причинно-следственных связей в эмпирических данных, представляющий собой улучшенный вариант алгоритма inductivecausation (IC), предложенного Т. Верма и Дж. Пэрлом. С помощью математического аппарата причинных байесовых сетей впервые даны формальные определения корневой, прямой и непрямой причин. Предложены новые правила ориентирования
ребер в паттерне байесовой сети на основе информации о типах причин.
Ключевые слова: причина, причинно-следственные связи, байесова сеть, выявление причинности, эмпирические данные.
Причинно-следственные рассуждения являются одними из наиболее мощных
средств, которыми пользуются люди в своих попытках понять и объяснить происходящие
события и явления. Обычно человек выстраивает некоторые причинно-следственные теории относительно того, что происходит и как это происходит. Позже эти теории применяются для устранения нежелательных явлений путем устранения их причин. Выявление
причинно-следственных связей на основе данных занимает центральное место в эпидемиологии, социологии, статистике, психологии и, в последнее время, в искусственном интеллекте (ИИ). Данную задачу можно сформулировать как поиск походящего причинноследственного объяснения имеющимся данным. Долгое время рассматриваемая проблема
решалась в философии, затем в статистике и эконометрике (моделирование структурными
уравнениями), а с середины 1980-х годов большой интерес к ней был проявлен в искусственном интеллекте, когда были найдены математические связи между теорией графов, вероятностью и причинностью [1]. В данной статье будем исходить из вероятностной концепции причинности как наиболее подходящего способа формального описания понятий«причина» и «следствие» (в частности, будем придерживаться теории и математического аппарата причинного моделирования).
Вероятностная концепция причинности. Вероятностная концепция причинности
(probabilisticcausation) представляет собой группу теорий, целью которых является попытка охарактеризовать причинно-следственные отношения, используя методы теории вероятностей. Центральной идеей этих теорий является предположение о том, что причина каким-то образом изменяет вероятность возникновения следствия. Стэндфордская философская энциклопедия выделяет две большие группы теорий вероятностной причинности [2]:
1. Теории причинности, основанные на принципе роста вероятности(probabilityraisingtheoriesofcausation) [3–8]. Центральная идея данных теорий:причина увеличивает
вероятность возникновения следствия, т.е. P(E | С) > P(E), где E — следствие, C —
причина (существуют различные вариации этого принципа в указанных работах).
2. Причинное моделирование (causalmodeling)[1; 9] — относительно новое (берет
свое начало с середины 1980-х гг.) междисциплинарное направление в статистике,
искусственном интеллекте, философии, эконометрике и эпидемиологии. Причинное
моделирование решает две проблемы. Первая — выявление структуры причинноследственных связей на основе информации о вероятностных связях между переменными
и дополнительных допущениях о причинной структуре. Вторая проблема заключается в
Научно-исследовательская работа выполнена в рамках реализации ФЦП «Научные и научнопедагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 гг. (государственный контракт № П770 от
20.05.10).
1
115
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 1(33)
идентификации различных количественных характеристик, например вероятности того,
что некоторое вмешательство приведет к некоторому результату. Качественная структура
причинно-следственных связей представлена в рамках причинного моделирования в виде
ориентированного графа без циклов, а количественные характеристики связей между
причиной и следствием определяются либо условными вероятностями (как, например, в
причинных байесовых сетях), либо более общими функциональными зависимостями (в
функциональных причинных моделях). Следует отметить, что данная группа теорий не
использует принцип роста вероятности следствия, а базируется на использовании понятия
условной независимости между случайными переменными. В частности, Дж. Пэрл
предлагает несколько критериев причинности: локальные критерии причинности [1, с.55–
57] и причинное марковское условие [1, с.30]. Выражение причинности через понятие
условной независимости позволяет, пользуясь статистической информацией, определять
причинно-следственные связи между переменными. Установив, являются ли переменные
условно независимыми в статистическом понимании, на основе вероятностного
распределения или воспользовавшись статистическими тестами, можно сделать вывод о
наличии или отсутствии между этими переменными отношения причинности. При этом
математически строго могут быть различены истинные причины (genuinecause) и ложные
корреляции (spuriousassociations).
Обзор указанных работ сторонников вероятностной концепции причинности
позволяет сделать следующие выводы, накладывающие ограничения на попытки выявления причинно-следственных связей на основе данных (или вероятностей):
− корреляция не подразумевает причинности;
− причинность можно выразить как на основе принципа роста вероятности
следствия [4–8], так и на основе понятия условной независимости между переменными [1;
9], причем второе предпочтительнее первого [1];
− причина предшествует во времени следствию, однако информация о
предшествовании во времени в одиночку не позволяет отличить истинную причину от
ложной корреляции, вызванной неизвестным (третьим) фактором [3; 4; 10; 11] (стрелка
барометра сдвигается раньше, чем пойдет дождь, но это не вызывает дождя [1]);
− до тех пор пока неизвестны все причинные факторы или нет возможности
манипулировать (варьировать)значениями
некоторых переменных, выявление всех
истинных причинных связей невозможно [7; 8; 12] («нет причинности без манипуляций»
[12], «нет причинности на входе — нет на выходе» [6]).
В данной статье в качестве математического язык» для описания причинности мы
будем использовать причинные байесовы сети (causalBayesiannetworks), которые состоят
из ориентированного графа без циклов G (также известного как причинная структура или
причинный граф) с множеством V = {V i } вершин и полного совместного распределения
P(v) над множеством дискретных случайных переменных, полностью соответствующих
вершинам причинного графа G [13]. Каждая дуга в G отражает прямую причинноследственную связь между случайными переменными (более строгое определение можно
найти в [1;13;14]). Обзорматематического аппарата традиционных байесовых сетей
приводилсяв работах [15–17].
Предварительная постановка задачи.Укрупненно задача обучения байесовых
сетей на основе статистических данных D состоит из следующих трех этапов:
1. Подготовка данных D к машинной обработке. Как правило, на этом этапе
устраняются аномалии в данных, заполняются пропуски, проводится дискретизация
непрерывных значений и т.д.
2. Определение структуры (графа G) байесовой сети, или структурное обучение
(structurelearning), на основе данных D.Цель структурного обучения — дать в виде
ориентированного графа причинно-следственное объяснение статистическим данным D.
116
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 1(33)
3. Определение условных и безусловных вероятностей на основе данных D с учетом
отношений условной независимости в графе G, или обучение параметров
(parameterlearning).
Целью данного исследования является разработка алгоритма структурного обучения
причинной байесовой сети. Входными параметрами алгоритма являются данные о причинах и последствиях D, а также дополнительная информация о причинности С. Выходом
алгоритма является паттерн причинной байесовой сети G. В дальнейшем будем предполагать, что данные D не содержат пропусков и представляют собой конечное множество
конфигураций v k множества случайных переменных V байесовой сети. Каждая конфигурация v k полностью описывает состояние байесовой сети (представляет собой вектор присваиваний всех переменных V) на некоторый момент времени. Далее рассмотрим существующий алгоритм структурного обучения — алгоритм IC и предложим идеи по его улучшению.
Алгоритм IC. Т.Верма и Дж. Пэрл предложили алгоритм (inductivecausation, или ICалгоритм) для выявления графа причинно-следственных связей на основе заданного полного совместного распределения P над V[18]. Предполагая некоторые допущения о минимальности и стабильности, данный алгоритм позволяет получить максимально ориентированный паттерн графа G [18;19]. Ограничением данного алгоритма является невозможность выявления всех причинно-следственных связей на основе вероятностного распределения (или данных). Формально алгоритм IC позволяет выявить класс эквивалентности
графов, поскольку для одного распределения могут быть найдены несколько графов, каждый из которых будет являться байесовой сетью для рассматриваемого распределения
P(v)[20]. Другими словами, эти графы кодируют одинаковые отношения условной независимости, заложенные в P(v), но в то же время отражают различные причинноследственные зависимости. Рассматриваемые графы также называют эквивалентными с
точки зрения наблюдения. Два ориентированных графа без циклов называются эквивалентными с точки зрения наблюдения (observationalequivalencegraphs), если они имеют
одинаковые скелетоны и одинаковые множества v-структур 2[1]. Существование такой эквивалентности накладывает ограничения на возможность поиска всех дуг в G на основе
одних только вероятностей, так как два эквивалентных графа не могут быть различены с
помощью P(v). Поэтому решают более простую задачу: найти скелетон и множество vструктур, или найти паттерн причинной байесовой сети.
В данной статье не будем приводить полностью текст алгоритма IC и рассматривать
теоретические положения, заложенные в этом алгоритме, а заинтересованного читателя
направим к источникам [1, c. 41–64; 20–22]. Отметим лишь, что входом алгоритма IC является полное совместное распределение, на основе которого выявляются причинноследственные связи, выходом — частично ориентированный паттерн байесовой сети,
формально описывающий выявленные причинно-следственные зависимости, а сам алгоритм состоит из трех этапов:
1) нахождение скелетона графа байесовой сети;
2) выявление v-структур графа;
3) ориентирование дополнительных ребер графа.
Для ориентирования дополнительных ребер в паттерне байесовой сети предлагаются
пять новых правил ориентирования ребер, основанных на так называемых иерархиях причин, используемых в анализе корневых причин при решении проблем.Предлагаемый
алгоритм позволяет избавиться от двух основных ограничений алгоритма IC:
1) необходимости задания полного совместного распределения P(v);
2) невозможности выявить все причинно-следственные связи на основе
Скелетоном ориентированного графа Gназывают неориентированный граф, построенный на основе
исходного графа Gпутем замены всех дуг (стрелок) на неориентированные рёбра. V-структурой называют
связь вида A → B ← C.
2
117
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 1(33)
статистических данных (данное ограничение может быть снято только частично).
Для устранения первого недостатка предлагается использовать статистическийGтест [23]. В большинстве случаев полностью задатьсовместное распределениеP(v) не
представляется возможным: чаще всего исследователь имеет лишь ограниченное количество наблюдений. Несмотря на то что на их основе может быть рассчитано P(v), оно в условиях недостатка наблюдений будет представлять собой частотные вероятности, т.е. являться приближенным. Решить эту проблему можно, воспользовавшись G-тестом для
проверки гипотезы об условной независимости между случайными переменными в статистических данных. Второй недостаток является следствием фундаментального свойства
причинных байесовых сетей и отражает особенности вероятностной концепции причинности вообще: одних только вероятностей недостаточно для выявления на их основе всех
причинно-следственных связей — необходима дополнительная информация о причинности (обозначим ее через C). Предлагается воспользоваться в качестве такой информации
иерархиями причин (приведены ниже), которые традиционно применяются в методе анализа корневых причин при устранении проблем в области качества. Данные типы причин
представляют собой один из способов задания отношений предшествования во времени
между случайными переменными. Формализация этих типов причин (корневая причина,
причина первого уровня (прямая), причина высокого уровня (непрямая)) с помощью математического аппарата причинных байесовых сетей позволяет сформулировать дополнительные правила ориентирования ребер в паттерне байесовой сети. При этом подразумевается, что информация о причинных иерархиях получена на основе знаний экспертов либо известна из других источников.
Формальная постановка задачи. ПустьV = {V i } = {V 1 , V 2 , …, V n } — множество
дискретных случайных переменных. Пусть D — данные о принятых значениях
переменных из V, на основе которых выявляются причинно-следственные связи между
переменными из V. D представляют собой множество конфигураций V, т.е.
Здесь
— конфигурация V, представляющая собой множество означиваний
, где νs i – значение переменной,
принятое в конфигурации
; N — общее количество конфигураций в D (размер выборки).
При этом данные D не содержат пропусков (все переменные получили означивание).
Пусть C— дополнительная информация о причинности, формально заданная в виде
множества причинных иерархий. Необходимо построить граф причинной байесовой сети
G = H(D, C), который даёт причинно-следственное объяснение данным Dс учетом информации о причинности C, т.е. каждая дуга в таком графе отражает отношение прямой
причинно-следственной связи между соответствующими переменными из V.
Рис.1 иллюстрирует основные этапы предлагаемого алгоритма, названного IC 2 (IC
версии 2), который решает поставленную задачу.На 1-м шаге алгоритма с помощью Gтеста выявляются отношения условной независимости в статистических данных. Каждое
такое отношение, подтвержденное тестом с уровнем значимости α, добавляется в множество M I . Шаги 2–4 представляют собой шаги исходного алгоритма IC, адаптированные
для работы с множеством M I . На 5-м шаге осуществляется ориентация ребер в графе H(D)
с помощью дополнительных правил на основе причинной информации C. Ограниченный
объем данной статьи позволяет нам подробно рассмотреть только пятый шаг алгоритма
(полное содержание алгоритма приводилось в [30]). Для этого вначале приведем сведения
о причинных иерархиях, применяемых в методе анализа корневых причин проблемы.
Причинные иерархии. Б. Андерсен выделяет три основных типа причинпроблемы:
причина первого уровня, причина высокого уровня и корневая причина [24]. Причины
первого уровня — это причины, которые немедленно приводят к возникновению проблемы. Устранение этих причин может решить проблему на короткое время, однако она воз118
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 1(33)
никнет позже (возможно, в другом виде), поскольку корневая причина все еще существует. Например, причиной первого уровня того, что автомобиль не заводится, могут быть
неполадки в системе зажигания, и, проведя ее ремонт, можно будет завести автомобиль.
Однако корневая причина рассматриваемой проблемы — недостаточный контроль качества на автозаводе, и эта причина может привести к другим проблемам и отказам. Причины
верхних уровней —это причины, которые приводят к причинам первого уровня. Несмотря
на то что они не приводят к проблеме напрямую, эти причины формируют связи между
событиями в причинно-следственных цепочках, которые в конечном счете создают проблему. Корневая причина — это причина самого высокого уровня. Когда она устранена,
проблема больше никогда не возникнет. В этологии, социологии и психологии используются несколько иные типы причин [25–27], однако сходные с рассмотренными: проксимативная и ультимативная причины. Проксимативная (прямая) причина — это событие, находящееся ближе всего к некоторому наблюдаемому результату или непосредственно ответственное за его возникновение. Ультимативная 3 причина (непрямая, удаленная причина)— это высокоуровневое событие, которое обычно понимается как реальная причина
возникновения чего-либо. По мнению автора, проксимативная причина есть то же самое,
что и причина первого уровня, а ультимативная причина эквивалентна причине высокого
уровня. Таким образом, корневая причина может быть определена как ультимативная
причина, не имеющая причин (или эти причины существуют, но не могут быть найдены).
G-тест
Данные
D = {vs}
V = {Vi}
a – уровень
значимости
Шаг 1. Выявление
отношений условной
независимости в
данных
Информация об иерархии
причинно-следственных связей C
Множество
отношений условной
независимости
MI = {(Vi,Vj,SViVjk)}:
Vi Vj|SViVjk, |SViVjk| ≥ 0
Шаги 2-4. Алгоритм
IC, модифицированный
для работы с MI
G = H(D) –
максимально
ориентированный
паттерн БС
G = H(D,C) –
граф БС, доориенти-
Шаг 5.
рованный на основе C
Ориентирование ребер
графа H(D) на основе
информации С
Рис. 1. Основные этапы алгоритма IC 2
Формализация основных типов причин с помощью аппарата причинных
байесовых сетей. Дадим формальные определения указанных типов причин, пользуясь
математическим аппаратом причинных байесовых сетей (ПБС), при этом будем
руководствоваться следующими идеями (рис.2):
• Дуга в ПБС представляет собой отношение прямой причинно-следственной связи
(связь A → B означает, чтоA является прямой причиной B).
• Термины «причина первого уровня», «проксимативная причина» и «прямая
причина» эквивалентны и могут быть выражены формально через дугу в ПБС. Термин
«причина высокого уровня» обозначает непрямую причину, которая оказывает влияние на
целевую (проблемную) переменную-вершину посредством цепочки причинноследственных связей. Формально это означает, что в ПБС существует ориентированный
путь из вершины — причины высокого уровня в целевую (проблемную) вершину, при
этом причина высокого уровня не является прямой причиной проблемы. Причине
высокого уровня эквивалентнытермины «ультимативная причина», «непрямая причина».
В этологии при изучении и объяснении поведения живых организмов под проксимативной причиной понимаются различные химические процессы, происходящие в клетках и приводящие к тому или иному
поведению. Ультимативная причина есть причина более высокого уровня, вызывающая то или иное поведение живого организма, и, как правило, такая причина является результатом эволюции.
3
119
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 1(33)
• Корневая причина – это
причина высокого уровня либо
причина первого уровня, для которой
в графе ПБС не задано родительских
вершин.
С учетом изложенного дадим
следующие определения. Обозначим
через ‹G, P (v) причинную байесову
сеть с причинным графом G и полным
совместным распределением P(v) над
множеством переменных V.
Определение 1 (причина первого уровня, проксимативная, прямая
причина). Переменная X называется
причиной первого уровнядругой переменной Y в ПБС
, если X
является родительской для Y в графе
, где PA Y — множество
G, т.е.
родительских вершин Y в графе G.
Определение 2 (причина высокого уровня, ультимативная, непрямая причина). Переменная X называется причиной высокого уровнядругой переменной Y в ПБС
, если существует ориентироРис. 2. Иерархия причин в контексте
ванный путь из X в Y и X не принадматематического аппарата причинных байесовых
лежит PA Y (
).
сетей
Определение 3(корневая причина). Переменная X называется корневой причиной другой переменной Y в ПБС
,
если X не имеет родителей в графе G (PA X = Ø) и существует ориентированный путь из X
в Y.
Определение 4(последствие). Переменная X называется последствием другой случайной переменной Y (а Y называется причиной X) в ПБС
, если существует ориентированный путь из Y в X в графе G.
Пусть F i ∈ V — проблемная переменная (дефект, отказ, несоответствие и т.п.). Пусть
F = {F i } — множество всех проблемных переменных в V, F ⊂ V. Тогда, согласно определениям 1–4, для каждой F i могут быть определены 3 непересекающихся множества переменных TLC, FLC и E, где TLC ⊂ V — причины высоких уровней проблемы F i , FLC ⊂ V
— причины первого уровня проблемы F i и E ⊂ V — последствия проблемы F i . Пусть
RC = RC T ∪RC F — множество корневых причин проблемы F i , где RC T — множество переменных, которые являются причинами высокого уровня и корневыми причинами проблемы F i (RC T — причины высокого уровня, не имеющие родителей в графе G), и RC F —
множество переменных, которые являются причинами первого уровня и корневыми причинами проблемы F i . Исходя из этогоRC T TLC и RC F FLC.
Определение 5 (причинная иерархия проблемы). Пусть
—
кортеж множеств переменных.
называется причинной иерархией для проблемной
переменной F i в ПБС
если RC — множество корневых причин F i , TLC —
множество причин высокого уровня F i , FLC — множество причин первого уровня F i и E
120
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 1(33)
— множество последствий F i .
Приведенные причины формируют примерно следующую цепочку причинноследственных связей: корневая причина → причины высокого уровня → причины первого
уровня → проблема → последствия. Тогда общая идея улучшения алгоритма IC будет
выглядеть следующим образом: если в паттерне байесовой сети, полученном на выходе
алгоритма IC, имеется ребро вида A — B, при этом A является корневой причиной, а B —
причиной высокого уровня (или A — проблема, а B — последствие и т.д.), то ребро A — B
следует ориентировать в дугу A → B в том и только том случае, когда это ориентирование
не приводит к появлению ориентированного цикла в графе ПБС и не создает новыхvструктур в этом графе (ориентирование B → A противоречит здравому смыслу).
На самом деле отношения предшествования между различными типами причин не
ограничиваются приведенной цепочкой. Рис.3 иллюстрирует все возможные причинноследственные отношения в причинной
иерархии
для проблемы F i . Каждая
стрелка означает возможную прямую
причинную связь между переменными в
соответствующих множествах, т.е. дугу в
ПБС. На данной диаграмме V′ —
множество всех остальных переменных
за исключением F i , RC, TLC, FLC и E
(отношения между V′ и этими
множествами не показаны).
Ниже приводится дополнительный
5-й шаг алгоритма IC 2 . Применение данного шага позволяет использовать причинные иерархии в качестве дополнительной информации для ориентирования большего числа дуг в паттерне ПБС.
Входом этого шага является паттерн
H(D), полученный в результате выполнения алгоритма IC, а его выходом—
Рис. 3. Причинно-следственные зависимости между
различными типами причин
частично
ориентированный
граф
H(D, C), соответствующий причинной
информации C, которая представляет собой множество причинных иерархий для множества некоторых проблемных переменных.
Алгоритм(шаг 5 алгоритма IC 2 — ориентирование ребер на основе информации об
иерархии причин):
Вход:
− H(D) — паттерн ПБС, полученный в результате выполнения алгоритма IC на основе данных D;
− F = {F i } — множество проблемных переменных;
− C — причинная информация, представляющая собой множество причинных иерархий для каждой (или нескольких) проблемной переменнойF i
в F,
.
Выход: H(D, C) — частично ориентированный граф.
1. Для каждого ребра A — B в графе H(P) проверить два условия:
1) ориентирование A — B в дугу A → B не создает новых v-структур в H(D);
2) ориентирование A — B в дугу A → B не создает ориентированного цикла в H(D).
2. Если оба условия выполняются, то для каждой причинной иерархии
в C использовать следующие 5 правил (R 5 –R 9 ) ориентирования A — B в A → B:
R 5 : Ориентировать A — B в A → B, еслиА — проблемная переменная и B — послед121
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 1(33)
ствие (A = F i B E).
R 6 : ОриентироватьA — BвA → B,еслиA FLC A RC (B = F i B E).
R 7 : ОриентироватьA — BвA → B,если
A RC A FLC (B = F i B E B FLC) B RC.
R 8 : ОриентироватьA —
BвA → B,еслиA TLС A RC (B E B FLC) B RC.
R 9 : ОриентироватьA —
BвA → B,еслиA TLC A RC (B TLC B FLC B E) B RC.
Следует заметить, что предложенные правила ориентирования паттерна не гарантируют, что не появятся дополнительные v-структуры или ориентированные циклы, поэтому
следует контролировать эти события.
Выявление причинных иерархий на основе экспертных знаний может быть проведено с помощью 5-шаговой процедуры, приведенной в [28]. Следует заметить, что выявление причинной иерархии намного проще, чем идентификация порядка предшествования
во времени между каждой парой переменных в Vи чем выявление прямых причинноследственных связей между переменными на основе экспертных знаний.
Сравнение алгоритмов IC и IC 2 . Алгоритмысравнивались следующим образом. На
основе сокращенного варианта байесовой сети, используемой автором для анализа причин
дефектов электрических соединителей [29] (далее будем называть эту сеть эталоном для
сравнения, рис.4), были случайно сгенерированы данные размером N = 100, 150, 200, 250,
300, 350, 400, 450, 500, 750, 1000 и 5000 конфигураций, соответствующие полному совместному распределению сети-эталона. Для более точного сравнения алгоритмов было сгенерировано по 5 выборок для каждого размера N.Пример сгенерированных данных приведен в таблице.
Множество проблемF и информация
о причинности {C i } для алгоритма IC 2 были заданы следующим образом:
• Проблемы: I — нарушение изоляции (F 1 ), J — механическое повреждение
(F 2 ),
K
—
растрескивание
(F 3 );
F = {I, J, K}.
• Проблема «Нарушение изоляции»:
E = {L, M}, RC = {B, D}, TLC = {B, D},
FLC = {F, H}.
• Проблема «Механическое повреждение»:
E = {L, M},
RC = {A, C},
TLC = {A, B, C}, FLC = {G, F, E}.
• Проблема
«Растрескивание»:
E = {L, M}, RC = {B, C}, TLC = {B, C},
FLC = {G, H}.
В качестве показателей для сравнения
использовались:
− количество верно ориентированных дуг (ВД), т.е. количество ориентаций
Рис. 4.Байесова сеть для исследования
дуг в обученной сети, которые совпали с
алгоритмов
ориентацией дуг в эталонной сети;
− количество верно определенных
ребер (ВР), т.е. количество ребер в обученной БС, которые совпали с ребрами в эталонной
сети;
− количество неверно ориентированных дуг и неверно определенных ребер (НРД),
или ошибка алгоритма, т.е. суммарное количество дуг и ребер в обученной сети, которые
отсутствуют в эталонной сети.
122
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 1(33)
Таблица
Пример исходных данных для обработки
Переменная
№ конфигурации
A
B
C
D
E
F
G
H
I
J
K
L
M
1
2
3
…
99
100
Да
Нет
Нет
…
Нет
Нет
Нет
Нет
Нет
…
Нет
Нет
Нет
Нет
Нет
…
Нет
Нет
Норм.
Норм.
Выс.
…
Норм.
Норм.
Да
Нет
Нет
…
Да
Нет
Нет
Нет
Нет
…
Нет
Нет
Нет
Нет
Нет
…
Нет
Нет
Нет
Нет
Да
…
Нет
Нет
Нет
Нет
Да
…
Нет
Нет
Да
Нет
Нет
…
Да
Нет
Нет
Нет
Да
…
Нет
Нет
Да
Нет
Да
…
Да
Нет
Да
Да
Да
…
Да
Нет
На рис.5 приведена зависимость количества верно ориентированных дуг и ошибки
алгоритмов (среднее значение для 5 выборок каждого размера) от размера выборки N.
14
11,8
12
Кол-во дуг/ребер
9,2
10
7,8
7,2
8
8,2
6,8
8,6
6,4
5,8
6
4,4
4
5,2
4,2
3,4
2,4
2,4
1,6
1,2
2
0,4
6,2
0,2
300
350
0,8
0,8
400
450
2,4
1,4
1,2
0,6
6
3
2
1,2
0
3,8
2,6
0
100
150
200
250
500
750
1000 5000
Размер выборки (N)
Верн. дуг (IC)
Верн. дуг (IC2)
Неверн. ребер и дуг (IC, IC2)
Рис. 5. Сравнение алгоритмов IC и IC 2
Предложенное улучшение алгоритма IC позволяет выявить частично ориентированный граф причинной байесовой сети с большим (в 1,5–3 раза) количеством дуг, чем может
выявить оригинальный алгоритм IC. Преимуществом предложенного алгоритма является
возможность учета дополнительной причинно-следственной информации в терминах причинных иерархий. Сущность этих иерархий отражает специфику проблемной области, для
которой строится байесова сеть.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Pearl, J. Causality: Models, Reasoning and Inference / J. Pearl. – 2-nd edition. –Cambridge University Press,
2009. – 464 p.
2. Hitchcock, C. Probabilistic Causation / C. Hitchcock // The Stanford Encyclopedia of Philosophy, Edward N.
Zalta (ed.). – 2010. – Режимдоступа: http://plato.stanford.edu/archives/fall2010/entries/causation-probabilistic.
3. Рейхенбах, Г. Направление времени:[пер. с англ.] / Г. Рейхенбах. – М.: Едиториал УРСС, 2003. – 360 с.
4. Suppes, P. A Probabilistic Theory of Causality / P. Suppes. – Amsterdam: North Holland Pub. Co, 1970. –
130 p.
5. Mellor, D.H. The Facts of Causation / D.H. Mellor. – Routledge, 1995. – 251 p.
6. Cartwright, N. Nature's Capacities and Their Measurements / N. Cartwright. – Oxford University Press,
1994. – 280 p.
7. Skyrms, B. Causal Necessity: Pragmatic Investigation of the Necessity of Laws / B. Skyrms. – Yale University
123
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 1(33)
Press, 1980. –176 p.
8. Eells, E. Probabilistic causality and the question of transitivity / E. Eells, E. Sober // Philosophy of Science. –
1983. – №50. – P.35-57.
9. Spirtes, P. Causation, Prediction, and Search / P. Spirtes, C. Glymour, R. Scheines. – New York: SpringerVerlag, 1993. – 565 p.
10. Good, I.J. A causal calculus (II) / I.J. Good // British Journal for the Philosophy of Science. – 1961. – №11. –
P.305-318.
11. Shoham, Y. Reasoning About Change: Time and Causation from the Standpoint of Artificial Intelligence / Y.
Shoham. – The MIT Press, 1987. – 200 p.
12. Holland, P.W. Statistics and causal inference / P.W. Holland // Journal of the American Statistical Associations.
– 1986. – №81(396). – P.945-960.
13. Tian, J. A New Characterization of the Experimental Implications of Causal Bayesian Networks / J. Tian, J.
Pearl // Proceedings of the 8th National Conference on Artificial Intelligence. – AAAI Press, The MIT Press: CA,
Menlo Park, 2002. – P.574-579.
14. Bareinboim, E. Local Characterizations of Causal Bayesian Networks / E. Bareinboim, C. Brito, J. Pearl // Proceedings of the 2nd International IJCAI Workshop on Graph Structures for Knowledge Representation and Reasoning (GKR 2011). – 2011. – P.6-11.
15. Подвесовский, А.Г. Применение байесовых сетей в задачах анализа и прогнозирования спроса / А.Г.
Подвесовский, С.В. Ешин // Вестн. БГТУ. – 2011. – №1(29). – С. 61–70.
16. Мирошников, В.В. Методика построения байесовой сети для анализа причин дефектов продукции и процессов / В.В. Мирошников, С.В. Ешин // Вестн. БГТУ. – 2011. – №2(30). – С. 93–100.
17. Мирошников, В.В. Анализ причин дефектов продукции с помощью байесовых сетей / В.В. Мирошников,
С.В. Ешин // Качество, инновации, образование. – 2011. – №8. – С. 54–61.
18. Verma, T. An algorithm for deciding if a set of observed independencies has a causal explanation / T. Verma, J.
Pearl // Proceedings of the 8th Conference on Uncertainty in Artificial Intelligence. – Stanford, CA: Morgan
Kaufmann, 1992. – P. 323-330.
19. Meek, C. Causal inference and causal explanation with background knowledge / C. Meek // Proceedings of the
11th Annual Conference on Uncertainty in Artificial Intelligence (UAI-95). – San Francisco: Morgan Kaufmann,
1995. – P. 403–441.
20. Pearl, J. A theory of inferred causation / J. Pearl, T. Verma // Principles of Knowledge Representation and Reasoning: Proceedings of the Second International Conference. – San Mateo, CA: Morgan Kaufmann, 1991. – P.
441–452.
21. Rebane, G. The recovery of causal poly-trees from statistical data / G. Rebane, J. Pearl // Proceedings of the
Third Workshop on Uncertainty in AI. – Seattle, WA, 1987. – P. 222-228.
22. Verma, T. Equivalence and synthesis of causal models / T. Verma, J. Pearl // Proceedings of the Sixth Conference on Uncertainty in Artificial Intelligence. – Cambridge, MA, 1990. – P. 220–227.
23. Kjærulff, U. Bayesian Networks and Influence Diagrams. A Guide to Construction and Analysis / Uffe B.
Kjærulff, Anders L. Madsen. – New York: Springer, 2008. – 303 p.
24. Andersen, B. Root cause analysis: simplified tools and techniques / B. Andersen, T. Fagerhaug. – American Society for Quality, Quality Press, 2006. – 240 p.
25. Alessi, G. Models of Proximate and Ultimate Causation in Psychology / G. Alessi // American Psychologist. –
1992. – Vol. 47(11). – P. 1359-1370.
26. Francis, R.C. Causes, proximate and ultimate / R.C. Francis // Biol. Phil. – 1990. – № 5. – P. 401-415.
27. Thierry, B. Integrating proximate and ultimate causation: Just one more go! / B. Thierry // Current Science. –
2005. – Vol. 89. –№ 7. – P.1180-1183.
28. Eshin, S. Recovering causal Bayesian network structure using information about causal hierarchies / S. Eshin //
The Advanced Science Journal. – 2011. – №4. – P. 46–50.
29. Ешин, С.В. Анализ и моделирование причин дефектов электрических соединителей с помощью байесовых сетей / С.В. Ешин // Эффективность и качество в машиностроении и приборостроении: материалы
IIМеждунар. науч.-техн.конф. (г. Карачев, 23-25 сент. 2011 г.) / под общ.ред. Ю.С. Степанова. – Орёл:
Госуниверситет — УНПК, 2011. – С. 92–99.
30. Ешин, С.В. Алгоритм выявления причинно-следственных связей в статистических данных / С.В. Ешин //
Материалы III Международной научно-практической конференции «Достижения молодых ученых в развитии инновационных процессов в экономике, науке, образовании»: в 2 ч. / под ред. И.А. Лагерева. –
Брянск: БГТУ, 2011. – Ч.1. – С. 161–163.
Материал поступил в редколлегию 3.02.12.
124
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 1(33)
УДК 681.2.088, 621.833.01
В.И. Аверченков, В.В. Спасенников, Р.А. Филиппов
ИССЛЕДОВАНИЕ ТОЧНОСТИ ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ ОБЪЕКТОВ
ПРИ ОПТИЧЕСКОЙ МИКРОСКОПИИ С УПРАВЛЕНИЕМ ЧЕРЕЗ ИНТЕРНЕТ
Рассмотрены вопросы аппаратной реализации АСНИ для микрогеометрического анализа на основе оптической микроскопии. Описаны приводы управления перемещениями узлов микроскопа и основные аппаратные решения, используемые при создании комплекса. Разработана методика оценки погрешности кинематической цепи привода перемещения предметного столика.
Ключевые слова: оптическая микроскопия, автоматизированная система научных исследований, программно-аппаратный комплекс, приводы управления, кинематическая погрешность цепи, точность позиционирования.
Вопросы автоматизации процесса проведения лабораторных исследований являются
наиболее актуальными при использовании дорогостоящего уникального оборудования.
Также актуальным является вопрос предоставления удаленного доступа к высокотехнологичному оборудованию. Такой доступ может быть осуществлен как посредством локальной вычислительной сети, так и через глобальную сеть Интернет. Для предоставления автоматизированного удаленного доступа, в том числе и через Интернет, к такому оборудованию необходимо создавать не только специализированное программное обеспечение, но
и, что самое главное, механизмы управления автоматизируемыми узлами. При разработке
программно-аппаратного комплекса управления удаленным оптическим микроскопом
LEICA DMIRM возникла необходимость создания приводов управления перемещениями
узлов микроскопа по осям X,Y,Z. Такими узлами являются узел смены объективов, фокусировочный механизм грубой и точной настройки микроскопа на резкость. Место приводов управления в лабораторном комплексе показано на рис. 1.
USB-порт 1
Задание
величин
перемещения
по осям
Обработка
полученной
информации
ЭВМ
Видео - и
фотоизображение
поверхности
Управляющие
сигналы
Двигатели
Контроллеры
шаговых
двигателей
Задание
угла
поворота
USB-порт 2
Шаговый
двигатель 1
Шаговый
двигатель 2
Шаговый
двигатель 3
Управление
перемещением
по оси Х
Управление
перемещением
по оси У
Управление
перемещением
по оси Z
Микроскоп
Привод
перемещения
по оси Х
Привод
перемещения
по оси У
Привод
перемещения
по оси Z
Рис. 1. Функциональная схема локальной составляющей лабораторного комплекса
125
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 1(33)
Рассмотрим подробнее механическую составляющую программно-аппаратного комплекса. Предлагается устройство управления предметным столиком и приводом настройки фокуса оптического микроскопа LEICA DM IRM, состоящее из шаговых двигателей и
зубчатых передач.
Для удаленного управления процессом перемещения предметного столика в горизонтальной плоскости и в двух взаимно перпендикулярных направлениях по координатам
X и У данное устройство подключают к элементам управления единой рукоятки (сдвоенной — коаксиальной). Шаговый двигатель получает сигнал управления предметным столиком , который преобразуется в количество микрошагов, определяющее угол поворота
вала двигателя.
На рис. 2 показан общий вид приводов управления перемещением предметного столика микроскопа LEICA DM IRM.
Устройство управления предметным столиком оптического микроскопа LEICA DM
IRM содержит шаговые двигатели. На валу шаговых двигателей устанавливают ведущие
шестерни, которые входят в зубчатое зацепление с ведомыми шестернями, зафиксированными на осях. Оси крепятся гайками к плите. Ведомые шестерни также входят в зубчатое зацепление с шестернями, закрепленными на валу рукоятки. Вал рукоятки представляет собой двойной вал, состоящий из двух смонтированных друг в друге спиц, вращательные движения которых через червячную передачу передаются на предметный столик
и позволяют перемещать его по осям Х и У [7]. Устройство управления крепится винтами
(с центровкой) к предметному столику посредством крепежных планок. Шаговые двигатели крепятся к пластине винтами .
При металлографическом исследовании поверхностей во многих случаях возникает проблема
определения геометрических параметров исследуемых образцов.
Частным случаем является проблема определения площадей раковин в чугунах и таких параметров, как длина, ширина. При задании перемещения в определенное
положение возникает проблема
оценки погрешности физического
перемещения предметного столика
с установленным на нем образцом.
Эта погрешность состоит из следующих основных составляющих:
Рис.2. Приводы управления перемещением предметного
погрешность пары «винт-гайка»
столика:
1 – 3 - шестерни привода перемещения по оси Х;4 – 6 шесмикроскопа, погрешность кинематерни привода перемещения по оси У
тической цепи привода перемещения предметного столика, погрешность шагового двигателя.
Рассмотрим методику оценки указанных погрешностей. При исследовании различных образцов актуальной является задача оценки погрешностей перемещений разработанных узлов, поскольку вносимые в конструкцию изменения не были заложены в спецификации производителем и требуют дополнительных измерений.
Для определения погрешности перемещения предметного столики оптического микроскопа и угла вращения ручки фокусного расстояния необходимо использовать понятия
абсолютной и относительной погрешностей.
126
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 1(33)
Отклонение результата измерения от истинного значения измеряемой величины является погрешностью измерения. Абсолютная погрешность измерительного прибора –
разность между показанием прибора и действительным значением измеряемой величины:
∆пр = Xп − Xд, где Xп – величина, измеренная прибором; Xд – действительная величина[1;2]. Относительная погрешность измерительного прибора – отношение абсолютной
погрешности прибора к действительному или измеренному значению величины, выраженное в процентах:
δ пр =
∆пр
∆пр
100% ≈
100% .
Xд
Xп
Также для сравнительной оценки точности измерительных устройств пользуются
понятием приведенной погрешности прибора, под которым понимают отношение абсолютной погрешности прибора к нормирующему значению шкалы, выраженное в процентах:
∆пр
γ пр =
100% .
XN
Перейдем к оценке дополнительной погрешности кинематической цепи привода перемещения предметного столика.
Основными факторами, определяющими дополнительную погрешность кинематической цепи привода перемещения предметного столика по координатам X и Y, являются:
• погрешность шагового двигателя;
• погрешность кинематической цепи зубчатых передач.
Таким образом, оценив указанные погрешности, можно использовать результат для
оценки результирующей погрешности перемещения координатного столика по осям X и
Y.
Согласно ГОСТ 27471-87, используется понятие статической погрешности шагового
электродвигателя. Это отклонение установившегося действительного значения шага шагового электродвигателя от идеального при подаче сигнала[4].
Определим погрешность кинематической цепи зубчатых передач.
При расчете допуска и погрешности зубчатого колеса устанавливается так называемая степень точности зубчатого колеса или передачи. Для высокоточных кинематических
цепей механизмов приборов рекомендуется использовать зубчатые колеса повышенной
точности, а именно 5-8 степени точности. Для каждой степени точности определяются
нормы:
• кинематической точности;
• плавности работы;
• контакта зубьев зубчатых колес в передаче.
Для решаемой задачи актуальным является определение норм кинематической точности, в частности кинематической погрешности зубчатого колеса и зубчатой передачи.
Кинематическая точность зубчатого колеса - разность между действительным и номинальным (расчетным) углами поворота на рабочей оси зубчатого колеса, ведомого измерительным зубчатым колесом (при номинальном взаимном положении осей вращения
этих колес) [5].
Для определения кинематической точности любого зубчатого колеса необходимо
определять основные параметры: число зубьев z, диаметр делительной окружности d, модуль m, степень точности.
Затем определяется допуск на кинематическую погрешность зубчатого колеса:
,
127
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 1(33)
где
– допуск на накопленную погрешность зубчатого колеса;
–допуск на погрешность профиля зуба. Данные параметры получаются путем выбора стандартных значений
из таблиц на основании исходных данных.
Получив значения абсолютной погрешности, определяют относительную погрешность для каждого из зубчатых колес.
Следующей задачей является определение погрешности кинематической цепи зубчатых передач. Согласно ГОСТ 21098-82, кинематическая цепь – совокупность звеньев или
механизмов, предназначенных для передачи движения [6]. Применительно к приводу перемещения предметного столика под кинематической цепью будем понимать совокупность зубчатых колес, обеспечивающих передачу движения от шагового двигателя к валу,
которые конструктивно составляют целое непосредственно с предметным столиком.
Согласно ГОСТ 21098-82, кинематическая погрешность рассчитывается по методу
максимума-минимума. При этом методе учитываются предельные отклонения погрешностей составляющих звеньев и их наихудшие для передачи сочетания.
Кинематическая погрешность цепи, состоящей из n ступеней, приведенной к выходному валу, рассчитывается по формуле
n
∆ϕi 0 ∑ = ∑ ξ j ∆(iϕ0)j ,
j =1
где ∆ – кинематическая погрешность j-й ступени с учетом фактического угла поворота
(ϕ )
i0 j
ведомого колеса; ξ j – передаточный коэффициент j-й передачи.
Основные коэффициенты, учитывающиеся при расчете кинематической погрешности цепи:
• k s - коэффициент фазовой компенсации;
• kϕ - коэффициент, учитывающий угол поворота ведомого зубчатого колеса;
• t 1 - коэффициент, зависящий от процента риска;
• K p - вероятностный коэффициент.
Кроме этого, при расчете учитываются следующие параметры:
• Fi , -допуск на кинематическую погрешность зубчатого колеса;
• ∆E∑ M - суммарная приведенная погрешность монтажа;
• E vϕi - координата середины поля рассеяния кинематической погрешности зубчатой
пары;
• Vϕi - поле рассеяния кинематической погрешности зубчатой пары.
В общем виде методика расчета выглядит следующим образом.
Сначала рассчитывается кинематическая погрешность зубчатого механизма привода
микроскопа, далее определяются геометрические размеры зубчатых колес, составляющих
механизм. Затем в зависимости от типов зубчатых передач и степени точности по соответствующим стандартам составляется таблица первичных погрешностей, а также параметров и коэффициентов, учитываемых при расчете кинематической погрешности. После
этого рассчитывается кинематическая погрешность заданной кинематической цепи.
При расчете кинематической погрешности зубчатых передач привода перемещения
предметного столика микроскопа LEICA DMIRM были получены следующие значения:
для цепи, состоящей из зубчатых колес 1-3, ∆ϕ1, 2,3 = 54 мкм; для цепи, состоящей из зубчатых колес 4-6, ∆ϕ 4,5, 6 = 52 мкм.
Абсолютная и относительная кинематические погрешности кинематических цепей,
состоящих из зубчатых передач, по осям Х и У равны: по оси Х ,
; по оси У ,
.
128
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 1(33)
Задача оценки погрешности перемещения предметного столика по осям Х, У производителем не решается. Это связано с тем, что управление перемещением предметного
столика осуществляется вручную. При этом никаких приспособлений типа нониуса на рукоятке перемещения предметного столика не предусмотрено. Все измерения происходят
визуально без соблюдения каких - либо требований к точности. В отличие от рукоятки
управления предметным столиком на рукоятке фокуса присутствует разметка, проведя
калибровку которой можно оценить погрешность перемещения тубусодержателя. Для определения погрешности перемещения предметного столика необходимо провести калибровку, которая позволит эмпирически определить зависимость перемещения предметного
столика от угла поворота рукоятки управления [3].
Проанализировав все составляющие, выведем формулы для определения результирующей погрешности перемещений предметного столика по осям Х и У:
,
,
где
– относительная погрешность работы шагового двигателя;
- относительная кинематическая погрешность кинематической цепи, состоящей из зубчатых передач,
по оси Х;
- относительная кинематическая погрешность кинематической цепи, состоящей из зубчатых передач, по оси У;
- относительная погрешность перемещения
предметного столика от рукоятки управления по оси Х;
- относительная погрешность
перемещения предметного столика от рукоятки управления по оси У.
Определим минимальное перемещение по осям X,Y,Z:
S min =
1
К дрU редU в.п ,
Pдв
где Pдв - число шагов двигателя на один оборот; К др - коэффициент дробления шага шагового двигателя (1/2,….); U ред - передаточное отношение редуктора; U в.п - передаточное
отношение механизма преобразования вращательного движения в поступательное.
Величина перемещения определяется количеством микрошагов, совершаемых двигателем при перемещении столика на 1 мм:
Sc =
1
Pдв К др
U в.пU ред
Исследовав методику конструирования и использования зубчатых кинематических
цепей для создания автоматизированных систем управления научным оборудованием,
можно сделать следующие выводы:
1. На ведущем валу необходимо устанавливать шестерню малого диаметра, а на
ведомом валу - наибольшего диаметра. Это позволит за счет большего передаточного отношения минимизировать погрешность, вносимую шаговыми двигателями.
2. Для обеспечения плавности вращения целесообразно вводить промежуточное
звено. Таким образом, минимальной является кинематическая цепь, состоящая из трех
зубчатых колес.
3. Источником вращательных движений необходимо назначать шаговые двигатели,
которые позволяют контролировать угол поворота и осуществлять вращательное движение с заданными точностью и углом поворота.
4. Приведенную погрешность монтажа можно уменьшить путем использования
высокоточных подшипников.
Разработанные приводы позволяют организовать процесс автоматизации перемещения с управлением через локальные сети и Интернет.
129
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 1(33)
Полученные формулы позволили рассчитать дополнительную погрешность привода
перемещения предметного столика по осям X,Y и сделать вывод о незначительном влиянии вносимой погрешности на общую погрешность при перемещении в горизонтальной
плоскости.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Байков, И.П. Расчет погрешностей технологических измерений и измерительных каналов информационно – измерительных систем: учеб. пособие. / И.П. Байков. – Кострома: КГТУ, 2007. – 71 с.
2. Новицкий, П. В. Оценка погрешностей результатов измерений / П.В. Новицкий, И.А. Зограф.- 2-е изд.,
перераб. и доп. – Л.: Энергоатомиздат, 1991. – 304 с.
3. Аверченков, В.И. Анализ точности высотных измерений методом фокусировки объекта на базе оптического микроскопа LEICA DM IRM / В.И. Аверченков, Д.В. Чмыхов // Вестн. БГТУ. – 2008. – №1. – С.
34-38.
4. ГОСТ 27471-87. Машины электрические вращающиеся. Термины и определения.
5. ГОСТ 9178-81. Основные нормы взаимозаменяемости. Передачи зубчатые цилиндрические мелкомодульные. Допуски.
6. ГОСТ 21098-82. Цепи кинематические. Методы расчета точности.
7. Пат. на полезную модель «Аппаратно-программный комплекс для управления удаленным оптическим
микроскопом» / Аверченков А.В., Аверченков В.И., Филиппов Р.А., Чмыхов Д.В. - №110842 от 27.11.11.
Материал поступил в редколлегию 22.02.12.
130
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 1(33)
УДК 004.896
С.Г. Толстых, С.С. Толстых
ОБЪЕКТНО-ОРИЕНТИРОВАННОЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЕ СИСТЕМ
И СОБЫТИЙНО-УПРАВЛЯЕМАЯ МОДЕЛЬ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПОТОКА
Поставлена задача формализации объектно-ориентированного представления систем, что служит основой
для разработки математических моделей технологического потока (в частности, для пищевых производств).
Предложено использовать событийно-управляемое математическое описание как когнитивную основу
представления смешанных систем с непрерывными во времени объектами и дискретным управлением
иерархией процессов в технологическом потоке.
Ключевые слова: системный анализ, технологический поток, объектно-ориентированный подход,
событийно-управляемые модели, продовольственные продукты.
Математическое моделирование процессов пищевых производств является
первоосновой для нахождения оптимальных режимов функционирования оборудования и
решения задач о повышении качества продовольственных продуктов. Для
интенсификации процессов создания и модификации математических моделей за счет
расширения интерфейса взаимодействия исследователя с компьютером, а также для
повышения результативности проводимых исследований предлагается использовать
объектно-ориентированное представление технологического потока (ТП).
Ранее, в работах В.А. Панфилова по системному анализу пищевых производств [1],
предлагалось строить модели ТП на основе его функционально-структурного
представления, при этом формирование структуры операторной модели ТП было
основано на графическом кодировании аппаратурного оформления. Фактически сущность
представления ТП остается в том виде, который изначально был задан технологами. Тем
не менее именно в работах В.А. Панфилова впервые было предложено рассматривать в
качестве объекта исследования весь ТП пищевого производства как систему (взамен
рассмотрения отдельных аппаратов), объединяя разрозненные элементы в подсистемы, а
подсистемы – в единую систему.
В монографиях [2;3] подчеркивается важность исследования целевого пространства
систем совместно с изучением их темпорального поведения в тех случаях, когда
рассматриваются системы смешанного типа (непрерывные процессы сочетаются с
дискретизацией управляющих воздействий). Для периодических процессов в пищевой
технологии это особенно важно. Следует отметить, что операторная модель
В.А.Панфилова представляет собой лишь управляемую часть технологической системы,
она не содержит управляющих элементов. Многие процессы пищевых производств не
только периодические, но и последовательно-параллельные, вариативные, оперативно
модифицируемые. Пищевые производства зачастую строятся по принципу
распараллеливания ТП – аппараты нуждаются в промывке, дезинфекции и других
операциях. Для уменьшения простоя оборудования аппараты оперативно переключаются,
что в рамках операторной модели невозможно отразить.
В качестве дальнейшего развития операторного представления ТП как кибернетической сущности предлагается концепция объектно-ориентированного подхода к формированию образа ТП в рамках общесистемного подхода. Предлагается использовать событийно-управляемый метод формализации объектно-ориентированных математических
моделей. Он отличается от известных когнитивных представлений компактной графикой
и топологической универсальностью. Объектно-ориентированное представление технологического потока помогает формализовать и алгоритмизировать весь цикл производства с
учетом как фактических, так и планируемых циклограмм на стадии их проектирования.
131
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 1(33)
На рис. 1 показаны основные концептуальные автоморфизмы, погруженные в
целевой топос ТП. Под целевым топосом здесь понимается объектное обобщение понятия
«целевое пространство». Фактически это своего рода пространство решаемых задач,
таких, например, как «Оптимизация», «Оптимальное управление процессами ТП».
Главным отличием объектных
Целевой топос ТП
когнитивных
представлений
от
Генератор сообщений ТП
диаграмм, используемых ранее для ТП,
является иная топологическая модель
…
формирования знаний. Предлагается
перейти от представления структуры
Метакласс подсистемы ТП
технологической
схемы
в
виде
Карта сообщений
статического орграфа к объектному
представлению с рассылкой сообщений,
Топологический
Топологический координачто можно сопоставить с командоапкоординатор
тор метакласса
подсистем
паратом, управляющим технологичеСовокупность
ской
иерархией
последовательносубклассов подсистемы
параллельных процессов.
Концептуальный автоморфизм нового подхода состоит в замене коммутативных диаграмм на единый мегаобъРис. 1. Коммутативная диаграмма ТП
ект, размерность которого равна числу
подсистем в ТП. В каждом метаклассе (как типизации мегаобъекта) каждой из подсистем
имеется карта сообщений, воспринимающая поток, исходящий от генератора сообщений
ТП, и отбирающая при этом только те сообщения, которые относятся к прерогативе конкретного метакласса.
В метаклассе имеется топологический координатор сообщений, рассылающий полученные порции информации по всем субклассам подсистемы. Каждый из субклассов отвечает за моделирование отдельных аппаратов подсистемы или их частей (слоев представления знаний). Основные задачи топологического координатора:
1. Динамическая инициация субклассов в соответствии с морфологией сообщения.
2. Координация локальных межклассовых морфизмов (сообщений, циркулирующих
между субклассами).
3. Шаблонная модификация однородного методологического контента субклассов.
4. Шаблонная модификация полиморфизма субклассов.
5. Завершение жизненного цикла субкласса.
Под динамической инициацией объекта субкласса понимается его изначальное конструирование и действия по реконструкции, осуществляемые в моменты посылки управляющих сообщений по иерархии ТП. На этапе инициации происходит подготовка объекта
к дальнейшему существованию.
На темпоральном уровне топология ТП может меняться в процессе прохождения материальной субстанции от одного аппарата к другому. Это неотъемлемое свойство всех
периодических процессов, характерное, в частности, для большинства процессов пищевых
производств. Если мы отказываемся от пространственной топологии модульных представлений и переходим в информационную сферу взаимодействия объектов, координация
сообщений является своего рода аналогом пространственных перемещений материальной
субстанции в ТП.
Шаблонное представление характерно для классов, которым свойственно абстрагирование, причем как на уровне морфизмов, так и на уровне статического информационного контента [4]. Интересно заметить, что в программировании использование шаблонов
подразумевает вариативность типажа представления свойств и методов класса (или спо132
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 1(33)
собов кодирования – в наиболее простых случаях). Управление шаблонным составом –
неотъемлемая часть управления ТП на уровне его кибернетического представления. В частности, это связано с модификацией математических моделей, в пищевых производствах
– при добавлении в рецептуру новых веществ, изменяющих физико-химические свойства
продуктов питания (например, повышение прочности изделий, предотвращение всякого
рода деструкций). Следует предусмотреть управление как однородным методологическим
контентом (монофункции), так и полиморфными функторами (параметрическивариативные, одноименные методы). По отношению к пищевой технологии этот вид
управления метаобъектом планируется использовать в тех случаях, когда меняется стиль
или алгоритм решения внутриклассовых задач (планируется перейти на новый аппарат с
иной (по сравнению со старой конструкцией) гидродинамикой; необходимо подключить
модуль (например, решения интегральных уравнений) из библиотеки объектных модулей). Несомненно, каждый объект должен иметь управляемый деструкционный автоморфизм. В программировании это означает, что деструктор класса может быть вызван наравне с другими методами.
На рис. 2 иллюстрируется
Субкласс
концепция организации субклассов, состоящих из карты соКарта сообщений
общений, модуля инициации и
методологического
контента.
Модуль инициации
Методологический
контент
Креаторы
Конструкторы
Прекреаторы
Посткреаторы
включает в себя функторы (набор функций субкласса, в частности численных методов, исМетодологический контент
пользуемых в математических
моделях) и операторы как дейФункторы
Операторы
ствия над объектами. В составе
Деструктор
методологического
контента
предусмотрен деструктор, очиРис. 2. Организация субкласса
щающий объектное пространство от дезактивированных объектов. Модуль инициации предназначен для создания объектов. В его состав входят конструкторы (инструкции, вызываемые для инициализации статического контента объекта), прекреаторы (однократные действия для динамической инициализации объекта), креаторы (действия для динамического воссоздания объекта) и посткреаторы (действия, направленные на формирование вспомогательных свойств объекта,
в частности его интерфейс). В каждом субклассе предусматривается своя карта сообщений, фильтрующая их приток извне.
Необходимым этапом в объектном представлении систем является формализация
основных положений этого подхода. Технологическая схема с общесистемных позиций
представляет собой совокупность объектов (аппаратов) и связей (технологических потоков) между ними, которые функционируют во времени и в рамках целевого пространства.
В данном случае удобно представить систему как изолированную (замкнутую), т.е. не совершающую работу для установления связей с окружающей средой. Только в этом случае
можно говорить о полной наблюдаемости и информационной измеримости контента системы. Влияние окружающей среды учитывается путем ввода в систему эндогенных и экзогенных объектов, связанных с объектами замкнутой системы (например, случайные
факторы, такие, как температура окружающей среды, имеет смысл ввести как экзогенные
объекты, а экологические факторы проведения процессов – как эндогенные). В замкнутых
системах структура является наблюдаемой характеристикой и выражает наиболее существенные взаимодействия объектов среди всех возможных. Эти взаимодействия нам извест133
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 1(33)
ны и зачастую формализованы. Более того, принято считать, что структура остается неизменной на существенном отрезке времени жизненного цикла. Структура системы может
быть переменной, если на периоде жизненного цикла в ее составе происходят изменения,
однако эти изменения принято считать квазистатическими, если каждое из них происходит под влиянием стремления к достижению целей существования системы и осуществляется в дискретные моменты времени [2].
Таким образом, в данном случае уместно представление систем в нотации, близкой к
модели Тарского [3;5]
S = T ,Q ,
где T = G, {≤} – полная структура [3] системы; Q = T , {R}, {P} – целевое пространство
системы. Рассмотрим эти понятия. Структура T представлена транзитивной цепью орграфов G = G ≤ G1 ≤ ... ≤ GL ≤ G , где G и G - соответственно орграфы начального и конечного состояний технологической схемы; Gi , i = 1, L – орграфы состояний технологической
схемы, соответствующие развитию технологического потока во времени на периоде от
старта до завершения операций периодического производства; отношение « ≤ » имеет
смысл «предшествование во времени» . Нивелируя индексы, орграф системы можно упрощенно представить как семейство двух множеств G = {V }, {D} , где V – множество
вершин, а D – множество дуг.
Целевое пространство Q системы S в целом соответствует модели Тарского, открывая возможности формализации как задач проектирования, так и задач управления. В
этом формате представления целенаправленных систем [2] элементом целевого пространства Q является T ⊂ TΣ , где TΣ – множество всех возможных структур, соответствующих
всем возможным вариантам организации технологического потока для производства конкретного вида продукции, а T – подмножество структур, отвечающее общей лингвистической цели α = aim T - «получение продукта на конкретном оборудовании со структурой T
начального состояния технологического потока». Из T ′ ∈ T следует, что α = aim T ′ ∈ R ,
где R – множество отношений эквивалентности.
Кроме отношений эквивалентности в целевом пространстве системы S присутствуют отношения частичного порядка P : для выстроенной согласно P убывающей цепочки элементов T1 > T2 > ... > TN > ... существует минимальный элемент TN +i , такой, что для
j > i характерно T j ≥ Tn+i и Tn+i = Tn+i +1 = ... (стабилизация). Это обстоятельство принято
называть реализацией целей моделирования минимальными средствами [2;5].
Главным отличием представления целевого пространства системы от модели Тарского является здесь то, что в качестве элемента Q выступает не система, а полная структура, отражающая дискретные акты управления ТП. Кроме того, учитывается топология –
отдельные элементы и подсистемы, связи между ними (в прототипе система рассматривалась целиком).
Рассмотрим подробности формирования структур в составе полной структуры T .
Применительно к технологическому потоку пищевых производств можно условно
принять, что размерность орграфов постоянна, т.е. dim G = dim G = dim Gi = (m, n), i = 1, L ,
это упрощает формализацию без потери информативности. В орграфе G изначально предусмотрены все возможные материальные потоки, но начиная с G1 и далее по циклограмме работы аппаратов вес дуги может обнуляться, тем самым моделируется актуальность
связей в моменты переключения материальных потоков.
134
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 1(33)
Далее необходимо выяснить, как с учетом базовых концепций ООП представлять
вершины и дуги орграфа состояния ТП. Вершина орграфа vl ∈ V представляет собой се-
(
)
мейство vl = A, C , l = 1, n. Здесь A = akj , k = 1, vi A , j = 1, k – иерархия классов, нижняя
треугольная матрица с элементами, относящимися к категории Class (понятие «категория»
как математическая абстракция является расширенным представлением категории «множество» [6]).
Прежде чем перейти к описанию категории Class, следует отметить, что вопросы о
формализации классов в ООП находятся в состоянии острейшей проблематики и, судя по
результатам актуальных обзоров [8], целью большинства исследований является оценка
эффективности компьютерных программ, написанных на языках семейства ООП. Основные достижения в этой области базируются на применении специализированных метаязыков и графических UML-конструкций [9]. В исследованиях, рассматриваемых здесь, возникает необходимость в математическом описании технических систем, функционирование которых описывается в соответствии с принципами ООП. В качестве основы предлагается подход, развиваемый в рамках теории сложности замкнутых технических систем.
Сущность этого подхода состоит в том, что в качестве интегральной характеристики состояния системы берут показатель сложности этой системы, причем критерий оценки
сложности формируют на основе аксиоматики целевого пространства. О формировании
общей теории сложности [10] пока говорить рано, но отдельные разделы этой теории уже
получили достаточное развитие [3;6].
В таблице содержится перечень некоммутативных операторов, действующих на пару объектов (a, b ) . Объекты a и b принадлежат категории Object, множественно наследующих общепринятые операторы категории «множество» (например, a ⊂ b, a ≠ ∅ ), интерфейсные концепции λ -исчисления [11] и логический базис («И» ( ∧ ), «ИЛИ» ( ∨ ),
«НЕ» ( ¬ )). Запись a ⊂ b фактически означает, что все функторы и свойства объекта a
есть и в объекте b , но не наоборот. Необходимость введения нового перечня некоммутативных операторов (в дополнение к коммутативным операторам топоса «множество», например a = b ⇒ b = a ) объясняется невозможностью исчерпывающего применения традиционных теоретико-множественных операторов для математического описания объектноориентированных моделей. Прежде всего это относится к понятию «тип элемента в категории Class» [4]. Поясним операторы из таблицы:
1. Связывание выражает назначение (ссылочное присвоение [4]) объекту a нового
значения с потерей старого.
2. Порождение – неатомарный оператор (запись a = ∅ означает, что объект a является атомом, это пустой именованный объект, и наоборот, запись a ≠ ∅ означает, что
объект кроме имени имеет непустой контент [8]), порождающий новый λ -объект (безымянный контент [11]) λc , связанный с объектом b .
3. Обобщенное «ИЛИ», строго говоря, логическим оператором не является, так как
порождает новый объект: если a не пусто, то результат равен a ; если a пусто, а b – нет,
то результат равен b ; если же и a и b пусты, результат равен пустому объекту ( ∅ ).
4. Обобщенное «И» формирует пустой объект, если или a , или b , или оба пусты. В
противном случае результат равен a .
5. Характеризация: a является характеристикой b ; в паре объектов (a, b ) существуют общие элементы (свойства и/или функторы), при этом b не является порождением a .
Результат – либо a , либо ∅ .
6. Конкретизация – оператор, результатом работы которого является a , если a и b
имеют непустое пересечение и к тому же b – порождение a (в данном случае b – конкретизатор, a – объект конкретизации), в противном случае- ∅ .
135
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 1(33)
7. Соответствие: a соответствует b в том и только в том случае, когда a является
характеристикой b и b конкретизируется a , иначе (используется последовательность
знаков «; ↵ », «в противном случае») ∅ .
Таблица
Некоммутативные операторы в категории Object
Оператор
Формализация
(обозначение)
(a, b ) → (a | (λa = λb ))
1. Связывание ( a := b )
(a, b ) → (λc c := b, a ≠ ∅, b ≠ ∅ )
2. Порождение ( a =: b )
3. Обобщенное «ИЛИ» ( a b )
4. Обобщенное «И» (a ∴ b)
5. Характеризация ( a  b )
6. Конкретизация ( a  b )
7. Соответствие ( a :=: b )
 a = ∅ ∧ b = ∅ ⇒ c := ∅, 


 a ≠ ∅ ⇒ λc := a,

(a, b ) →  λc
a ≠ ∅ ∧ b ≠ ∅ ⇒ c := a, 




:
a
b
c
b
=
∅
∧
≠
∅
⇒
=


 a = ∅ ⇒ ∅, b = ∅ ⇒ ∅, 


(a, b ) →  λc a = ∅ ∧ b = ∅ ⇒ ∅, 
 a ≠ ∅ ∧ b ≠ ∅ ⇒ {a, b} 


(a ∩ b ) ≠ ∅ ∧ a ≠: b ⇒ c := a, 

 (a ∩ b ) = ∅ ∨ a =: b ⇒ c := ∅ 
 (a ∩ b ) ≠ ∅ ∧ a =: b ⇒ c := a, 

(a, b ) →  λc

(
)
a
∩
b
=
∅
∨
a
≠
:
b
⇒
c
:
=
∅


(a, b ) → (λc (a  b, a  b ) ⇒ (c := a ); ↵∅ )

(a, b ) →  λc
В формализации идей ООП важную роль играет постулирование. Выражение a является постулатом (это обозначается a → ]a[ ), если конкретизатор c не связан с объектом
конкретизации [6]:
(a → ]a[) := ((b op c, b  c ) =: (op ≠:= )) ,
где оператор op постулата a обозначается op[a ] . Далее в рассмотрение вводится понятие
«дескриптор». Это постулат абстрактной типизации, в котором op[a ] = (=:) и утверждается,
что объект a характеризует тип объекта B и формализуется с помощью оператора порождения:
(a := de(b )) =: ((a :=: b ) := ((a  b ) ∧ (B :≠: A))) .
Класс в ООП – метаобъект class Class (воплощение категории Class), который
можно считать постулатом типизации:
(class → ] class[) := ((a := Var , Con, Met ) =: (( Var , Con, Met ⊆ a ) =: b, b ⊃ a )).
(1)
Здесь:
1.Con, Met Algorithm – алгоритмический контент, воплощение категории алгоритмов.
2.op[Class ] = (=:) выражает главную особенность классов – наследование как способность строить иерархии совокупностей типов данных и знаний (фрагмент « =: b » означает, что класс a может породить более широкий класс b ⊃ a ).
3. Скобки ... , традиционно обозначающие «семейство множеств», наследуются из
категории «множество» и означают «метаобъект».
136
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 1(33)
4. Запись Var , Con, Met ⊆ a означает, что класс может быть шаблонным, т.е. определяться не полностью, с точностью до семантического интерфейса (знак « ⊆ » вместо
оператора связывания «:=»).
5.Var – множество атомарных свойств класса (переменных класса, изначально не
имеющих конкретных значений), Var := de(class ), Var = Vari = ∅, i = 1, Var .
{
}
6.Con – модуль инициации класса, Con := de(class ), Con = {Conco , Con pr , Concr , Con pc }
(соответственно конструкторы, прекреаторы, креаторы и посткреаторы).
7.Met –
Met := de(class ) ,
методологический
контент,
Met = {Met f , Metop , Metre }∪ ({Metde }, {Metde } = 1) , где Met f - функторы; Metop – операторы;
Metre – реактивные функторы, обеспечивающие реакцию на поток сообщений; Metde –
единственный в классе деструктор.
Необходимо учесть, что классы – как типизированная абстракция – могут постулироваться выражением (1), но вместе с тем нельзя не учитывать возможность их участия в
иерархиях. Таким образом:
1. Субкласс – это класс, для которого есть класс, находящийся выше по иерархии,
(Subclass → ]Subclass[) := class c1 : ∃class c2 ⊃ class c1 .
2. Метакласс – это класс, который ни для одного из классов не является субклассом,
(Metaclass → ]Metaclass[) := class c1 : ∃/class c2 ⊃ class c1 .
Вернемся к вершине орграфа vl = A, C . Итак, на основе изложенного становится
ясно, каким образом можно формализовать иерархию классов. A class – топология
формирования иерархии - содержится в постулате (1). Особо подчеркнем, что структура
карты сообщений C изоморфна структуре иерархии классов вершины vl .
Основной топологической характеристикой иерархии классов можно считать показатель сложности древовидных структур θ(vl ) . Этот показатель является информационной характеристикой для каждой отдельно взятой вершины, а для дуги (d k :=: γ k ) := (vi , v j )
характеристика сложности перехода от vi к v j вычисляется по формуле
:= de(d k = (vi , v j ))) = 1 + (θ(vi ) − θ(v j )) ,
(2)
где степень -2 = -1 (из определения сложности как величины, обратной энтропии [5]) × 2
(аксиоматическая нормализация сложности, выражающая непротиворечивое утверждение,
что сложность перехода не может быть отрицательной величиной). Вес дуги используется
в мультипликативной оценке сложности (переход из вершины vi в вершину v j сложнее в
(γ
−2
k
γ κ / γ 'κ раз по сравнению с переходом из вершины vi′ в вершину v′j ), поэтому в оценке веса дуги по формуле (2) присутствует 1+… .
Общая интегральная топологическая характеристика замкнутой системы со структурой в виде орграфа G – суть оценка сложности [5]
β1*


*
θ(G ) = γ 1 1 + ∑ θ( Pi ) ,
(3)
 i =1

где G – взвешенный орграф системы; θ – оценка сложности; γ 1* – вес дуги, разрываемой
первой в иерархии. После разрыва орграф декомпозируется на β1* сильно связанных подсистем Pi . Значок «*» свидетельствует в пользу того, что дуга для разрыва выбирается оптимальным образом, итоговая сложность минимальна.
В оценке (3) присутствует понятие подсистемы. Система P является подсистемой
системы S (это обозначается P ⊂ S ) в том и только в том случае, если среди дескрипторов системы S найдется хотя бы один, посредством которого P не конкретизируется, и
137
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 1(33)
за этим следует, что в подсистеме S нет ни одного дескриптора, которым бы не конкретизировалась система S (рис. 3):
(P ⊂ S ) ⇔ ((∃(a := de(S )) P / a ) ⇒ (∃/(b := de(P )) S / b ))
∃(a := de(S ))
S
P / a
P
Все дескрипторы P
одновременно
являются
конкретизаторами S
Рис. 3. Определение подсистемы
Таким образом, подготовлена математическая основа для дальнейших этапов
формализации задач, решаемых в целевом пространстве Q системы S , находящейся под
воздействием сообщений, управляющих ходом ТП. Записанные в новых обозначениях
постулаты служат основой для разработки имитационных моделей многих
промышленных производств, в том числе и производства продуктов питания. Решение
задач оптимизации и оптимального проектирования является следующим этапом
исследований.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Панфилов, В. А. Технологические линии пищевых производств (теория технологического потока): учеб.
для вузов / В. А. Панфилов. - М.: Колос, 1993. - 288 с.
2. Николаев, В.И. Системотехника: методы и приложения / В.И. Николаев, В.М. Брук. – Л.: Машиностроение, 1985. – 199 с.
3. Солодовников, В.В. Теория сложности и проектирование систем управления / В.В. Солодовников, В.И.
Тумаркин. – М.: Наука, 1990. – 168 с.
4. Буч, Г. Объектно-ориентированный анализ и проектирование с примерами приложений / Г. Буч. - 3-е изд.
- М.: Вильямс, 2008. - 720 с.
5. Лейбкинд, А.Р. Математические методы и модели формирования организационных структур управления
/ А.Р. Лейбкинд , Б.Л. Рудник, А.А. Тихомиров. – М. : МГУ, 1982. – 232 с.
6. Подольский, В.Е. Повышение эффективности региональных образовательных компьютерных сетей с использованием элементов структурного анализа и теории сложности / В.Е. Подольский, С.С. Толстых. М.: Машиностроение, 2006. – 175 с.
7. Голдблатт, Р. Топосы. Категорный анализ логики / Р. Голдблатт. – М.: Мир, 1983. – 488 с.
8. Пискунов, А.Г. Формализация ООП: типы, множества и классы / А.Г. Пискунов, С.М. Петренко. - 2010. http://realcoding.net/content/typeSetsClasses.pdf.
9. Фаулер, М. UML. Основы / М. Фаулер, К. Скотт. – СПб.: Символ-Плюс, 2002. - 192 с.
10. Пригожин, И. Познание сложного / И. Пригожин, Г. Николис. – М.: ЛКИ, 2008. – 354 с.
11. Hindley, J. Roger. Basic Simple Type Theory, volume 42 of Cambridge Tracts in Theoretical Computer Science
/ J. Roger Hindley. - Cambridge: Cambridge University Press, 1997.
Материал поступил в редколлегию 23.11.11.
138
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 1(33)
УДК 658.562
В.В. Мирошников, В.Н. Строителев, Н.М. Борбаць
ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДА ГЛАВНЫХ КОМПОНЕНТ
ДЛЯ ОБРАБОТКИ МНОГОМЕРНЫХ СТАТИСТИЧЕСКИХ ДАННЫХ 1
Рассмотрены вопросы обработки многомерных статистических данных рейтинговой оценки студентов на
основе применения метода главных компонент.
Ключевые слова: многомерный анализ данных, снижение размерности, метод главных компонент, рейтинг.
На практике часто приходится сталкиваться с ситуацией, когда объект исследования
характеризуется множеством разнообразных параметров, каждый из которых измеряется
или оценивается. Анализ полученного в результате исследования нескольких однотипных
объектов массива исходных данных представляет собой практически нерешаемую задачу.
Поэтому исследователю необходимо проанализировать связи и взаимозависимости между
исходными параметрами, с тем чтобы отбросить часть из них или заменить их меньшим
числом каких-либо функций от них, сохранив при этом по возможности всю заключенную в
них информацию.
В связи с этим встают задачиснижения размерности, т.е. перехода от исходного массива данных к существенно меньшему количеству показателей, отобранных из числа исходных или полученных путем некоторого их преобразования (с наименьшей потерей информации, содержащейся в исходном массиве), и классификации – разделения рассматриваемой совокупности объектов на однородные (в некотором смысле) группы.Если по большому числу разнотипных и стохастически взаимосвязанных показателей были получены
результаты статистического обследования целой совокупности объектов, то для решения
задач классификации и снижения размерности следует использовать инструментарий многомерного статистического анализа, в частности метод главных компонент [1].
В статье предлагается методика применения метода главных компонент для обработки многомерных статистических данных. В качестве примера приводится решение задачи статистической обработки многомерных результатов рейтинговой оценки студентов.
1. Определение и вычисление главных компонент. Предположим, что на каждом
объекте исследования из выборочной совокупности объемом регистрируются значения
признаков.В результате получаем многомерные наблюдения, каждое из которых можно
представить в виде векторного наблюдения [2]
(1)
где
– значение -го признака у -го объекта исследования; – символ операции транспонирования.
Полученные многомерные наблюдения необходимо подвергнуть статистической обработке. При этом возникает желание представить каждое из наблюдений (1) в виде вектора
с числом компонент , намного меньшим, чем [1; 3].
Задача выделения главных компонент состоит в том, чтобы среди всех возможных
линейных комбинаций исследуемых признаков выделить гораздо меньшее число таких, изменчивость которых в значительной степени описывает изменчивость всего первоначального набора признаков в целом [4; 5]. Полагая анализируемый признак Х pмерной случайной величиной с вектором математических ожиданий
и
ковариационной матрицей
,определим в качестве класса
1
Работа выполнена в рамках реализации федеральной целевой программы «Научные и научнопедагогические кадры инновационной России» на 2009 – 2013 гг. (государственный контракт № П770).
139
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 1(33)
допустимых преобразований исследуемых признаков
нейные ортогональные нормированные комбинации [1; 3]:
их всевозможные ли-
где
– условие нормировки;
(2)
– условие ортогональности
Полученные подобным преобразованием величин
и представляют собой главные компоненты. Из нихпри дальнейшем анализеисключают переменные с минимальной дисперсией, т.е. оставляют первых главных компонент. Обоснованием этого является тот факт, что во многих задачах обработки многомерных наблюдений исследователя, как правило, интересуют в первую очередь лишь те признаки, которые обнаруживают наибольшую изменчивость при переходе от одного объекта исследования к
другому объекту.
Метод главных компонент состоит в определении коэффициентов
в
преобразовании (2). Можно показать, что эти коэффициенты представляют собой компоненты собственных векторов матрицы , а собственные числа этой матрицы равны
дисперсиям главных компонент [1; 3; 6].
Таким образом, первой главной компонентой
исследуемой системы показателей
называется такая нормированно-центрированная линейная комбинация этих
показателей, которая среди всех прочих подобных комбинаций обладает наибольшей дисперсией. Первая главная компонента получается как линейная комбинация
, где
– собственный вектор матрицы , соответствующий наибольшему собственному числу
этой матрицы; – центрированный вектор исходных показателей.
Также можно показать, что k-й главной компонентойисследуемой системы показатеназывается такая нормированно-центрированная линейная комбинация
лей
этих показателей, которая не коррелирована с
предыдущими главными компонентами
и среди всех прочих подобных комбинаций обладает наибольшей дисперсией [2; 6].
Использование метода главных компонент оказывается наиболее полезным и плодотворным в том случае, когда все компоненты
исследуемого вектора признаков имеют общую физическую природу и измерены в одних и тех же единицах. Если
же признаки
измеряются в различных единицах, то результаты исследования
с помощью главных компонент будут существенно зависеть от выбора масштаба и природы единиц измерения, а полученные линейные комбинации исходных переменных будет трудно интерпретировать. В связи с этим при различных единицах измерения исходных признаков
осуществляют не только их центрирование, но и нормировку,
т.е. переходят к стандартизированным величинам:
140
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 1(33)
где
– диагональныйэлемент матрицы , соответствующий дисперсии i-го исходного
признака, т.е.
. После подобного преобразования проводят анализ главных компои их ковариационной матрицы , которая является однонент относительно величин
временно корреляционной матрицей исходных признаков [6].
Однако собственные числа и векторы не инвариантны относительно изменения масштаба, поэтому в общем случае главные компоненты, получаемые по корреляционной матрице, отличны от главных компонент, найденных по ковариационной матрице, и, следовательно, доля дисперсии исходных признаков, объясняемая q первыми главными компонентами, в обоих случаях будет различной. В связи с этим перед проведением компонентного анализа должен быть сделан выбор, получать ли главные компоненты на основе ковариационной
матрицы или на основе корреляционной, т.е. должен быть решён вопрос о нормировке исходных признаков. При этом окончательное решение о желательности нормировки следует принимать, исходя из нестатистических соображений, так как со статистической точки зрения
нормировка выборочных данных привносит ряд неудобств, в частности усложняет процедуру
проверки статистических гипотез относительно собственных чисел [7; 9].
После определения главных компонент их необходимо определенным образом интерпретировать, для чего используется матрица факторных нагрузок
Можно показать, что элемент матрицы нагрузок
определяет удельный вес влияния v-й
нормированной главной компоненты на i-й исходный признак [3; 8]. Кроме того, элемент
в случае нормированных главных компонент и исходных признаков определяет величину
парного коэффициента корреляции между и . Сумма квадратов элементов любого i-го
столбца матрицы равна дисперсии v-й главной компоненты , а сумма квадратов элементов любой i-й строки матрицы нагрузок равна единице.
Приведенные свойства матрицы нагрузок используются при содержательной интерпретации главных компонент. Например, они позволяют придавать главной компоненте
содержательный смысл, соответствующий i-му исходному признаку, для которого коэффициент
достигает максимального значения (как правило, для
) [3].
2. Вычисление главных компонент для результатов рейтинговой оценки. Оценка
качества образования предполагает регулярное осуществление сбора, обработки, хранения
и предоставления соответствующей информации в виде, удобном для анализа состояния и
динамики образовательного процесса и его результатов. При этом количество показателей,
оцениваемых у каждого объекта исследования (отдельного студента, группы, кафедры, факультета или образовательного учреждения), может быть достаточно велико, что и объясняет необходимость использования различных методов понижения размерности [10].
В качестве примера выбрано решение задачи статистической обработки многомерных результатов рейтинговой оценки студентов Брянского государственного технического университета (БГТУ). Рейтинговая оценка студентов и студенческих групп в БГТУ
проводится в соответствии с положением, утверждаемым на совете университета один раз
в год (после окончания учебного года) на основе исходных данных, заполняемых старостами студенческих групп, заведующими выпускающими кафедрами и деканами [11].
Для расчета рейтинговых оценок студентов старостами студенческих групп заполняются специальные формы, содержащие показатели, сгруппированные по четырем разделам:
– оценка знаний и исполнительская дисциплина;
– участие в научно-исследовательской и спортивно-массовой работе;
– организационная и общественная активность;
– дисциплинарные нарушения.
141
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 1(33)
По собранным исходным данным группой качества в соответствии с установленной
методикой рассчитываются рейтинговые оценки с учетом коэффициентов значимости по
отдельным показателям и разделам. Величины этих коэффициентов определяются экспертным путем и утверждаются ученым советом вуза. Коэффициенты значимости отдельных показателей и разделов устанавливаются экспертами таким образом, чтобы максимальная рейтинговая оценка составляла 100 баллов.
В качестве примера используем данные для студентов трех групп: 07 ММО, 07 СТС
и 07 УК (общая численность – 33 студента). Расчет будем проводить по значениям 15 незначительно доработанных показателей. Таким образом, для каждого объекта исследования (отдельного студента) имеется векторное наблюдение
Для проведения расчетов векторные наблюдения агрегируем в выборочную матрицу,
в которой строки соответствуют контролируемым признакам, а столбцы – объектам исследования (размерность матрицы –
):
После центрирования исходных данных находим выборочную корреляционную матрицу по формуле [2]
Получаем:
Диагональные элементы матрицы представляют собой выборочные оценки дисперсий признаков, а недиагональные – ковариации между соответствующей парой признаков. Используя выборочную ковариационную матрицу, можем найти оценки стандартных отклонений каждого из признаков.
Так как масштабы шкал, используемых для оценки различных признаков,сильно отличаются, то главные компоненты целесообразно выделять не для ковариационной, а для
выборочной корреляционной матрицы
Недиагональные элементы этой матрицы представляют собой выборочные оценки
коэффициентов корреляции между соответствующей парой признаков.
Составляем характеристическое уравнение для матрицы :
Находим все его корни:
142
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 1(33)
Теперь для нахождения компонент главных векторов подставляем последовательно
численные значения , , …
в системувида
Например, при
получаем систему линейных уравнений вида
Очевидно, что полученная система уравнений совместна ввиду однородности и неопределенна, т.е. имеет бесконечное множество решений. Для нахождения единственного
интересующего нас решения воспользуемся следующими положениями:
1. Для корней системы может быть записано соотношение
где
– алгебраическое дополнение j-го элемента любой i-й строки матрицы системы.
2. Наличие условия нормировки (2) обеспечивает единственность решения рассматриваемой системы уравнений. При этом компоненты вектора соответствующего собственному числу , определяются однозначно, за исключением того, что все они могут одновременно изменить знак. Однако знаки компонентов собственных векторов не играют
существенной роли, так как их смена не влияет на результат анализа. Они могут служить
только для индикации противоположных тенденций на соответствующей главной компоненте [3; 9].
Таким образом,получаем собственный вектор
соответствующий собственному
числу :
Правильность нахождения компонентов
проверяем по равенству
Аналогичным образом находим компоненты оставшихся собственных векторов:
………………………
Таким образом, все главные компоненты будут иметь вид линейных комбинаций:
………………………
где
, , …
– стандартизированные значения соответствующих исходных признаков.
Составляем ортогональную матрицу линейного преобразования , в качестве строк
которой используем найденные собственные векторы корреляционной матрицы. Проверяем правильность её составления по формуле
Так как в соответствии со свойствами главных компонент сумма дисперсий исходных признаков равна сумме дисперсий всех главных компонент, то с учетом того, что мы
рассматривали нормированные исходные признаки, можно оценить, какую часть общей
изменчивости исходных признаков объясняет каждая из главных компонент. Например,
для первых двух главных компонент имеем:
143
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 1(33)
Таким образом, в соответствии с критерием информативности, используемым для
главных компонент, найденных по корреляционной матрице, семьпервых главных компонент объясняют 88,97% общей изменчивости пятнадцати исходных признаков.
Используя матрицу линейного преобразования , найдем матрицу факторных нагрузок (для семи первых главных компонент):
Из анализа коэффициентов матрицы нагрузок видно:
1. Первая главная компонента имеет сильную отрицательную корреляцию с такими
исходными признаками, как:
– число дипломов, полученных в конкурсе научных и дипломных работ;
– число публикаций;
– число докладов на вневузовских конференциях;
– число докладов на вузовских конференциях;
– число заявок, подготовленных на смотры-конкурсы;
– участие в региональных, областных и городских спортивных соревнованиях.
2. Вторая главная компонента имеет сильную положительную корреляцию со следующими исходными признаками:
– участие в международных и всероссийских спортивных соревнованиях;
– награды и призовые места, занятые на международных и всероссийских спортивных соревнованиях;
– награды и призовые места, занятые на региональных, областных и городских спортивных соревнованиях.
3. Третья главная компонента имеет сильную отрицательную корреляцию с исходными показателями (сумма оценок по экзаменам летней сессии) и (число грамот по
результатам участия в конкурсах научных и дипломных работ).
4. Четвертая главная компонента тесно связана с показателем
(число зачетов,
сданных вовремя, т.е. до начала летней сессии).
5. Пятая главная компонента отрицательно коррелирована с показателем
(награды и призовые места, занятые на вузовских соревнованиях).
6. Шестая главная компонента положительно коррелирована с показателем (число
зачетов, сданных вовремя,т.е. до начала зимней сессии).
7. Седьмая главная компонента слабо коррелирована со всеми исходными признаками.
Таким образом, можно сделать следующие выводы:
1. Седьмую главную компоненту, слабо коррелированную со всеми исходными признаками, также можно исключить из дальнейшего рассмотрения, при этом оставшиеся
шесть главных компонент будут объяснять 84,39% общей изменчивости данных.
2. Первая главная компонента может рассматриваться как степень внеучебной пассивности студентов.
3. Вторая главная компонента может рассматриваться как степень участия студентов в спортивных мероприятиях.
144
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 1(33)
4. Третья главная компонента – активность студентов в учебном процессе.
5. Четвертая и шестая компоненты – прилежность студентов в течение весеннего и
осеннего семестров соответственно.
6. Пятая главная компонента – степень участия в спортивных соревнованиях университета.
В дальнейшем для проведения всех необходимых расчетов при выделении главных
компонент предлагается использовать специализированные статистические программные
комплексы, например STATISTICA, что существенно облегчит процесс анализа.
Описанный в данной статье процесс выделения главных компонент на примере рейтинговой оценки студентов предлагается использовать для аттестации бакалавров и магистров.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Прикладная статистика: Классификация и снижение размерности: справ. изд. / С.А. Айвазян,
В.М. Бухштабер, И.С. Енюков, Л.Д. Мешалкин; под ред. С.А. Айвазяна. – М.: Финансы и статистика,
1989. – 607 с.
2. Справочник по прикладной статистике:в 2 т.: [пер. с англ.] / под ред. Э. Ллойда, У. Ледермана,
С.А. Айвазяна, Ю.Н. Тюрина. – М.:Финансы и статистика, 1990. – Т. 2. – 526 c.
3. Прикладная статистика. Основы эконометрики. В 2 т. Т.1. Теория вероятностей и прикладная статистика: учеб. для вузов / С.А.Айвазян , B.C. Мхитарян. – 2-е изд., испр.– М: ЮНИТИ-ДАНА, 2001. – 656 с.
4. Афифи, А. Статистический анализ: подход с использованием ЭВМ: [пер. с англ.] / А. Афифи, С. Эйзен.–
М.: Мир, 1982. – 488 с.
5. Дронов, С.В. Многомерный статистический анализ: учеб. пособие / С.В. Дронов. – Барнаул: Изд-во Алт.
гос. ун-та, 2003. – 213 с.
6. Андерсон, Т. Введение в многомерный статистический анализ / Т. Андерсон; пер. с англ. Ю.Ф. Кичатова
[и др.]; под ред. Б.В. Гнеденко. – М.: Гос. изд-во физ.-мат.лит., 1963. – 500 с.
7. Лоули, Д. Факторный анализ как статистический метод / Д. Лоули, А. Максвелл; пер. с англ.
Ю.Н. Благовещенского. – М.: Мир, 1967. – 144 с.
8. Дубров, А.М.Многомерные статистические методы: учебник / А.М. Дубров, В.С. Мхитарян,
Л.И. Трошин. – М.: Финансы и статистика, 2003. – 352 с.
9. Кендалл, М. Многомерный статистический анализ и временные ряды / М. Кендалл, А. Стьюарт;пер. с
англ. Э.Л. Пресмана, В.И. Ротаря; под ред. А.Н. Колмогорова, Ю.В. Прохорова. – М.: Наука,1976. – 736 с.
10. Белоглазов, И.Н. Многомерный анализ в задачах квалиметрии образования / И.Н. Белоглазов // Изв. РАН.
Теория и системы управления. – 2006. – №6. – С. 39 – 52.
11. Лагерев, А.В. Система рейтинговых оценок факультетов, кафедр, преподавателей, студентов и студенческих групп / А.В. Лагерев, О.А. Горленко. – Брянск, 2005. – 74 с.
Материал поступил в редколлегию 8.11.11.
145
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 1(33)
ЭКОНОМИКА И МЕНЕДЖМЕНТ
УДК 004.032.26 + 338.27
В.А. Камаев, А.С. Аль-Катабери, М.В. Щербаков
РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ
СОЦИАЛЬНО-ЭКОНОМИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ
МУНИЦИПАЛЬНЫХ ОБРАЗОВАНИЙ 1
Представлены результаты исследования, посвященного прогнозированию социально-экономических параметров муниципальных образований. Предложен комплексный подход к решению задачи прогнозирования,
основанный на процессе извлечения знаний из данных в виде производственного цикла (CRISP-DM). Приведены результаты испытания и показана состоятельность методики при решении задачи прогнозирования
демографической ситуации на базе данных паспортов муниципальных образований (2007-2009 гг.).
Ключевые слова: социально-экономические параметры, демография, прогнозирование, эволюционные системы, коннективистские модели, муниципальные образования.
Проблема точного прогнозирования социально-экономических показателей сети
муниципальных образований является актуальной для развития регионов страны. Точный
прогноз развития социально-экономической сферы в регионе позволяет принимать
оптимальные стратегические управленческие решения. При этом решения должны носить
комплексный характер, так как развитие региона зависит от мероприятий по различным
направлениям работы. Социально-экономическое прогнозирование включает в себя три
ключевые задачи, связанные с системным анализом и обработкой информации. Первая –
сбор информации о социально-экономических показателях сети муниципальных
образований и анализ ее качества и достоверности. В настоящее время выбрана концепция
базы данных паспортов муниципальных образований, в которых отражены все ключевые
показатели, разбитые на группы. Процесс заполнения паспортов является задачей
муниципалитетов и реализуется один раз в год. Следует выделить проблему неполноты
данных, которая связана с тем, что значения некоторых показателей не отражаются в
паспорте. Таким образом, возникает проблема идентификации и заполнения пропусков в
данных, модель прогнозирования формируется в условиях неопределенности. Вторая
задача – синтез прогнозной модели и ее настройка. Данная задача лежит в области
информационной идентификации [1] и интеллектуальной обработки информации и
прогнозирования [2]. Спецификой рассматриваемой предметной области является то, что
объект прогнозирования представляет собой сеть муниципальных образований,
изменяющихся во времени, т.е. систему эволюционных объектов [3]. Следовательно,
требуется существенная модификация существующих подходов с учетом такой
специфики. И последняя задача – задача интерпретируемости результатов, генерирующая
знания о закономерностях развития на основе анализа построенных моделей оценки
качества данных и прогнозирования.
В качестве объектов исследования и прогнозирования в статье рассмотрены
муниципальные образования. Муниципальное образование (МО) - сложная
слабоструктурированная система с большим количеством причинно-следственных связей
между факторами [4]. Эти связи не всегда очевидны при принятии решений, что диктует
необходимость исследования таких систем в условиях неопределенности,
неоднозначности. Кроме того, МО можно рассматривать как динамическую систему.
Необходимо изучать динамику развития системы, анализировать процессы роста с учетом
1
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (проект № 10-07-97008-р_поволжье_а).
146
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 1(33)
общего жизненного цикла города и его частей (население, предприятия, жилой фонд и
др.). Помимо этого, систему муниципальных образований можно рассматривать как
систему эволюционных объектов, поведение которых изменяется в процессе жизненного
цикла.
Описание методики. Методика, предлагаемая в статье, базируется на технологии
извлечения знаний из данных в виде производственного цикла CRISP DM [5]. Ниже
приведены основные шаги методики:
1. Формализация предметной области и формирование цели.
1.1. Если рассмотреть текущее описание МО, то систему муниципальных
образований можно представить в виде гиперграфа верхнего уровня, вершинами которого
являются МО:
(1)
.
Таким образом, гиперграф
представляет собой верхний уровень описания сети
муниципальных образований
как эволюционных систем. Под эволюционной системой
понимается система, изменяющая режимы функционирования в течение времени.
Множество ребер
отражает принадлежность МО к районным центрам. Далее, вершины
0
можно представить в виде гиперграфа 1-го уровня Г1 i , где каждая вершина
Vi
представляет собой характеристику социально-экономического состояния МО
определенного типа. Таким образом, система представляет собой кортеж вида
,
где i – индекс объекта в сети МО; j – индекс вершины в ; k – индекс ребра в .
1.2. Выбор переменных прогнозирования. Из множества вершин 1-го уровня,
представляющих собой переменные, необходимо выбрать подмножество
,
включающее переменные прогнозирования.
1.3. Формирование цели прогнозирования. Целью методики является разработка
такого механизма прогнозирования, при котором средние ошибки прогнозирования
стремились бы к минимуму. Пусть определена цель A 0 и критерий достижимости этой
цели J – средние ошибки прогнозирования различных переменных; J=f(E i ,w i ), где E i средняя ошибка прогнозирования i-й переменной.
2. Выбор и создание источников данных.
2.1. Так как множество переменных, характеризующих объект, определяется на
этапе формализации, то на данном шаге выбираются источники данных. Фактически
систему источников данных можно описать в виде кортежа
,S,W
где
– множество источников данных; =
– множество параметров, описывающих
объект (при этом можно выделить прогнозные переменные
,
). В простейшем
частном случае
=1.
2.2. Формирование хранилища данных. Исходной информацией для формирования
хранилища данных выступают: 1) гиперграф сети муниципальных образований Г0; 2)
система DB; 3) множество
. Считаем, что существует процедура
формирования
системы OLAP - кубов
, такая, что
. В работе [4] показан
способ формирования хранилища данных в формате OLAP для построения моделей
прогнозирования. Отметим, что систему OLAP - кубов можно формировать как в ручном
режиме, так и с использованием процедур автоматизации.
3. Оценка качества данных, предварительная обработка и очистка. На данном этапе
необходимо оценить качество данных и принять решение о возможности дальнейшего
проведения анализа и прогнозирования. Если принимается решение о продолжении, то
целесообразно применить процедуру предварительной обработки и очистки информации.
147
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 1(33)
3.1. Оценка качества данных. Для оценки качества данных выделим следующие
критерии: 1) n g , ωg – число и частота пропусков в данных; 2) T – интервал наблюдения
(число дискретных временных отсчетов, в которых наблюдаются параметры); 3) n A –
число аномальных значений. Процедуру оценки качества данных
можно представить
как совокупность
(4)
,
где PGA – процедура оценки n g ; PFA – процедура определения T; PAA – процедура оценки
nA;
– процедура комплексной оценки качества данных и формирования заключения
об остановке продолжения или процесса.
Рис. 1. Результаты анализа пропусков в данных в паспортах муниципальных образований,
полученных для 22 различных групп параметров.
включает две
3.2. Процедура предварительной обработки и очистки данных
процедуры:
(5)
,
где PGE – процедура заполнения пропусков в данных; PAE – процедура замены
аномальных значений.
4. Синтез и настройка моделей прогнозирования. Считаем, что для каждой
существует функция прогнозирования
переменной из
(6)
,
– параметры, охватываемые ребрами
;
,
– вектор параметров,
где
настройка которых позволяет добиться требуемого критерия качества.
Положим, что все рассматриваемые в выражении (1) объекты являются однотипными. Как показывает практика, построение одной модели для всех типов режимов функционирования не всегда приводит к оптимальным решениям из-за выделенных критериев
качества [6]. Однако для этих объектов можно выделить конечное число классов объектов
(функциональных состояний, режимов работы). В связи с этим предлагается подход, основанный на классификации исходных объектов и синтезе ансамбля моделей для каждого
класса. Формально классификацию можно представить в виде формирования ребер в гиперграфе Г0.
4.1. Построение оператора классификации исходных объектов в Г0 в виде
,
(7)
где
– элемент множества классов объектов. В качестве входных переменных используются переменные, определенные на 1-м уровне. Пример классификации представлен на
рис. 2.
4.2. Построение ансамбля прогнозных моделей для каждого кластера. Число моделей в этом случае составит
, где
– число кластеров.
4.3. Разделение выборки данных на основе системы гиперкубов
в каждом из
выборок.
HCS на
148
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 1(33)
4.4. Структурная и параметрическая оптимизация
моделей на основе критерия
качества J.
5. Оценка качества прогноза и извлечение знаний.
5.1. Оценка качества прогнозирования. Для оценки качества прогнозирования
целесообразно разделить имеющиеся выборки данных на обучающие, тестовые и
валидационные. В этом случае получаются 3 различных оценки качества для каждой
модели, на основании которых можно рассчитать одну интегральную.
5.2. Для извлечения знаний предлагается использовать два подхода:
«что-если», при котором фиксируются все переменные, кроме одной
(анализируемой), и изучается зависимость прогнозной переменой от анализируемой (рис.
3);
- деревья решений: в результате формируется граф, вершинами которого являются
определенные условия (правила) вида «если-то».
5
4.5
4
3.5
3
2.5
2
S2
1.5
1
30.17%
0.5
S1
0
-0.5
64.66%
S3
5.17%
-1
S1
S2
S3
население
трудоспособного возраст
Родившиеся (чел.)
Умершие (чел.)
ПРИБЫЛО (чел.)
УБЫЛО (чел.)
Среднемесячные денежны
Магазины
Обеспеч. Водопроводом.
Количество домовладен
Число зарегистрированны
%раскрываемости
чило больниц
Число случаев заболеван
Число случаев заболеван
Число дворцов,домов ку
Число музыкальных и ху
число школ, всего
Число спортивных секций
Количество малых предп
Количество индивидуаль
Количество крестьянско-
Плотность автомобильны
Удаленность поселения
Доходы
Расходы местного бюдж
Расходы местного бюдже
Наличие автомобильной
Расходы местного бюдже
Количество финансово-к
Расходы местного бюдж
старше трудоспособного
Расходы всего
Рисунок 2. Классификация объектов и соотношения параметров в 3 классах (получено в системе
Viscovery [7])
Модели. В качестве моделей классификации могут быть использованы: 1) сети
Кохонена или модели на базе алгоритма k-means, если определено число функциональных
состояний; 2) g-means, если определено максимально допустимое число функциональных
состояний. Для формирования прогнозных значений переменных использовались эволюционные коннективистские системы [9; 10].
Испытания. Для испытания предложенной методики была выбрана задача анализа и
прогнозирования демографической ситуации в муниципальных образованиях
Волгоградской области. Целью анализа является выявление наиболее благоприятных с
позиции естественной прибыли (рождаемости) поселений и благоприятных и
неблагоприятных факторов.
Для анализа ситуации использовались следующие показатели за 2007-2009 гг.:
- демографические: численность населения, численность населения трудоспособного
возраста, число пенсионеров, родивших, умерших, прибывших, убывших;
- экономические: среднемесячные денежные доходы на душу населения, число
магазинов, количество домовладений, число предприятий и ИП, расходы бюджета и др.;
149
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 1(33)
- социальные: число зарегистрированных преступлений, процент раскрываемости,
число больниц, число случаев заболевания алкоголизмом и пр.;
- географические: плотность автомобильных дорог общего пользования с твердым
покрытием, удаленность поселения от ближайшей ж.-д. станции.
Рис. 3. Пример модели «что - если» – кривая зависимости изменения рождаемости от затрат бюджета на
здравоохранение для обучающей выборки данных (для кластера малых сельских поселений) (результаты
получены с помощью пакета Deductor [8]).
На этапе классификации были сформированы 3 кластера для которых строились модели прогнозирования:
1. Кластер S1, самый многочисленный, объединяющий в себе небольшие городские
и сельские поселения.
2. Кластер S2, объединяющий в себе малые городские поселения с невысоким доходом и крупные сельские поселения. Практически все поселения имеют схожую демографическую картину.
3. Кластер S3, объединяющий в себе крупные городские поселения. Для кластера характерны высокая численность населения, в том числе и трудоспособного, высокие среднемесячные доходы, высокий процент родившихся и умерших людей, высокий процент
прибывших и уехавших из поселения. Отмечается большое количество преступлений. В
данных поселениях располагаются больницы, школы, объекты культуры, высока бизнесактивность (малые предприятия и индивидуальные предприниматели) , что подтверждается высокими поступлениями в городской бюджет. Как правило, данные поселения находятся недалеко от железнодорожных станций (или ж/д станции располагаются внутри поселений).
Средняя абсолютная процентная ошибка прогнозирования составила 12, 11, 12% для
каждого кластера соответственно. В результате анализа модели «что-если» были
выявлены следующие закономерности:
- расходы бюджета на социальную политику не влияют в краткосрочной
перспективе (2 года) на рождаемость;
- для увеличения рождаемости необходимы значительные затраты бюджета в сфере
ЖКХ, здравоохранения и образования;
- согласно паспортам МО, затраты на образование в большей степени влияют на
рождаемость.
Кроме того, для увеличения точности моделей необходимо создание и
использование системы мониторинга показателей социально - экономического развития
муниципальных образований.
Итак,
предложена
методика
прогнозирования
социально-экономических
показателей сети муниципальных образований на основе эволюционных моделей,
включающая в себя: 1) оригинальный подход к формализации сети муниципальных
образований в виде гиперграфа, на основе которого формируются решения о структуре
прогнозной модели; 2) адаптацию операций обработки данных на всех этапах
интеллектуального анализа данных в виде производственного цикла (CRISP-DM),
150
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 1(33)
применяемых
к
эволюционным
системам;
3)
применение
эволюционных
коннективистских систем для построения и настройки моделей прогнозирования.
Практическая значимость исследования состоит в применении разработанной
методики для решения задачи прогнозирования социально-экономических показателей ( в
частности, демографического состояния). Кроме того, была разработана концепция
аналитической системы для поддержки принятия решений по управлению социальноэкономическим развитием [11]. Применение предложенной методики позволит
прогнозировать социально-экономическое состояние муниципальных образований и
принимать решения на основе полученных прогнозов.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Цыпкин, Я. З. Информационная теория идентификации / Я.З. Ципкин.-М, -1995. 336 с.
2. Armstrong, J.S. Principles of Forecasting - A Handbook for Researchers and Practitioners (International Series
in Operations Research & Management Science)/ J.S. Armstrong, 2001.
3. Камаев, В. А. Анализ социально-экономического развития муниципальных образований на примере Волгоградской области с использованием моделей data mining / В.А. Камаев, М.В. Щербаков, А.С. АльКатабери // Изв. ВолгГТУ. Серия «Актуальные проблемы управления, вычислительной техники и информатики в технических системах»: межвуз. сб. науч. ст. / ВолгГТУ. - Волгоград, 2010. -Т. 6. -№ 8. -С.
103-106.
4. Щербаков, М. В. Формализация информации о социально-экономическом развитии муниципальных образований для решения задач управления / М. В. Щербаков, А. С. Аль-Катабери // XII Международная
конференция «Проблемы управления и моделирования в сложных системах», 22 - 24 июня 2009г: тез.
докл. / РАН. – Самара, 2009. – С. 532-535.
5. Larose, D.T. Discovering knowledge in data: an introduction to data mining / Daniel T. Larose.- John Wiley &
Sons, Inc. 2005.
6. Камаев, В. А. Применение коннективистских систем для прогнозирования потребления электроэнергии в
торговых центрах / М. В. Щербаков, Д. П. Панченко, Н. Л. Щербакова, А. Бребельс //Управление большими системами. - М.: ИПУ РАН, 2010. Вып. 31. -С.92-109.
7. The Ward cluster algorithm of Viscovery SOMine. - http://www.viscovery.net/download/public/The SOM-Ward
cluster algorithm.pdf
8. Аналитическая платформа Deductor. - http://www.basegroup.ru/
9. Kasabov, N. Evolving connectionists systems. The Knowledge Engineering Approach / N. Kasabov // Originally
published in the Series: Perspectives in Neural Computing 2nd ed., XXII, 451 p.
10. Камаев, В. А. Интеллектуальные системы автоматизации управления энергосбережением / В. А. Камаев,
М. В. Щербаков, А. Бребельс // Открытое образование. – 2011. – № 2. – С. 227–231.
11. Щербаков, М.В. Концепция информационной системы муниципальных образований и инвестиционных
площадок / М.В. Щербаков, В.А. Камаев, А.С. Аль-Катабери // Электронная культура. Преодоление информационного неравенства: материалы Междунар. конф., 2-5 июня 2008 г. / Астраханский гос. ун-т [и
др.]. - Астрахань, 2008. - C. 127-130.
Материал поступил в редколлегию 23.11.11.
151
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 1(33)
ОБЩЕСТВЕННЫЕ НАУКИ
УДК 930
Я.Ю. Трифанков, Ю.Т. Трифанков
ПРОБЛЕМА ИЗУЧЕНИЯ ИСТОРИИ КАЗАЧЕСТВА БРЯНЩИНЫ
И СОПРЕДЕЛЬНЫХ ТЕРРИТОРИЙ
Определена проблема исследования истории регионального казачества Брянской области и сопредельных
территорий, возникшего между Россией и Речью Посполитой, Запорожьем и Доном и сохранившего социокультурные особенности, которые стали актуальными в настоящее время.
Ключевые слова: казачество, Брянский регион РФ, Московское княжество, Речь Посполитая, Дон, Запорожье.
Брянская область Российской Федерации расположена между современными Украиной и Белоруссией. Распад государственности СССР, образование новой государственности РФ, Украины, Белоруссии, смена парадигмы общественного развития своеобразно отразились на социокультурном состоянии части населения юго-запада региона, которая
стала, опираясь на традиции, самоопределяться как казачество.
В регионе появились различные общественные казачьи организации. В 1996 году зарегистрирован Брянский отдел Всевеликого войска Донского, который в 1999 году был
переименован в Брянский округ Всевеликого войска Донского, а в 2000 году вошел в состав международного общественного объединения «Союз казачьих войск России и зарубежья». В 2006 году по инициативе межрегиональной организации войсковое казачье общество «Резервное казачье войско» в составе войскового казачьего общества «Всевеликое
войско Донское» на территории Брянского региона создана региональная общественная
организация «Брянский (Северский) казачий округ» [1].
Постановлением администрации Брянской области № 485 от 22 мая 2009 г. создана
рабочая группа Совета при Президенте Российской Федерации по делам казачества
в Брянской области, утверждено Положение о рабочей группе и ее состав. Группу возглавляет заместитель губернатора. Основные направления деятельности рабочей группы
определяются действующим федеральным законодательством, Законом Российской Федерации «О государственной службе российского казачества» и «Концепцией государственной политики в отношении российского казачества», утвержденной 2 июля 2008 г.
Президентом РФ [1].
В настоящее время на территории региона действуют следующие крупные казачьи
организации: Брянский отдел Центрального казачьего войска в составе войскового казачьего общества «Центральное казачье войско»; общественная организация «Стародубский
казачий полк» в составе общероссийской общественной организации «Союз казаков России»; Брянский округ Всевеликого войска Донского в составе международного союза общественных объединений «Всевеликое войско Донское»; региональная общественная организация «Брянский (Северский) казачий округ» – подразделение межрегиональной организации войсковое казачье общество «Резервное казачье войско» в составе войскового
казачьего общества «Всевеликое войско Донское». Уже даже это неполное перечисление
вызывает затруднение в понимании происходящего.
Три из этих организаций являются подразделениями более крупных формирований,
два из которых имеют статус войсковых и внесены в Государственный реестр казачьих
обществ РФ. Их формирование осуществлялось либо по инициативе, либо при непосредственном участии представителей донского казачества. Однако с географической точки
зрения регион никогда не входил в область войска Донского.
152
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 1(33)
Таким образом, в процессе легитимизации регионального казачества одной из проблем стало его историческое, географическое, культурное самоопределение, что привело
региональное казачество к расколу по этому признаку и борьбе за общее руководство возникшим социальным процессом. На территории региона возникли казачьи организации,
относящие себя к Донскому или Центральному войскам [2].
Официальные власти скорее поддерживают и считают более легитимными тех, кто
соотносит себя с «центром». Отсутствует тяготение к запорожскому казачеству, которое,
казалось бы, в соответствии с привычным «школьным» представлением, должно быть естественным. Анализ ситуации показал, что кроме политической составляющей в споре
присутствует прошлое регионального казачества, его история и культура.
Брянский государственный технический университет имеет договор с казачьими
общественными организациями региона о совместной деятельности, в том числе по изучению истории местного казачества.
Историки чаще относили казаков региона к Запорожью. Основанием служило включение этого казачества в гетманство в середине XVII века, когда шла борьба Запорожской
Сечи, гетманства, входившего в Речь Посполитую, во главе с Б. Хмельницким против
польских феодалов и католичества. В 1648 г. запорожские казаки во главе с Хмельницким
без боя вошли в центр регионального казачества Стародуб [3 - 6].
После Зборовского мира 1649 г. польский король Ян Казимир распространил власть
гетмана на Северскую землю. Казачество региона стало частью гетманства (МалороссииУкраины). Гетман разделил население, в том числе исследуемого региона, на полки, полки
- на сотни, сотни - на курени. После Переяславской рады 1654 г., принявшей окончательное решение о переходе гетманства «под руку Москвы», на регион распространилось это
административное управление. В результате произошло смешение вольного казачества и
служилого, например практически одним и тем же названием – Стародубский и Стародубовский полки - будут позднее обозначены разные исторические реальности. Эта проблема также требует изучения.
В 1654 г. был образован Стародубский полк, который до 1663 г. входил в состав Нежинского полка и управлялся казачьими войсковыми властями – полковником, писарем,
есаулом, хорунжим. В Стародубский полк входило десять сотен: Стародубская, Почепская, Бакланская, Новоместская, Мглинская, Новгород-Северская, Топальская, Шептаковская, Поповогорская и Бобовичская (две последние вошли позднее в состав земель КиевоПечерской лавры). Это и стало причиной отнесения казачества региона к запорожскому.
Но в современном казачьем сообществе отношение к такому самоопределению отрицательное, включение в то историческое время в гетманство воспринимается скорее как
историческая несправедливость. И для этого есть определенные основания. История казачества данного региона изучена недостаточно полно, в определении истоков местного казачества имеются разные точки зрения. Кроме того, как указано ранее, возникла современная общественная потребность в историческом исследовании проблемы.
Общий цивилизационный исторический подход указывает на то, что география казачества складывалась с развитием российской и соседних государственностей на их границе. Как известно, были и частично сохранились в современных условиях казаки донские, кубанские, запорожские, сибирские и др. Их сообщества возникали разными способами (как вольные казачьи сообщества и как служилые части), однако при сохранении основополагающих характеристик: воинских, трудовых и социокультурных. В периоды
опасности верх брали первые, в периоды мирной жизни – вторые.
Таким образом, казачество - прежде всего самоуправляемая структура и система самобытных социальных, социокультурных внутренних отношений и отношений с государством.
Казачество – уникальное образование, появление которого определялось множест153
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 1(33)
вом факторов, складывавшихся столетия, а может быть, и тысячелетия назад. Оно возникало на границе цивилизаций, географических регионов, на стыке религиозных конфессий, культур. По мнению многих авторов, казачество стало субэтносом, субкультурой,
«народом внутри народа». Причем ни в одной стране мира казаки в том качестве, в котором они были в России, не появлялись.
Казачество условно можно разделить на две части: вольные казачьи формирования
и казачьи войска на службе государства. Кратко осветим основные этапы развития вольных казачьих сообществ на Дону и Днепре, как наиболее известных в истории, с целью
формирования общего представления о предпосылках возникновения казачества, факторах, влиявших на его генезис в исследуемом Брянском регионе.
Большая советская энциклопедия определяет казаков (в XIV – XVII вв.) как вольных
людей, свободных от тягла и работавших по найму, главным образом на различных промыслах, а также лиц, нёсших военную службу на окраинах страны. Однако точное происхождение казаков неизвестно, существует много теорий, предлагающих свое видение этого процесса.
Среди различных предположений на этот счёт есть мнение, что казачьи поселения
были образованы вне пределов Руси и в условиях, от неё не зависящих. Официальная история считает, что население казачьих областей составили выходцы из русских княжеств,
искавшие на окраинах Руси, в пределах Дикого поля, лучшей доли. Существует и противоположная точка зрения: казаки в прошлом принадлежали к народам, пришедшим из
Азии, впоследствии обрусевшим и принявшим русский язык и христианство. О появлении
казаков на южной окраине Русского каганата в X в. пишет в «Древней истории казачества» (Новочеркасск, 1915) донской историк Е.П. Савельев, указывая на существование у
подножия Кавказских гор «народа черкасов», населявших так называемую Черкасию.
Черкасы упоминаются в начале II в. от Р.Х. Впоследствии черкасами стали называть население Слободской Украины, состоящее из малороссийских выходцев [3 - 6].
Историк Болтин указывает на то, что «в отдалённые времена на юге России жили татарские, сарматские и славянские племена, от них отделились разные толпы в степь, разбойничали там и питались звероловством. Татары называли их казаками». В записках императора Византии Константина Багрянородного конца X в. среди описаний кавказских
народностей есть упоминание о казаках. Подтверждает появление казаков в X в. генерал
А.Ригельман, интересовавшийся историей казачества. Он пишет: «Имя казаков или казацкого народа известно стало с 948 года... когда косаки татар победили, прославившись делами и храбростью своею, стали быть известны не только в соседних, но и в отдаленных
местах...».
Историк П. Бутков связывает появление казаков на Руси с 1022 годом, когда тмутараканский князь Мстислав одержал победу над Редедею Касожским (предводителем племени касогов, предков адыгейцев). Мстислав, объединив под своей властью Киевское,
Черниговское и Переяславское княжества, привёл с собой с Кавказа племена черкесов и
касогов. Для защиты своих земель от нападения азиатских орд, кочевавших в причерноморских степях, он создал из них, а также из тюркских племён, торков и берендеев, военные поселения, существовавшие вплоть до Орды. Среди этих поселян значилось племя
казаков, название которого закрепилось за золотоордынской лёгкой конницей. После распада Орды, по этой версии, казаки оказались на рубежах новых государственных образований, постепенно ассимилируясь с русскими и другими этносами. В постсоветское время
эту точку зрения поддерживает историк А.Гордеев, рассматривающий появление казаков
на Руси в связи с историей империи Монголов [7].
Н.М.Карамзин считал, что казачьи войска существовали раньше Батыевых [8].
Советский историк Л.H. Гумилев [9] говорит о появлении казаков в связи с потомками древних хазар (IX в.), жившими в низовьях Волги, Терека и Дона и называвшимися
154
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 1(33)
после распада Хазарского каганата бродниками, впоследствии сменившими свой этноним
на казаков. О бродниках пишет и Ю.Миролюбов в книге «Сакральное Руси» (М., 1996).
Противоположная точка зрения утверждает иное.
П. Симоновский говорит о казаках, что они «суть природные Россияне, а не избежище разных народов... А если бы они из разных народов были избежище, то бы, без сомнения, и разных вер могли быть люди, чего как тогда, так и ныне между казаками не
сыскуется...». И далее: «Казак имя Российское, потому что казаки есть род скифославянский, кой жительство своё имел в провинции, принадлежащей к Кавказским горам, называемой у древних Козакия...».
Можно упомянуть и такую точку зрения. В середине XIIв. в Восточной и Центральной Азии жили племена, носившие название казачьих орд. Наиболее значительные из них
проживали в верховьях Енисея и занимали земли от озера Байкал на востоке до реки Ангары на западе. Китайские исторические хроники называли их «хакасы», что в научных
трудах европейских ученых стало равнозначно слову «казаки». По записям, оставленным
современниками, хакасы (или казаки по-европейски) принадлежали к индоиранской расе:
были белокуры (светловолосы), высоки ростом, с зелёно-голубыми глазами, храбры и
горды, в ушах носили серьги. Европейские историки утверждают, что они были христианами. В пределах озера Балхаш, по этой версии, существовала казачья орда, называемая, в
зависимости от языковых особенностей, «хасаки», «кайсаки» или же «киргиз-кайсаки».
Эта казачья орда вошла в состав Монгольской империи и в ее вооружённых силах составила части лёгкой конницы. В конце XVIII - начале XIX в. донские казаки считали, что
они не русские люди, а происходят от черкесов и других обрусевших горских людей. На
слово же «москаль» они отвечали: «Не москаль, а русской, и то по закону и вере православной, а не по природе».
Если объединить эти точки зрения, то можно предположить, что первоначально на
юге появились «первоначальные» казаки, потом ордынские, затем окраинные и южнорусские, а теперь и современные казаки.
Таким образом, изначально происхождение казаков большинство теорий связывают
со смешением скифо-славянских племен с потомками черкасов, хакасов, бродников и кочевых племён. С оформлением южно-русского казачества, именуемого в XVI в. черкасским, появляются казаки запорожские и др.
Согласно теории Л.Гумилева о «пассионарности этногенеза», к XIII в. традиции и
нравы древнерусского этноса были сохранены лишь на окраинах Руси. Новые этносы (великороссы, белороссы, малороссы) возникли во взаимосвязи с древними окраинными этносами и всплеском пассионарности. Такой подъём был и на Среднем Днепре и Дону. Но
давление соседнего суперэтноса, по этой теории, из Западной Европы через Польшу «выдавило» пассионарных русичей в Москву и Запорожье [9].
Из этих разнообразных и подчас противоположных теорий возникает понимание содержания термина «казак».
В прошлом, утверждают теории, существовало много племенных названий, по созвучию близких к слову «казак». Например, есть такое понимание термина. Первоначально слово «казак» означало временный образ жизни. «Хождение в казаки» официально означало хозяйственные промыслы в Диком поле, а неофициально - набеги: «лупление» чабанов, купцов и всяких проезжих. Об этом свидетельствуют источники 1492 - 93 и 1499
гг. Возникает культурологическое понимание термина.
П. Бутков считает, что «сие слово от какого-то древнего славянского вождя - Козака». Есть мнение, что слово «казак» сочетается со словом «коса», сравнивают его с «остротой и понятливостью казацкой». Утверждают также, что слово «казак» существовало в
языках всех народов Востока, Средней и Малой Азии. Им у разных народностей обозначались самые разнообразные по форме и содержанию понятия. Например, у персов под
155
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 1(33)
«казаками» подразумевали людей, состоявших на службе и оплачиваемых за неё из государственной казны. По-персидски это слово звучит «газа», отсюда – «газак». У арабов казаками именовались всадники, сражавшиеся за веру и закон Пророка. У монголов это свободный воин «казах», живущий обособленно в палатке. Кроме того, слово ассоциируют с
понятиями «броня», «щит», «военный страж». К XV в. слово «казак» на Руси обозначало
лёгковооружённого бродягу-воина («добычника»).
Со временем, видимо, устанавливается более общее современное понятие термина
«казак» как «вольный человек». В России XVIII - начала XIX в. казачество стало определяться законодательством как военное сословие.
Советская энциклопедия даёт два определения слову «казак»: 1) удалец, вольный,
свободный, из числа тягловых людей - крестьян, расселённых в XIV - XVII вв. в пограничных районах Руси и нёсших, как правило, сторожевую службу вместе с «боярскими
детьми» и другими ратными людьми, составляя особый вид вооружённых сил - конницу;
2) человек, порвавший со своей социальной средой и поселившийся на свободных (окраинных) землях, отделявших Русь от владений полукочевых племён.
В «Словаре русского языка» В.Даля слово «казак» означает «представитель военного
сословия, которое складывалось на окраинах русского государства в XV—XVII вв. из
вольных людей», а с XVIII в. - обязанный нести военную службу за льготное пользование
землёй.
Подведем некоторые итоги, опираясь на авторитетные мнения, локализуя проблему
ближе во времени и привязывая ее к Дону и Днепру.
По мнению В.Н. Татищева, «первые казаки, сброд из черкес горских, в княжении
Курском в 14 ст. явились, где они слободу Черкассы построили и под защитой татарских
губернаторов воровством и разбоями промышляли; потом перешли на Днепр и город Черкассы на Днепре построили» [10]. В первых упоминаниях, возможно, тюркское слово «казак» означало «охранник» или наоборот – «разбойник», а также «свободный человек»,
«изгнанник», «авантюрист», «бродяга», «защитник неба». Это слово часто обозначало
свободных, «ничейных» людей, которые промышляли с оружием. Именно в этом значении оно и закрепилось за казаками.
По мнению Н.М. Карамзина, «имя их сделалось известно по истории около 1517 года … и принадлежало торкам и берендеям, которые обитали на берегах Днепра, ниже
Киева … Торки и берендеи назывались черкасами: казаки - также… некоторые из них, не
хотев покориться ни моголам, ни Литве, жили как вольные люди на островах Днепра …
приманили к себе многих россиян, бежавших от угнетения, смешались с ними и под именем комков составили один народ… Более и более размножаясь числом … казаки образовали воинскую Христианскую Республику в южных странах Днепра …» [8].
По мнению В.Шамбарова, Л.Гумилёва и др. историков, казачество возникло путём
слияния касогов и бродников во времена Золотой Орды. Касоги – древний черкесский народ, заселявший территорию Нижней Кубани в X-XIV веках. Бродники — народ тюркскославянского происхождения, сформировавшийся в низовьях Дона в XII веке [9; 11]. Касоги бежали на север и смешались с подонскими бродниками, которые унаследовали их имя
– казаки. При этом известно, что сами бродники приняли сторону Орды, сражались против Руси в битве на Калке. Таким образом, возможно, «образовалась первая ячейка казачества, изначально на службе Орды». Но это лишь предположение историков. После распада государственности Орды, в условиях формирующейся из частей Орды иной государственности, в том числе московской, казацкие сообщества стали независимыми.
Есть другие точки зрения, утверждающие, что казаки изначально были выходцами
из славян. Так, украинский политик и историк В.М. Литвин в своём трёхтомнике «История Украины» высказал мнение, что первые украинские казаки были славянами. Согласно
его исследованиям, источники свидетельствуют о существовании казаков в Крыму ещё в
156
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 1(33)
конце XIII в. [12]. По мнению Литвина, казаки-русичи были известны не одно десятилетие, по крайней мере с середины XV столетия. Литвин считает, что в этническом составе
казачества определённое место занимает тюркский элемент.
Существует также гипотеза о происхождении первых казаков от вятских (хлыновских) ушкуйников. В конце XV века их «вольная республика» с выборными воеводами,
попами и ватаманами (возможно, от слова «ватага». - авт.) была взята силой под контроль
Москвы. Часть населения бежала, часть была расселена на южной границе России. Те и
другие вполне могли стать основанием казачества Дона, Волги и даже Днепра. Население
Вятской «республики» составляли в основном выходцы из киевских территорий (в XIII
веке), Новгорода Великого (в XIV – XV вв.) и других земель.
Поскольку все авторы приводят свидетельства в пользу своих гипотез, то, скорее всего, перечисленные процессы проходили параллельно, дополняя друг друга на различных
этапах.
Таким образом, к концу XIV века образовались две крупные казачьи группы, проживавшие в низовьях Дона и Днепра. К ним присоединилось заметное количество переселенцев из соседних Московского, Литовского и Рязанского великих княжеств, а также из
прочих северо-западных земель. В результате к началу XVI века обе группы выросли в
крупные вольные казачьи сообщества (Донское и Запорожское войска), которые со временем вошли в состав растущего Московского княжества. Одновременно казачество возникло и на территории Брянского региона.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Хроника по брянскому казачеству. - http://kazak-center.ru/load/12-1-0-82.
2. «Заблудший» атаман, или К чему приводят политические игры в казачьей среде. http://bryanskrai.ru/www/bryansk-crossroads/show/2202/.
3. Антонович, В.Б. Монографии по истории Западной и Юго-Западной России / В.Б. Антонович. - Киев,
1885. - Т.1.
4. Бабадей, В.Д. Зарождение казачества на Стародубщине / В.Д. Бабадей // Материалы науч.-практ. конф. –
Брянск, 2004.
5. Гетманщина на Украине: тип государственного устройства или «казацкая вольница»? Стародубский
полк. - http://starodub.far.ru/getm-babad.htm.
6. Воропаев, А. Стародуб. Казаки. Вечная граница / А. Воропаев. – М., 2004.
7. Гордеев, А.А. История казаков. Со времени царствования Иоанна Грозного до царствования Петра I /
А.А. Гордеев. – М.: Страстной бульвар, 1991. – 245 с.
8. Карамзин, Н.М. История государства Российского / Н.М. Карамзин. – М., 1994. – Т. 4.
9. Гумилёв, Л.Н. Древняя Русь и Великая степь / Л.Н. Гумилёв. - М.: Мысль, 1989. - 766 с.
10. Татищев, В.Н. История российская / В.Н. Татищев. - М.;Л.: АН СССР, 1963. – Т. 2.
11. Шамбаров, В.Е. Казачество: История вольной Руси / В.Е. Шамбаров. - М.: Алгоритм, 2007. - 688 c.
12. Литвин, В.М. История Украины / В.М. Литвин. – Киев, 2006.
Материал поступил в редколлегию 2.03.12.
157
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 1(33)
Abstracts
Gorlenko A.O., Topolyansky P.A., Topolyansky A.P., Skantsev V.M., Shupikov I.L.,
Erokhin A.N. Increasing the wear resistance of friction cylindrical surface by applying
reinforsing nanocoating. Describe the nature and characteristics of the method of surface modification by deposition of wear parts nanocoating technology with finishing plasma strengthening
(FPS). Consider theselection of the coating material for the FPS system Si-O-C-N. Modes are
given a coating on theparameters of nanoindentation. Given the results of studies of tribological
characteristics of nanocoatings, which are responsible for improving the operational stability of
hardened products.
Key words: surface modification, finish plasma strengthening, wear-resistance, nanocoating,
nanoindentation, tribological tests.
Tikhomirov V.P. Evaluation of residual resources elements of hoisting machines largest
wear. Residual resource of friction pairs responsible for the safe operation of load-lifting machines, can
be defined on the proposed methodology, involving random loading elements of the pair of friction, absence period of normal wear and change of wear rate in the periods of exploitation.
Key words: residual resource, period of exploitation, hoisting machines, wear, friction pairs.
Davydov S.V., Skantsev V.M. Structural changes surface friction the conveyors with the
overhead tape. It is established, that the conveyors with hanging ribbon structure surface friction pairing supporting roller - tube under the influence of significant stress and strain the destruction. The technology dispersion hardening materials roller conveyor.
Key words: the conveyor with the overhead tape, surface friction, the dispersion hardening, microhardness, of every solution, modification of cast iron.
Vasilev A.S., Keglin B.G., Boldyrev A.P., Shlushenkov A.P. Creation and research of frictional absorbing device with elastic spacer unit. The design of the new friction absorbing device with elastic spacer unit is presented. The new mathematical model is developed. The power
characteristic of the projected absorbing device is received. The results of computational researches of absorbing device are shown.
Key words: automatic coupler, frictional absorbing device, the elastic spacer unit.
Korshunov V.Ja., Goncharov A.M., Prokofev A.N., Gorlenko O.A. Projections
of underlaying parts of agricultural machinery during machining. In this paper, based on the
structural and energetic approach to the process of plastic deformation and fracture of metals are basic tenets of the theory of quality management of manufacturing agricultural machinery parts during machining.
Key words: quality, cutting force, stress, dislocation, thermodynamics, internal energy,work
hardening, residual stresses.
Reutov A. A. Emanov S. L. Calculation a compressing mechanism of clamp of packages of
the silicate brick. The construction and the method of calculation a compression mechanism of
packages of the silicate brick is considered. Some results of calculations are conducted.
Key words: clamp, a compression mechanism, package of brick.
Lozbinev V.P., Lozbinev F.Y. Actual lines of researches in the field of construction design
of cars. Opportunities of perfection of process of construction design of cars are considered.
Questions of parametric and structured optimization are stated. Description of algorithms of
structured optimization is broughted. Directions of the perspective studies are worded.
Key words: optimum designing, carrier construction, target function, restrictions, parametric
optimization, structured optimization.
Levyj D.V., Totai A.V., Tihomirov V.P. Formation of quality of the surface of the blade
processing brittle materials. Considered are the peculiarities of the destruction of material and
formation of roughness in the process of processing fragile materials. Theoretical equation of the
158
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 1(33)
relationship of the conditions of processing with the parameters of quality of a surface, allowing
to provide the detail necessary roughness.
Key words: machining by cutting, roughness formation, a brittle material.
Korobko A.V., Prokurov M.Yu. Application of configuration factor to define load-carrying
ability of rectangular plates from elastoplastic material. The article gives the task solution by
the definition of ultimate breaking load for hinged end rectangular plates made of elastoplastic
material and loaded with concentrated load at arbitrary point applying integral characteristic of
the plane domain - configuration factor. The calculation formulae of dependence of point location of force application are obtained. Algorithms and programs to define the schematic view of
plate destruction and ultimate breaking loads are built.
Key words: rectangular plates, concentrated load, limit equilibrium, schematic view of destruction, ultimate breaking load, configuration factor, load-carrying ability, elastoplastic material.
Lagerev I.A. Simulation of a crane-manipulator of mobile energy unit metal construction
loading parameters. A methodic of mobile energy unit crane-manipulator metal construction
loading parameters simulation is under consideration in this article. This methodic was applied
for crane-manipulator which service the pipeline construction.
Key words: crane-manipulator, energy unit, loading parameters, simulation.
Sakalo V.I., Novikov S.P. Determination of rolling loss on friction of suspension rolles rolling along ways of conveyor with suspended belt. Method of determination of energy loss on
friction of suspension rollers rolling along pipe ways of conveyor with suspended belt is presented.
Key words: conveyor with suspended belt, roller suspension, pipe way, spin, creep, energy loss.
Obozov A.A., Starokogev M.A. Research investigation of twin four-chamber rotor piston
engine performance over broad range of its load and speed modes. This article contains the
results of investigating the twin rotor piston engine performance over the broad range of its load
and speed operation modes. The research investigation was done with the help of a mathematic
simulation of the engine running process. It is given the engine universal curves built with using
a regression analysis of the findings.
Key words: twin rotor piston engine, running process, regression analysis, universal curves.
Fyodorov V. P., Nagorkin M. N., Pyrykov I. L., Ivahnenko I.L., Fedyaeva G.A., Potapov
L.A. Automation of diagnostics of technological systems on parameters of quality of surfaces of processed details. Questions of automation of diagnostics of technological systems on
parameters of quality of surfaces of processed details, including their operational properties are
considered. Examples of operating systems of diagnostics of quality of the surface, constructed
on the basis of the modernized domestic devices and the equipment are presented.
Key words: automation, diagnostic, technological system, surface quality, operational properties, reliability, modernizing, computerization.
Kobishanov V.V., Antipin D.Y. Safety assessment of a passing passenger railway trains
switches. The technique of an estimation of a passing passenger railway trains switcheswhich
are in serviceable and faulty conditions, based on methods of mathematical modelling is offered.
Key words: safety assessment, passenger railway trains, switch, breakdown, parametres of running dynamics, mathematical modeling.
Makarenko K.V., Totay A.V., Poddubnyy A.N., Zentsova E.A. The composite structuring
of ductile iron. The peculiarities of the obtaining of the composite phase distribution in ductile
iron. The main factors influencing the formation of ferrite shell around graphite inclusions are
described. The ways to operate the ferrite shell thickness in the structure "bull's eye" and the
ways to change mechanical and operational properties of iron are suggested.
Key words: ductile iron, composite structures, ferrite, silicon, graphite inclusions, heat treatment.
159
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 1(33)
Chandoshko A. V., Totai A.V., Averchenkov V.I. Software module for modelling process
screw grooves disk tools. The article describes ways to solve the problem of profiling the cutting tool in the processing of helical surfaces. The problems of mathematical modeling, algorithms and software to solve this problem.
Key words: аlgorithmic and software profiling cutter, screw machining particleboard surfaces.
Fedyaeva G. A., Matyushkov S. Yu., Rogovtsev G. V., Kochevinon D. V. Automatic control
system for electric traction induction motor drive. The article describes the main principles of
model production and computer modeling with respect to the control system for traction electric
induction motor drive in vehicles running at the limit of adhesion on wheels with rails.
Key words: electric traction drive, induction motor, automatic control system, computer modeling, self-oscillation reduction.
Eshin S.V. An Algorithm for discovering causal relationships from empirical data. An algorithm for automated discovering causal relationships from empirical data, which is an improved
version of the T. Verma’s & J. Pearl’s Inductive Causation (IC) algorithm, is proposed. A formal
definition of a root, direct and indirect causes is given based on causal Bayesian networks formalism. The new rules for Bayesian network pattern orientating based on information about
types of causes are proposed.
Keywords: cause, causal relationships, Bayesian network, identification of causality, empirical
data
Averchenkov V.I., Spasennikov V.V., Filippov R.A. Research of accuracy of positioning of
objects at optical microscopy with management through the internet. Questions of hardware
realization system for the microgeometrical analysis on a basis optical microscopy are considered. Drives of management of moving of knots of a microscope and the basic hardware decisions used at creation of a complex are described. The technique of an estimation of an error kinematic chains of a drive of moving of a subject little table is developed
Key words: the optical microscopy, the automated system of scientific researches, hardwaresoftware complex, management drives, kinematic error of a chain.
Tolsykh S.G., Tolsykh S.S. Object-oriented representation systems and event-driven model
of technological flow. The problem is the formalization of objectriented representation systems,
which serves as the basis for the development of mathematical models of the process stream,
particularly for food production. It is proposed to use event-driven mathematical description
of how the cognitive basis of representations of mixed systems with continuous time and discrete objects hierarchy management processes in the technological flow.
Key words: system analysis, process flow, object-oriented, event-driven model, food products.
Miroshnikov V.V., Stroitelev V.N., Borbatc N.M. Application of the method of principal
components for processing of the multidimensional statistical data. In article questions of
processing of the multidimensional statistical data of a rating estimation of students on the basis
of application of a method of allocation fprincipal components are considered.
Key words: the multidimensional analysis of the data, dimension decrease, principal components, rating.
Kamaev V.A., Al-Qataber A.S., Shcherbakov M.V. Development of methods of forecasting
socio-economic parameters municipalities. The results of a study on the prediction of socioeconomic parameters of the municipalities. A comprehensive approach to solving the problem of
forecasting based on the process of extracting knowledge from data in the form of the production
cycle (CRISP-DM). The results of the tests and shows the consistency of methods for solving the
problem of forecasting the demographic situation in the database of passports municipalities
(2007-2009 gg.).
Key words: socio-economic characteristics, demographics, weather, evolutionary systems,
konnektivistskie model municipalities.
160
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 1(33)
Trifankov Yu.T, Trifankov Ya.Yu. The problem of the study of history and cossacks
Bryansk accompanied hull territories. Defined the problem of studying the history of a regional Cossack Bryansk region and adjacent territories that emerged between Russia and
Rzeczpospolita, Zaporozhye and Don and has maintained a socio-cultural characteristics that are
relevant to the present.
Key words: Cossacks, the Bryansk region of Russia, Moscow principality, Rzeczpospolita, Don,
Kiev.
161
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 1(33)
СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРАХ
Аверченков Владимир Иванович, д.т.н, профессор, зав.кафедрой «Компьютерные технологии и системы», проректор по информатизации и международному сотрудничеству
БГТУ, тел.: (4832)58-82-06, e-mail: aver@tu-bryansk.ru.
Аль-Катабери Айман Сулейман, аспирант кафедры САПР ВолгГТУ, e-mail:
аiman.qataberi@gmail.com.
Антипин Дмитрий Яковлевич, к. т. н., доцент кафедры «Подвижной состав железных
дорог» БГТУ, тел.: (4832) 56-04-66, e-mail: adya24@rambler.ru.
Болдырев Алексей Петрович, д.т.н., профессор, зав. кафедрой «Динамика и прочность
машин» БГТУ, тел.: (4832) 56-08-10.
Борбаць Николай Михайлович, к.т.н., доцент кафедры «Управление качеством, стандартизация и метрология» БГТУ, e-mail: borbact@mail.ru.
Васильев Алексей Сергеевич, аспирант кафедры «Динамика и прочность машин» БГТУ,
тел.: (4832) 56-08-10, е-mail: asv.bstu@gmail.com.
Гончаров Павел Николаевич, аспирант кафедры «Технология материалов, надежность,
ремонт машин и оборудования» БГСХА, г. Брянск, тел.: 8-951-704-17-98.
Горленко Александр Олегович, д.т.н., профессор кафедры «Автомобильный транспорт»
БГТУ, тел.: (4832) 58-82-79, е-mail: trt@tu-bryansk.ru.
Горленко Олег Александрович, д.т.н., профессор, проректор по качеству и инновационной работе БГТУ, заведующий кафедрой «Управление качеством, стандартизация и метрология», тел.: (4832) 56-62-11, e-mail: goa-bgtu@mail.ru.
Давыдов Сергей Васильевич, д.т.н., профессор кафедры «Машиностроение и материаловедение» БГТУ, е-mail: svdavidov@tu-bryask.ru.
Ерохин Александр Николаевич, вед. инженер кафедры «Автомобильный транспорт»
БГТУ, тел.: (4832) 58-82-79.
Ешин Семён Васильевич, аспирант кафедры «Управление качеством, стандартизация и
метрология» БГТУ, e-mail: eshinsemen@mail.ru.
Зенцова Екатерина Александровна, ассистент кафедры «Машиностроение и материаловедение» БГТУ, тел.: (4832) 58-82-18.
Ивахненко Александр Геннадьевич, д.т.н., профессор кафедры «Управление качеством,
стандартизация и сертификация» Юго-Западного государственного университета, г.
Курск, e-mail: ivakhnenko2002@mail.ru.
Камаев Валерий Анатольевич, д.т.н., профессор, зав. кафедрой САПР ВолгГТУ, e-mail:
cad@vstu.ru.
Кеглин Борис Григорьевич, д.т.н., профессор кафедры «Динамика и прочность машин»
БГТУ, тел.: (4832) 56-08-10.
Кобищанов Владимир Владимирович, д. т. н., профессор, зав. кафедрой «Подвижной
состав железных дорог», директор УНИТ БГТУ, тел.: (4832) 56-04-66, e-mail: wagon@tubryansk.ru.
Коробко Андрей Викторович, д.т.н., профессор кафедры «Теоретическая и прикладная
механика» ФГОУ ВПО «Государственный университет-УНПК», г. Орел, e-mail:
oantc@ostu.ru.
Коршунов Владимир Владимирович, инженер кафедры «Системы энергообеспечения»
БГСХА, г. Брянск, тел.: 8-903-735-97-25.
Кочевинов Дмитрий Викторович, магистр кафедры «Электронные, радиоэлектронные и
электротехнические системы» БГТУ, тел.: (4832) 56-36-02, e-mail: aep-bgtu@yandex.ru.
Лагерев Игорь Александрович, ассистент кафедры «Динамика и прочность машин»
БГТУ, тел.: (4832) 58-83-55, е-mail: mnto@tu-bryansk.ru.
162
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 1(33)
Левый Дмитрий Владимирович, к.т.н., доцент кафедры «Металлорежущие станки и инструменты» БГТУ, e-mail: dims78-l@yandex.ru.
Лозбинев Владимир Павлович, д.т.н., профессор кафедры «Вагоны» БГТУ, тел.: 8-952966-47-91, е-mail: wagon@tu-bryansk.ru.
Лозбинев Фёдор Юрьевич, д.т.н., профессор кафедры «Компьютерные технологии и
системы» БГТУ, тел.: (4832) 66-14-95, е-mail: flozbinev@yandex.ru.
Макаренко Константин Васильевич, к.т.н., доцент, зав. кафедрой «Машиностроение и
материаловедение» БГТУ, е-mail: makkon1@yandex.ru.
Матюшков Сергей Юрьевич, аспирант кафедры «Электронные, радиоэлектронные и
электротехнические
системы»
БГТУ,
тел.:
8-919-194-51-78,
e-mail:
matyushkov.serzh@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.
Нагоркин Максим Николаевич, к. т. н., доцент кафедры «Безопасность жизнедеятельности и химия» БГТУ, тел.: (4832) 58-82-34, e-mail: nagorkin@tu-bryansk.ru.
Новиков Сергей Павлович, к. т. н., доцент кафедры «Вычислительная техника» Московского государственного университета путей сообщения, Брянский филиал МИИТ, тел.:
(4832) 58-82-14.
Обозов Александр Алексеевич, д.т.н., профессор кафедры «Тепловые двигатели» БГТУ,
тел.: (4832) 56-08-01.
Поддубный Анатолий Никифорович, д.т.н., профессор кафедры «Машиностроение и
материаловедение» БГТУ, тел.: (4832) 58-82-18.
Потапов Леонид Алексеевич, д.т.н., профессор, зав. кафедрой «Промышленная электроника и электротехника» БГТУ, тел.: (4832) 58-82-32.
Прокофьев Александр Николаевич, д. т. н., профессор, зав. кафедрой «Технология машиностроения» БГТУ, тел.: (4832) 68-89-61.
Прокуров Максим Юрьевич, к.т.н., доцент кафедры «Строительные конструкции»
БГИТА, г. Брянск, е-mail: m.prokuroff@mail.ru.
Пыриков Игорь Лаврентьевич, к. т. н., доцент кафедры «Технология машиностроения»
БГТУ, тел.: (4832) 58-82-20.
Реутов Александр Алексеевич, д.т.н., профессор кафедры «Подъёмно-транспортные
машины и оборудование», начальник учебно-методического управления БГТУ, тел.:
(4832) 68-89-51, е-mail: umu@tu-bryansk.ru.
Роговцев Григорий Викторович, аспирант кафедры «Электронные, радиоэлектронные и
электротехнические системы» БГТУ, тел.: (4832) 56-36-02, e-mail: aep-bgtu@yandex.ru.
Сакало Владимир Иванович, д. т. н., профессор, зав. кафедрой «Прикладная механика»
БГТУ, тел.: (4832) 58-82-14.
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.
Спасенников Валерий Валентинович, д.псих.н., профессор кафедры «Экономика и менеджмент» БГТУ, е-mail: spvv@mail.ru.
Старокожев Михаил Алексеевич, аспирант кафедры «Энергетика и автоматизация производственных процессов» БГИТА, тел.: (4832) 56-08-01.
Строителев Владислав Николаевич, д.т.н., профессор, зав. кафедрой «Управление качеством, техника и технологии» Королевского института управления, экономики и социологии, e-mail: nina09@list.ru.
Тихомиров Виктор Петрович, д.т.н., профессор, зав. кафедрой «Детали машин» БГТУ,
тел.: (4832) 58-82-12.
163
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 1(33)
Толстых Светлана Германовна, к.т.н., доцент кафедры «Технология продовольственных
продуктов» ТГТУ, тел.: (4752) 63-94-42, е-mail: svetlanatolstyh@mail.ru.
Толстых Сергей Степанович, к.т.н., доцент кафедры «Информационные процессы и
управление» ТГТУ, тел.: (4752) 63-91-87, е-mail: softjazz@mail.ru.
Тополянский Андрей Павлович, аспирант Санкт-Петербургского политехнического
университета, тел.: (812) 444-9337, е-mail: andrey@plasmacentre.ru.
Тополянский Павел Абрамович, к.т.н., доцент кафедры «Сварка и лазерные технологии» Санкт-Петербургского государственного политехнического университета, тел.: (812)
528-74-84.
Тотай Анатолий Васильевич, д.т.н., профессор, зав. кафедрой «Безопасность жизнедеятельности и химия» БГТУ, тел.: (4832) 58-82-34.
Трифанков Юрий Трофимович, д. ист. н., профессор кафедры «Философия, история и
социология» БГТУ, тел.: (4832) 51-19-58.
Трифанков Ярослав Юрьевич, аспирант кафедры «Философия, история и социология»
БГТУ, тел.: (4832) 51-19-58.
Фёдоров Владимир Павлович, д. т. н., профессор кафедры «Технология машиностроения» БГТУ, тел.: (4832) 58-82-20.
Федяева Галина Анатольевна, д. т. н., профессор кафедры «Электронные, радиоэлектронные и электротехнические системы» БГТУ, тел.: (4832) 56-36-02, e-mail:
galan.fedyaeva@gmail.com.
Филиппов Родион Алексеевич, ст. преподаватель кафедры «Компьютерные технологии
и системы» БГТУ, е-mail: redfil@mail.ru.
Хандожко Александр Владимирович, д.т.н., профессор, зав. кафедрой «Металлорежущие станки и инструменты» БГТУ, тел.: (4832) 58-82-89.
Шлюшенков
Анатолий
Петрович,
к.т.н.,
профессор
кафедры
«Динамика и прочность машин» БГТУ, тел.: (4832) 56-08-10.
Шупиков Игорь Леонидович, к.т.н., доцент кафедры «Автомобильный транспорт»
БГТУ, тел.: (4832) 58-82-79.
Щербаков Максим Владимирович, к.т.н., доцент кафедры САПР ВолгГТУ, e-mail:
maxim.shcherbakov@gmail.com.
Эманов Сергей Леонидович, к.т.н., доцент кафедры «Начертательная геометрия и графика» БГТУ, тел.: (4832) 58-82-15, е-mail: slemanov@yandex.ru.
164
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Олегу Александровичу Горленко – 70 лет
Олег Александрович Горленко родился 20 января 1942 г. в селе Кирсановка Тоцкого
района Оренбургской области в
семье военнослужащего. Детские и юношеские годы О. А.
Горленко прошли в г. Клинцы
Брянской области, куда его семья вернулась из эвакуации в
апреле 1943 г.
В 1958 г. Олег Александрович окончил Клинцовскую
среднюю школу № 5 с серебряной медалью и поступил в
Брянский институт транспортного машиностроения (ныне
ФГБОУ ВПО «Брянский государственный технический университет»), который окончил в
1963 г. по специальности «Технология машиностроения, металлорежущие станки и инструменты».
После окончания вуза по направлению работал на предприятии п/я 58 (г. Клинцы
Брянской обл.), затем трудился на Клинцовском заводе телефонной аппаратуры в качестве
инженера-конструктора 1-й категории.
В апреле 1968 г. поступил на работу в Брянский институт транспортного машиностроения, где прошел путь от инженера НИСа кафедры «Технология машиностроения» до
заведующего кафедрой, декана механико-технологического факультета, проректора по
научной работе и проректора по качеству и инновационной работе.
В 1972 г. О. А. Горленко защитил кандидатскую диссертацию в Брянском институте
транспортного машиностроения, а в 1993 г. - докторскую диссертацию в
МГТУ «Станкин» по специальности «Технология машиностроения». В 1978 г. ему было
присвоено ученое звание доцента, а в 1994 г. – профессора по кафедре «Технология машиностроения».
В 1976-1977 гг. он прошел 6-месячную научную стажировку в Салфордском техническом университете (Великобритания).
Олегу Александровичу Горленко присвоены почетные звания: «Заслуженный деятель науки Российской Федерации» (1998 г.), «Заслуженный работник высшей школы
Российской Федерации» (2005 г.), «Заслуженный ученый Брянской области» (2010 г.). В
2002 г. он был награжден нагрудным знаком «Почетный работник высшего профессионального образования Российской Федерации».
О.А. Горленко является автором около 500 научных трудов, в том числе 14 авторских свидетельств и патентов.
165
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ИВАН ИВАНОВИЧ КИРИЛЛОВ
(к 110-летию со дня рождения)
Иван Иванович Кириллов (родился 30 марта 1902
г. в Санкт-Петербурге; умер 11 июля 1993 г.) является
одним из основателей отечественной школы турбиностроения. В 1924 г. окончил Ленинградский технологический институт. Основная инженерная и научнопедагогическая
деятельность
д.т.н.,
проф.
И.И.Кириллова связана с Ленинградским металлическим заводом, Центральным котлотурбинным институтом им. И.И.Ползунова, Ленинградским политехническим институтом им. М.И.Калинина (ныне СПбГПУ),
Брянским институтом транспортного машиностроения
(ныне БГТУ).
И.И.Кириллов – крупный ученый и замечательный педагог. Его перу принадлежит более 350 научных
работ, в том числе 25 монографий и учебников. Характерной чертой этих работ является сочетание глубоких
физических исследований с инженерно-техническими
решениями поставленных вопросов и их широким внедрением в практику турбостроения.
Большую известность и всеобщее признание получили труды И.И.Кириллова в области теории турбомашин, автоматического регулирования, теории, расчета и конструирования паровых и газовых турбин, исследования газовой динамики проточной части паровых и газовых турбин, разработки тепловых схем комбинированных установок.
Дальнейшее развитие в трудах И.И.Кириллова получили вопросы работы влажнопаровых ступеней турбомашин на двухфазных средах. Им глубоко разработана теория кинетики конденсации и предложен метод расчета процесса конденсации в турбинной ступени. Теоретически предсказано и экспериментально подтверждено возникновение резонансных явлений в зонах фазовых переходов при трансзвуковых течениях влажного пара
в соплах. Труды И.И.Кириллова отличаются высоким теоретическим уровнем, практической ценностью и доступностью для широкого круга инженеров-турбостроителей. Многолетний опыт проектной работы, постоянная творческая связь с конструкторскими коллективами придают его статьям, книгам и изобретениям особую ценность для промышленности. Его работы находят широкое применение в практике отечественных турбостроительных заводов, а также в учебном процессе в вузах при подготовке инженеровтурбостроителей.
Иван Иванович Кириллов является образцом ученого с широким диапазоном научных интересов, чьи теоретические обобщения сочетаются с инженерным искусством. В
послевоенные годы под руководством И.И. Кириллова проводились исследования рабочих процессов в паровых и первых отечественных газовых турбинах. Работы по исследованию газовой динамики проточных частей турбомашин долгое время продолжались в
содружестве с ПО «ЛМЗ», ПОАТ «ХТЗ», ПО «НЗЛ» и Уральским турбомоторным заводом. Большое внимание уделялось развитию исследований в области термодинамики циклов паровых и газовых турбин.
Плодотворная научная деятельность И.И.Кириллова способствовала развитию отечественного турбостроения. Его труды нашли отражение в конструкциях мощных паровых и газовых турбин, выпускаемых ПО «ЛМЗ», ПОАТ «ХТЗ», УТМЗ, ПО «НЗЛ», КТЗ,
ЛКЗ. И.И.Кириллов принимал участие в создании силовых установок атомных ледоколов.
166
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
В течение десяти лет (1951 – 1961 гг.) И.И.Кириллов заведовал кафедрой турбостроения Брянского института транспортного машиностроения. Это был период создания
и развития кафедры. Были установлены и активно развивались деловые и творческие контакты коллектива кафедры с промышленными предприятиями и научноисследовательскими организациями Брянска, Ленинграда, Ворошиловграда, Коломны,
Калуги, Свердловска, Харькова, Киева, Москвы, Таганрога и других городов. Коллективом кафедры «Турбиностроение» под руководством проф. И.И. Кириллова были проведены исследования аэродинамических характеристик группы ступеней мощных паровых
турбин ЛМЗ, ХТГЗ и УТМЗ, обеспечившие улучшение их технико-экономических показателей. Результаты этих исследований были внедрены в сериях турбин мощностью 200,
300, а позднее и 800 тыс. кВт, которые массово выпускались турбостроительными заводами страны в течение нескольких десятилетий и продолжают находиться в производстве в
настоящее время. Внедрение экспериментально обоснованных рекомендаций обеспечило
значительный экономический эффект и повышение КПД турбин благодаря улучшению
аэродинамических показателей их проточных частей. За эти годы сложился творческий
коллектив преподавателей, научных сотрудников и инженеров кафедры турбиностроения,
получивший название «Брянская научная школа профессора И.И. Кириллова».
После возвращения И.И.Кириллова в 1961 г. на работу в Ленинградский политехнический институт между кафедрами турбиностроения БИТМа и ЛПИ установилось тесное
научное и педагогическое сотрудничество. И.И.Кириллов неоднократно утверждался
председателем ГАК по специальности «Турбиностроение» и всегда отмечал высокий уровень подготовки специалистов в БИТМе.
За свою многолетнюю научно-педагогическую деятельность И.И.Кириллов вырастил сотни инженеров и научных работников, им подготовлено 16 докторов и более 100
кандидатов технических наук. Среди его учеников ведущие специалисты отрасли, директора и главные инженеры предприятий, руководители конструкторских бюро. В БИТМе и
БГТУ работали и работают ученики И.И.Кириллова: доктора технических наук
В.Т.Буглаев, И.Г.Гоголев, Р.М.Яблоник, профессор В.В.Лагерев, кандидаты технических
наук А.М.Дроконов, Р.И.Дьяконов, И.Д.Заикин, А.А.Климцов, Р.В.Кузьмичев,
В.Т.Перевезенцев, В.И.Попков, А.А.Терешков и др.
За успехи в научно-педагогической деятельности И.И.Кириллов награжден орденом
Ленина, двумя орденами «Знак Почета», медалями. Он дважды лауреат Государственной
премии. И.И.Кириллову присвоено почетное звание «Заслуженный деятель науки и техники РСФСР».
167
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ИНЖЕНЕР, УЧЕНЫЙ, ПЕДАГОГ
(к 125-летию профессора М.Т. Мержанова)
Мирон Тарасович Мержанов родился 10 февраля 1887 года в г. Краснодаре, в семье служащего.
В 1915 году он закончил Харьковский технологический институт, получив звание инженератехнолога «в чине XII класса».
Еще в студенческие годы М.Т. Мержанов увлекался научно-исследовательской работой, участвовал в организации студенческого технического
общества.
Свою инженерную деятельность он начал в
Тамбовских вагонных мастерских в разгар Первой мировой войны. Мастерские были в то
время заняты не столько вагонами, сколько боеприпасами. Молодому инженеру удалось
впервые внедрить поточный метод производства снарядов.
С 1916 года производственная деятельность М.Т. Мержанова связана с Брянским паровозо-вагоностроительным заводом (ныне БМЗ). В годы Гражданской войны он работал
начальником вагонных мастерских завода, которые выпускали и ремонтировали бронепоезда.
В 1923 году перед заводом «Красный Профинтерн» (ныне БМЗ) была поставлена задача организовать производство большегрузных четырехосных вагонов, выполнение которой было поручено М.Т. Мержанову. Пришлось строить новый крупный вагонный цех.
Строительство развернулось на болотистом месте. Вряд ли кто догадывается, проходя
мимо вагонного цеха БМЗ, что цех стоит на сваях. В 1928 году впервые в СССР было
создано поточное производство большегрузных четырехосных вагонов.
В 1930 году состоялась поездка в США группы крупных отечественных инженеров
для изучения американского опыта вагоностроения. В состав делегации вошел и М.Т.
Мержанов. Поездка оказалась весьма плодотворной. Результаты ее Мирон Тарасович
обобщил в книге «Вагоностроение на заводах Америки» (Гостехиздат, 1931), которая сыграла важную роль в становлении отечественного вагоностроения.
В 1930 году был открыт наш институт. С первых дней основания вуза М.Т. Мержанов – один из его руководителей и ведущий педагог. Он возглавлял единственный в стране вагоностроительный факультет института, но не терял связи с заводом. В 1934 году на
Брянском машиностроительном заводе под его руководством, как главного инженера по
вагоностроению, было освоено производство сварных большегрузных вагонов.
С большой энергий берется Мирон Тарасович за налаживание учебного процесса в
институте. Он пишет разделы для справочника по вагоностроению: «Производство большегрузных вагонов», «Производство изотермических вагонов», «Производство цистерн». В
1939 г. М.Т. Мержанову было присвоено ученое звание профессора по кафедре «Вагоностроение».
В 1941 году институт был эвакуирован в г. Нижний Тагил. Учебный процесс пришлось организовывать на голом месте. Использовалась любая возможность для улучшения качества подготовки специалистов. Мирона Тарасовича можно было часто встретить в
цехах Уральского вагоностроительного завода, воинских частях, госпиталях.
В начале 1944 года в Бежицу прибыла оперативная группа реэвакуации института, в
состав которой входил профессор М.Т. Мержанов. Новый учебный год наш институт начал в родных стенах.
В 1947 году профессору М.Т. Мержанову было присвоено почетное звание заслуженного деятеля науки и техники РСФСР.
168
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
В 1948 году вышел в свет давно задуманный капитальный труд «Вагоностроение».
Книга профессора М.Т. Мержанова стала настольной для каждого вагоностроителя.
С 1931 по 1959 год Мирон Тарасович возглавлял кафедру «Вагоностроение». Будучи
деканом факультета транспортного машиностроения (1947 – 1959 гг.), он много времени
уделял воспитательной работе и организации четкой работы факультета. Он читал курсы
«Экономика машиностроительной промышленности», «Организация производства»,
«Технология вагоностроения».
Своей инженерной, научной, педагогической, общественной деятельностью профессор М.Т. Мержанов завоевал всеобщий почет среди вагоностроителей нашей страны, подготовил сотни специалистов по вагоностроению.
Правительство высоко оценило заслуги профессора М.Т. Мержанова в науке, технике и подготовке кадров. Он был награжден двумя орденами Трудового Красного Знамени
и тремя медалями.
Специализированная аудитория № 17 кафедры «Вагоны» носит имя профессора М.Т.
Мержанова.
Директор УНИТ, д.т.н., проф. В.В. Кобищанов
169
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа